Química nuclear La Química Nuclear, trata los cambios naturales y artificiales en los átomos, concretamente, en sus núcleos, así como también, las reacciones químicas de las sustancias que son radiactivas. La radiactividad natural es el modelo que más se conoce de la química nuclear. Dentro de ella se estudian los efectos que provocan sobre las sustancias, las emisiones radiactivas alfa, beta y gamma

Química Nuclear Los núcleos están compuestos por protones y neutrones, que se mantienen unidos por la denominada fuerza fuerte. Algunos núcleos tienen una combinación de protones y neutrones que no conducen a una configuración estable. Estos núcleos son inestables o radiactivos. Los núcleos inestables tienden a aproximarse a la configuración estable emitiendo ciertas partículas..

Los tipos de desintegración radiactiva se clasifican de acuerdo a la clase de partículas emitidas

Los tipos de desintegración radiactiva se clasifican de acuerdo a la clase de partículas emitidas Las partículas alfa son núcleos de Helio, es decir átomos de He sin su capa de electrones. Constan de 2 protones y 2 neutrones confinados en un volumen equivalente al de una esfera de 10 -5 m de radio.

Debido a su gran energía, al atravesar el aire ionizan muchas partículas antes de atenuarse después de recorrer 5 cm. Debido a su tamaño, al incidir sobre un sólido, este la detiene fácilmente. Una lámina de aluminio de 0,1 mm de grosor las frena totalmente e impide su paso, pero ionizan fuertemente la materia en la que inciden. Cuando se forman las partículas alfa (α), el núcleo pasa del estado inicial a otro excitado de menor energía. Para salir de este estado y quedar estable emite radiación gamma ().

Las partículas beta son electrones moviéndose a gran velocidad (próxima a la de la luz 0.98.c = 270000 km/s). Inicialmente la radiación beta no fue reconocida como lo que era: un haz de electrones. La partícula beta () fue identificada como un electrón cuando, aplicando la teoría de la relatividad, se calculó la masa de un electrón en movimiento que coincidía con la de la partícula . Tiene una masa mayor que la de un electrón en reposo.

Las partículas  tienen carga negativa ( -1) y son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Tienen energía cinética menor que las partículas α porque aunque tienen una gran velocidad tienen muy poca masa. Se usan isótopos radiactivos del yodo en el tratamiento del cáncer de tiroides porque el yodo es absorbido por el tiroides y emite partículas beta que matan las células cancerosas.

La Radiación Gamma o Rayos Gamma La Radiación Gamma o Rayos Gamma. Tipo de radiación electromagnética, y por tanto formada por fotones, producida generalmente por elementos radiactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida en fenómenos astrofísicos de gran violencia. Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta.

Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos. Los rayos gamma se producen en la desexcitación de un nucleón de un nivel o estado excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos.

Penetración de radiaciones ionizantes

Desintegración radiactiva - La emisión de una partícula α disminuye el numero atómico (Z) en 2 y el número de masa (A) en 4. La emisión de una partícula β causa un aumento del número atómico (Z) de 1, pero el número de masa (A) permanece invariable La velocidad de desintegración decrece a medida que los núcleos radiactivos se van desintegrando. No podemos predecir en que instante se desintegrará un núcleo concreto, ni qué núcleo se va a desintegrar en un determinado instante.

Una serie radiactiva es un conjunto de elementos que se han formado de un solo núcleo radiactivo por emisiones sucesivas de partículas α ó β

Serie del U-238

Radiactividad artificial Otra manera de como un núcleo puede cambiar de identidad consiste en ser golpeado por un neutrón o por otro núcleo, lo que se conoce como transmutación nuclear. Los elementos ligeros pueden ser radiactivos, si se bombardean sus núcleos con partículas apropiadas, p/Ej.

FISION NUCLEAR En 1939 se descubrió una reacción nuclear que liberaba mucha más energía por átomo que la radiactividad, y que tenía un potencial para ser usada tanto para producir explosivos, como para generar energía. Se trataba del rompimiento del átomo y al proceso se le llama fisión nuclear.

En todos los núcleos de los átomos estables predominan las interacciones nucleares fuertes, pero cuando las fuerzas eléctricas son ligeramente mayores se produce un alargamiento del núcleo y si las fuerzas eléctricas superan a las interacciones nucleares fuertes del punto crítico se rompe el núcleo.

Diagrama de la fisión nuclear del uranio-235

Reacción en cadena

Reacción en cadena Se observa que la fisión nuclear del uranio la inicia un solo neutrón y el proceso produce 3 neutrones. En casi todas las reacciones de fisión nuclear se producen de dos a tres neutrones, los que a su vez pueden causar la fisión de dos o tres núcleos más, con lo que se liberan de 4 a 9 neutrones adicionales, y así sucesivamente. Esto constituye una reacción en cadena.      ¿Por qué no se producen las reacciones en cadena en los depósitos naturales de minerales de uranio?. Esto ocurriría si todos los átomos de uranio se fusionaran, pero los átomos de uranio que se fisionan con facilidad son los del isótopo U-235 y éste sólo constituye el 0.7 % del uranio metálico puro. El isótopo predominante del uranio es el U-238 y al absorber los neutrones producidos en la fisión nuclear no se fisiona, lo que amortigua la reacción en cadena que llegue a iniciarse.

Fusión nuclear La fusión nuclear requiere que dos núcleos se acerquen, para que la fuerza nuclear atractiva se haga sentir y los dos iones se fundan en uno solo con ganancia de energía. Desgraciadamente, los núcleos tienen carga positiva y se repelen eléctricamente; esta repulsión actúa a distancias mucho mayores que el alcance de la interacción fuerte, el acercamiento es más fácil para los núcleos ligeros, pues llevan menos carga. A fin de conseguir la fusión nuclear debemos usar, entonces, el hidrógeno y sus isótopos. De todas formas, el rechazo entre las cargas significa una fuerte barrera que se opone a la fusión.

Fusión nuclear solar Para explicar la liberación de energía por el Sol y otras estrellas se ha propuesto el siguiente mecanismo para las reacciones de fusión nuclear en las que el hidrógeno se transforma en helio con la liberación de energía: a) b) c) d)

La masa total de dos protones y dos neutrones es mayor cuando están libres que cuando están combinados en un núcleo de helio. Cuando se unen la masa disminuye porque se libera energía.      Se estima que, en la región central del Sol ocurren reacciones de combustión nuclear y que cada segundo se transforman 657x106 toneladas de hidrógeno en 653x106 toneladas de helio más 4x106 toneladas de energía radiante que se desprende.

Diagrama de un reactor nuclear 1.- bloque del reactor 2.- torre de enfriamiento 3.- reactor 4.- control de varillas 5.- soporte p/presión 6.- generador de vapor 7.- combustible 8.- turbina 9.- generador 10.- transformador 11.- condensador 12.- gas 13.- liquido 14.- aire 15.- aire húmedo 16.- rió 17.- circ. de agua p/enfr. 18.- circuito prim. 19.- circuito sec. 20.- vapor de agua 21.- bomba

Defecto de la masa La energía de unión nuclear es una medida cuantitativa de la estabilidad nuclear y es la energía que se requiere para romper un núcleo A la diferencia entre masa de un átomo y la suma de las masas de sus protones neutrones y electrones se le llama defecto de masa La perdida de masa se muestra como energía liberada a los alrededores en forma de calor:

Desintegración alfa: El elemento radiactivo de número atómico Z, emite un núcleo de Helio (dos protones y dos neutrones), el número atómico disminuye en dos unidades y el número másico en cuatro unidades, produciéndose un nuevo elemento situado en el lugar Z-2 de la Tabla Periódica. Desintegración beta: El núcleo del elemento radiactivo emite un electrón, en consecuencia, su número atómico aumenta en una unidad, pero el número másico no se altera. El nuevo elemento producido se encuentra el lugar Z+1 de la Tabla Periódica. Desintegración gamma: El núcleo del elemento radiactivo emite un fotón de alta energía, la masa y el número atómico no cambian, solamente ocurre un reajuste de los niveles de energía ocupados por los nucleones.