Prof. Sergio Casas-Cordero E. Química Nuclear Prof. Sergio Casas-Cordero E.

Tamaño del átomo Los átomos tienen un diámetro de 0.1-1.0 nm (1x10-9 m) El núcleo (donde están lo protones y neutrones) tiene un diámetro de alrededor de 10-15 m. Relación núcleo/átomo = 1x10-9m/1x10-15m = 1x106 m El núcleo; un millón de veces más chico que el átomo

Isótopos: Son átomos del mismo elemento que difieren únicamente en el número de neutrones en el núcleo. Masa atómica: También se conoce con el nombre de peso atómico. Es una masa relativa promedio de los isótopos de un elemento, basados en un valor de la masa atómica del C-12 exactamente igual a 12 uma.

Isótopo Z A Nº Protones Nº Neutrones Ejemplos de dos Isótopos del Uranio Isótopo Z A Nº Protones Nº Neutrones Uranio 235 92 235 143 Uranio 238 238 146

Notación isotópica X Nº másico A C Carga del ión Nº atómico Z

En la notación El número atómico, Z es 6 El número de masa, A es 14 El número de protones es 6. El número de neutrones puede ser calculado de la fórmula A = p + n; n = A – p n = 14 - 6 = 8 neutrones

Ejemplo de isótopos del Hidrógeno: Nº de protones Nº de electrones Nº de neutrones Protio 1 Deuterio Tritio 2

Prof. S. Casas-Cordero E.

Peso Atómico Es el peso promedio de todos los isótopos de un elemento en relación con el peso de un átomo del isótopo más común del carbono (12C) al cual, por convención, se le asigna el valor entero de 12; iguala aproximadamente al número de protones más neutrones del núcleo de un átomo.

Ejemplo: El Silicio existe en la naturaleza, como tres isótopos medianamente estables; ¿cuánto es su peso atómico? isótopo % de Ab Masa (uma) 28Si 92,21 27,98 29Si 4,70 28,98 30Si 3.09 29,97

Símbolos de Seguridad Producto agrícola irradiado Producto radiactivo

Áreas de Aplicación de la energía Nuclear Medicina Agricultura Control de Calidad Arqueología Geología Espacio Energía Eléctrica Industria química aeronáutica Minería Industria Militar otros

1896 primer RX humano Resumen de imágenes 14

Radiación electromagnética Partículas radiantes Nombre Símbolo Naturaleza Carga Masa velocidad Alfa α Núcleos de Helio +2 4 1/10 de c Beta β Electrones -1 0,00005 próxima a c Gamma γ Radiación electromagnética c Recuerde que c, velocidad de la luz, es 300.000 km/s

Balance de las ecuaciones nucleares Conservar el número de masa (A). La suma de protones más neutrones en los productos debe igualar la suma de protones más neutrones en los reactantes 1n U 235 92 + Cs 138 55 Rb 96 37 + 2 235 + 1 = 138 + 96 + 2x1

Conservar el número atómico (Z) o carga nuclear. La suma de las cargas nucleares de los productos debe igualar la suma de las cargas nucleares de los reactantes 1n U 235 92 + Cs 138 55 Rb 96 37 + 2 92 + 0 = 55 + 37 + 2x0

Utilizando la Tabla periódica; ¿A qué debe corresponder X, Y, Z y J? Respuesta: X = He-4 Y = beta Z = gamma J = Pb-206

Comparación de las reacciones químicas con las reacciones nucleares 1. Los átomos se organizan por la ruptura y formación de enlaces químicos. 1. Los elementos (o los isótopos de los mismos elementos) se convierten entre sí. 2. Sólo los electrones de los orbitales atómicos o moleculares participan en la ruptura y formación de enlaces. 2. Pueden participar protones, neutrones, electrones y otras partículas elementales. 3. Las reacciones se acompañan por la absorción o liberación de cantidades de energía relativamente pequeñas. 3. Las reacciones van acompañadas por la absorción o liberación de cantidades enormes de energía 4. Las velocidades de reacción se ven afectadas por la temperatura, presión, concentración y catalizadores. 4. Las velocidades de reacción, por lo general, no se ven afectadas por la temperatura, la presión o los catalizadores.

Albert Einstein y la Energía Nuclear

Energía = masa x velocidad de la luz al cuadrado La Energía Radiante Todas las reacciones nucleares, emiten o liberan grandes cantidades de energía El orden de magnitud de la energía emitida viene dada por la Ecuación de Albert Einstein Energía = masa x velocidad de la luz al cuadrado E = ∆mc2

C(s) + O2(g)  CO2(g) ΔH° = -393,5 KJ/mol Comparando una reacción nuclear con una combustión: La variación de sólo 1,0 gramo de masa de material radiactivo supone Energías del orden de 9x1010 KJ 90.000.000.000 KJ Esta cantidad es casi el triple de la Energía que liberan la combustión de 1000 toneladas de Carbón, C(s) + O2(g)  CO2(g) ΔH° = -393,5 KJ/mol 3,27x1010 KJ 32.700.000.000 KJ

¿Qué energía se libera desde un mol de U-235, en la siguiente reacción nuclear? masas atómicas (uma): U-235 = 235,0439; Sr-94 = 93,9154; Xe-139 = 138,9179; n = 1,0087 Masa productos = 93,9154 + 138,9179 + 3 x 1,0087 = 235,8594 Masa reactantes = 235,0439 + 1,0087 = 236,0526 ∆m = (235,8594 – 236,0526) = - 0,1932

¿Cómo se logra esta Energía?

Reacción de Fisión

Reacción de Fusión

La búsqueda de Estabilidad

Franja de Estabilidad

REGLAS DE ESTABILIDAD No existen reglas precisas que permitan predecir si un núcleo particular es radiactivo o no y el modo en que se desintegraría. Todo lo que hay son observaciones empíricas que las podemos resumir de la siguiente forma.

1. Todo núcleo con más de 84 protones (Z > 84) es inestable 1. Todo núcleo con más de 84 protones (Z > 84) es inestable. Por ejemplo, 92U238 es inestable, todos sus isótopos son inestables, todos son radiactivos como se ha comprobado experimentalmente. Se desintegran de manera espontánea y con diferente rapidez. 2. Núcleos de isótopos con un total de 2, 8, 20, 50, 82, 126 protones o neutrones, son generalmente más estables que sus vecinos de la Tabla Periódica. (NÚMEROS MÁGICOS)

Estabilidad de isótopos Nº atómico isótopos estables 18 3 19 2 20 21 No hay

3. Núcleos con número par de protones y par de neutrones son más estables que los asociados con impares. Cantidad de isótopos estables en la TP. Protones Neutrones 157 Par 52 Impar 50 impar 5

4. La estabilidad de un núcleo puede correlacionarse perfectamente con la cantidad de protones y neutrones, según la razón neutrones / protones en cada átomo. Esta observación experimental proviene del hecho que los átomos no poseen una relación 1:1 para n/p sino que: a) Para los elementos livianos (desde Z = 1 a 10) se cumple n/p = 1 b) Para elementos pesados (Z alrededor de 83) se cumple n/p = 1,53

La estabilidad de cualquier núcleo, se logra por la emisión de partículas. Aquellos núcleos que poseen una relación neutrón/protón mayor que 1, transforman un neutrón según el siguiente proceso

Si la relación neutrón/protón es menor que 1, la estabilidad se logra por;

¿Esperaría usted que los núcleos de 2He4, 20Ca39, 85At210 fuesen radiactivos?

Aplicando las Reglas He : Nº mágico 2, ambos son par, razón n/p = 1 entonces debe ser ESTABLE Ca: Nº mágico 20 y con cantidad par de p e impar para n, razón n/p = 0,95 entonces se debe SOSPECHAR INESTABLE At : sin Nº mágico, cantidad impar- impar para n-p, Z > 83, razón n/p = 1,47 entonces debe ser RADIACTIVO

SERIES RADIACTIVAS Algunos núcleos como U-238 no logran ingresar a la Franja de Estabilidad por una sola emisión, sino después de una serie de emisiones sucesivas. La figura siguiente muestra la manera como esto ocurre, partiendo por U-238

Serie del Radio

TIEMPOS DE VIDA MEDIA t½ Se entiende por tiempo de vida media lo que demora una muestra radiactiva en tener la mitad de su radiación inicial. Claramente, estos valores no tienen que ser similares. Ej. En las series radiactivas que terminan en Pb - 206, hay valores que abarcan desde millones de años hasta varios segundos.

t ½ para Estroncio - 90

t½ para Molibdeno - 99

t ½ para Uranio - 238

Ecuación de relación t ½ ln(No/N) = 0,693 t / t ½ donde t ½ : es el tiempo de vida media No : cantidad inicial de muestra N : cantidad que permanece a tiempo t 0,693: es logaritmo natural de 0,5