Introducción a Reacciones Nucleares

Las reacciónes nucleares ocurren cuando un elemento se transforma en otro (al cambiar el Nº Atómico), en las mismas participan Protones, Neutrones, Electrones y otras partículas elementales. En ésta publicación se presentará la introducción teórica necesaria para comprender los tipos de reacciones y desintegraciones radiactivas, al igual que diferenciarlas de las reacciónes químicas (las cuales se estudiarán más adelante).  


Diferencia entre racciónes nucleares y químicas:

Radiactvidad o Desintegración Radiactiva:

Se llama así a una reacción nuclear que le ocurre a un nucleido inestable al que se le llama nucleido padre (NP) transformándose en otro más estable al que se llama nucleido hijo (NH) de forma espontánea, sin intervención externa, y con liberación de energía (E).
Se emiten partículas y/o radiación electromagnética lo que constituye la emisión radiactiva (ER).

Se representa con una ecuación nuclear de forma general:

Nucleido padre → Nucleido hijo + emisión radiactiva + Energía

          NP          →          NH        +             ER            +     E

En la desintegración radiactiva puede haber variación de Z, de A, de ambos ó de ninguno. La desintegración radiactiva de un nucleido puede ser el comienzo de una serie de decaimiento radiactivo que es una secuencia de reacciones nucleares que conducen a la formación de un nucleido estable.

Radiactividad natural
En la naturaleza existen algunos nucleidos inestables que experimentan lo que se llama radiactividad natural. La radiactividad natural fue descubierta por Becquerel en 1896: mientras estudiaba la fluorescencia de sales de uranio encontró que éstas emitían un tipo de radiación electromagnética capaz de velar un negativo fotográfico. En 1898 Marie y Pierre Curie investigando la pechblenda, un mineral de uranio, lograron aislar dos nuevos elementos radiactivos el polonio y el radio. En la radiación natural emitida por un nucleido, sometida a la acción de campos eléctricos y magnéticos, se distinguen tres tipos:

a) Radiación ALFA  (rayos alfa, emisión alfa)  
b) Radiación BETA  (rayos beta, emisión beta)  
c) Radiación GAMMA  (rayos gamma, emisión gamma)

Radiactividad artificial

En el laboratorio se han preparado muchos más nucleidos inestables y el proceso por el que se desintegran se llama radiactividad artificial.  
En la radiactividad artificial se distinguen otros dos tipos de procesos:

d) Emisión de Positrón
e) Captura Electrónica

Cálculo de la E liberada en Reacciones Nucleares
En general en todas las reacciones nucleares se libera energía. La ecuación de Einstein permite establecer una relación entre la masa y la energía, que resultan ser proporcionales. Entonces si un sistema pierde energía, debe de estar perdiendo una cantidad de masa proporcional al valor de la energía liberada. La constante de proporcionalidad es c², un número muy grande, por lo que, incluso cambios pequeños de masa, van acompañados de cambios muy grandes en la energía.

E = m . c²

En una reacción química los cambios de masa son muy pequeños y no se detectan fácilmente, aunque si el proceso es exotérmico está acompañado de una pérdida de masa. Se puede, no obstante esto, hablar de conservación de la masa. En una reacción nuclear se libera una cantidad de energía mucho mayor que la que se libera en una reacción química, por lo que los cambios de masa son mayores, y se debe considerar la conservación de la masa-energía.

Considerando la masa de reactivos y productos en una reacción nuclear exotérmica, se puede determinar que la masa de los productos es menor que la masa de los reactivos. La masa que parece faltar, una vez que ocurre la reacción nuclear, es la que, de acuerdo a la ecuación de Einstein, se ha transformado en la energía liberada en el proceso. La diferencia masa de productos – masa de reactivos se llama defecto de masa (Δm) y la energía liberada se calcula tal como se explicó en el punto 2 para calcular la energía de ligadura.

Para el cálculo del defecto de masa en una reacción nuclear se debe conocer la masa nuclear de los nucleidos presentes en reactivos y productos y la masa de las partículas subatómicas involucradas.
Se puede usar, para el cálculo, la masa de los átomos de los nucleidos involucrados, porque generalmente el número de electrones en reactivos y productos es el mismo, entonces la diferencia de masas atómicas es igual que la diferencia de masas nucleares.

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Patrones de Estabilidad Nuclear

La estabilidad de un núcleo en particular depende de una variedad de factores. No hay una regla única que nos permita predecir si un núcleo específico es radiactivo y cuál será su desintergración. Sin embargo, varias observaciones empíricas ayudan a predecir la estabilidad del núcleo.

 


Relación de neutrones a protones:

Debido a que las cargas iguales tienden a repelerse, parecería imposible que tantas cargas positivas (protones) puedan encontrarse tan juntas en un volumen diminuto como el del núcleo.

Sin embargo ésto es posible gracias a la existencia de una fuerza que se da a cortas distancias (del orden de 2,0 x 10^-15 m) y entre partículas sin importar su carga, es la llamada Fuerza Nuclear. 

Por ésta fuerza interacciónan también los neutrones, es por ésto que todos los núcleos (excepto el del Hidrógeno protio) es necesaria la presencia de neutrones para mantener la estabilidad de la estructura nuclear, el equilibrio entre las fuerzas de repulsión electroestáticas y la fuerza nuclear (la cual aumenta a medida que el núcleo tiene más masa).
Por lo que las características básicas de ésta fuerza son:

1- Es independiente de la carga eléctrica, se establece entre p-p, p-n, n-n con igual magnitud. 

2- Es muy intensa, unas 100 veces mayor que la fuerza electrostática. 

3- Es de corto alcance, por lo que cada nucleón interactúa sólo con los vecinos más próximos.

Estabilidad Nuclear:

Son más estables los nucleídos con:

§ Número par de protones o de neutrones (son en general más estables que los que tienen número impar de nucleones).
§ Números mágicos de protones o de neutrones (más estables que los que no tienen estos números).

§ Número Atómico menor que 83 (con Z>83 NO hay nucleídos estables).
§ Ciertos valores de relación neutrón /protón (N/Z) con respecto a Z. Éstos valores son los que dan balance de fuerzas favorable a la estabilidad.

 

Cinturón de Estabilidad:

Es una gráfica del Nº de Neutrones en función del Nº de Protones; donde aparecen todos los nucleídos conocidos, y que permite predecir la estabilidad de los mismos y el tipo de desintegración radiactiva que sufrirían en una reacción nuclear. 

 

* Más adelante el cinturón de estabilidad será de gran utilidad cuando nos refiramos a los tipos de desintegración radiactiva que presentan los distintos nucleídos.

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Conceptos Básicos acerca de la estructura de la Materia

Como ya se comentó en el artículo introductorio, la Materia es el objeto de estudio de la Química y se define como "todo lo que ocupa un espacio en el Universo". En ciencias se denomina "Universo" a todo lo existente y "Sistema" a la parte del Universo que es aislada con el fin de estudiarla.
Es de gran importancia tener claros dichos conceptos antes de comenzar cualquier curso de ciencias (por más básico que sea), ya que nos ayudarán a razonar mejor situaciones de mayor complejidad en el transcurso de nuestro estudio.
A continuación aprenderemos los conceptos fundamentales acerca de la estructura de la materia, para luego avanzar un poco más hacia la comprensión de los fenómenos naturales que nos rodean....
Átomo:
Un átomo es la menor cantidad de un elemento que puede existir, por lo que es la partícula más pequeña que puede participar en una reacción química. Es una partícula neutra cuyo diámetro está comprendido entre 1 y 5 Å (1 Å = 1 x 10-10m)
*La masa de los átomos es muy pequeña y para medirla se usa una unidad denominada "unidad de masa atómica" (uma).


De acuerdo al modelo actual, en un átomo se pueden diferenciar dos zonas con características muy diferentes: 
•núcleo
•periferia

Núcleo:

El núcleo es la zona central del átomo, muy masiva (se concentra prácticamente toda la masa del átomo).
El diámetro del núcleo es del orden de 10-4 Å (unas 10000 veces menor que el diámetro del átomo)
Es una zona con carga positiva donde se encuentran partículas llamadas en general nucleones que son el protón y el neutrón.

Periferia:

La periferia es un espacio energético que rodea al núcleo, con masa despreciable frente a la masa del mismo, y de diámetro mucho mayor que el del núcleo.
Esta zona tiene carga negativa y acá se encuentra la partícula llamada electrón. 

*Es el movimiento del electrón en torno al núcleo el que determina la forma de la periferia.

Características de las partículas subatómicas fundamentales:

*El número de cargas positivas del núcleo es igual al número de cargas negativas de la periferia, por lo tanto en un átomo se cumple que:  Nº de p+ = Nº de e-

Número Atómico (Z): Es el número que indica la carga del núcleo, o sea el número de protones que tiene un átomo en su núcleo. Como el átomo es neutro este número indica también el número de electrones de la periferia.

Todos los átomos del mismo elemento tienen el mismo número atómico, por lo que se lo considera característico de cada átomo y es el número según el cual, en orden creciente, se ubican los elementos en la Tabla Periódica. 

Se coloca como subíndice, a la izquierda del símbolo del elemento: zE

Número de masa (A): Es un número entero que indica el número de nucleones, o sea el número de protones más el número de neutrones, que tiene un átomo en el núcleo.

No todos los átomos del mismo elemento tienen el mismo número de masa, siendo denominados "Isotopos" los átomos de un mismo elemento que difieren en el N° másico.

El número de masa no aparece en la tabla periódica, por lo que se deben consultar otras tablas para conocer el número de masa de un elemento (no es lo mismo número de masa que masa atómica).
Se coloca como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento o a continuación del símbolo separado por un guión:    AE       ó     E-A

Ion:

Un ion es una partícula con carga eléctrica.
1) Si un átomo pierde uno o más e-, porque los transfiere a otro, queda con Nº de p+ > Nº de e- tiene carga positiva, es un ion positivo o catión.
2) Si un átomo gana uno o más e-, porque los acepta de otro, queda con Nº de p+ < Nº de e- tiene carga negativa es un ion negativo o anión.

Nucleido o Nucleído:

Es una especie atómica con número definido de protones y de neutrones distribuidos con cierto orden en el núcleo. 

Si se conoce Z y A de un átomo se puede determinar el número de neutrones.

*La variación en el número de protones origina un elemento químico distinto.
*Si varía la cantidad de neutrones, el elemento químico no cambia pero el nucleido sí.

*Todos los átomos de un mismo elemento tienen las mismas propiedades químicas, porque éstas dependen de la estructura de la periferia de los átomos.

*Todos los átomos del mismo nucleido tienen las mismas propiedades desde el punto de vista nuclear, porque éstas dependen de la estructura de los núcleos.

Isotopos:

De un mismo elemento pueden existir átomos con diferente número de masa.
Son átomos con igual número atómico, porque son del mismo elemento, pero con diferente número de neutrones porque tienen diferente número de masa. Se les llama isótopos.

Los isótopos de un elemento:
•Existen en la naturaleza en diferentes porcentajes.
•No son todos igualmente estables, ya que algunos son radiactivos (radioisótopos).

Masa Atómica:

Es la masa de un átomo. 
Es una masa atómica promedio, que surge de considerar la masa atómica de todos los isotopos de un elemento que existen en la naturaleza, teniendo en cuenta el porcentaje de cada uno de ellos.  Se expresa en uma y es el número que está en la Tabla Periódica.

Una uma es una unidad de masa atómica. Se define como 1/12 de masa atómica del C-12.
Se cumple que:
1 mol de uma = 1 g
1 uma = 1/ 6,023 x 1023 g = 1,66 x 10 -24 g = 1,66 x 10-27 kg

Mol:

Un mol se define como cantidad de materia que tiene tantas partículas como átomos hay en 12 g del isótopo C-12. 

La definición se refiere al C-12, aunque es aplicable a todos los demás elementos de la tabla periódica (considerando sus respectivas masas atómicas).

El número de partículas de un mol es el número de Avogadro = 6,023 x 1023

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¿Por qué es importante estudiar Química?

¿Alguna vez se ha preguntado por qué el hielo se derrite y el agua se evapora?, ¿por qué en otoño las hojas cambian de color?, y ¿cómo una batería genera electricidad?.....


La Química responde éstas y muchas otras preguntas similares. La química estudia los materiales y los cambios que experimentan. Uno de los atractivos de aprender ésta maravillosa ciencia es ver cómo los principios químicos se aplican a todos los aspectos de nuestras vidas, desde actividades cotidianas como encender un cerillo, hasta las cuestiones de mayor trascendencia como el desarrollo de fármacos y productos   industriales.


Introducción al estudio de la Química:
En química estudiaremos las propiedades y el comportamiento de la materia. La materia es el material físico del Universo, todo lo que ocupa un lugar en el espacio. Una Propiedad es toda característica inherente a la materia que nos permite distinguirla de otros tipos.

Los antecedentes para comprender las propiedades y transformaciones de la materia están dados en términos de átomos, siendo los diferentes tipos de átomos denominados elementos. Veremos que las propiedades de la materia se relacionan no sólo con el tipo de átomos que contiene (su composición), sino también con el "arreglo" de los mismos (su estructura).

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