Decaimiento radiactivo Tras el descubrimiento un tanto fortuito de la radiactividad por parte de Becquerel, muchos científicos destacados comenzaron a investigar este nuevo e intrigante fenómeno. Entre ellos se encuentran Marie Curie (la primera mujer en ganar un premio Nobel y la única persona que ha ganado dos premios Nobel en ciencias diferentes: química y física), quien fue la primera en acuñar el término "radiactividad", y Ernest Rutherford (de la fama del experimento de la lámina de oro), quien investigó y bautizó a tres de los tipos más comunes de radiación. A principios del siglo XX se descubrieron muchas sustancias radiactivas, se investigaron y cuantificaron las propiedades de la radiación y se formó una sólida comprensión de la radiación y el decaimiento nuclear. El cambio espontáneo de un nucleido inestable en otro es el decaimiento radiactivo . El nucleido inestable se denomina nucleido padre ; el nucleido resultante del decaimiento se conoce como nucleido hija . El nucleido hija puede ser estable o decaer. La radiación que se emite durante el decaimiento radiactivo es tal que el nucleido hija se encuentra más cerca de la banda de estabilidad que el nucleido padre, por lo que la ubicación de un nucleido con respecto a la banda de estabilidad sirve de guía para el tipo de decaimiento que sufrirá ( ). Un núcleo de uranio-238 (el nucleido padre) sufre un decaimiento α para formar torio-234 (el nucleido hija). La partícula alfa extrae dos protones (verde) y dos neutrones (gris) del núcleo del uranio-238. Aunque el decaimiento radiactivo de un núcleo es demasiado pequeño para detectarlo a simple vista, podemos apreciar indirectamente el decaimiento radiactivo en un ambiente denominado “cámara de nubes”. Haga clic aquí para conocer las cámaras de nubes y ver una interesante demostración de cámaras de nubes del Laboratorio Jefferson. Tipos de decaimiento radiactivo Los experimentos de Ernest Rutherford sobre la interacción de la radiación con un campo magnético o eléctrico ( ) le permitieron determinar que un tipo de radiación consistía en partículas α cargadas positivamente y relativamente masivas; un segundo tipo estaba formado por partículas β cargadas negativamente y mucho menos masivas, y un tercero eran ondas electromagnéticas sin carga, los rayos γ. Ahora sabemos que las partículas α son núcleos de helio de alta energía, las partículas β son electrones de alta energía y la radiación γ compone la radiación electromagnética de alta energía. Clasificamos los diferentes tipos de decaimiento radiactivo según la radiación producida. Las partículas alfa, que son atraídas por la placa negativa y desviadas en una cantidad relativamente pequeña, deberán estar cargadas positivamente y ser relativamente macizas. Las partículas beta, que son atraídas por la placa positiva y desviadas una cantidad relativamente grande, deberán estar cargadas negativamente y ser relativamente ligeras. Los rayos gama, que no se ven afectados por el campo eléctrico, deberán estar sin carga. El decaimiento alfa (α) es la emisión de una partícula α desde el núcleo. Por ejemplo, el polonio 210 sufre un decaimiento α: 84 210 Po ⟶ 2 4 He + 82 206 Pb o 84 210 Po ⟶ 2 4 α + 82 206 Pb El decaimiento alfa se produce principalmente en los núcleos pesados (A > 200, Z > 83). Dado que la pérdida de una partícula α da lugar a un nucleido hija con un número de masa cuatro unidades menor y un número atómico dos unidades menor que los del nucleido padre, el nucleido hija tiene un cociente n:p mayor que el nucleido padre. Si el nucleido padre que sufre el decaimiento α se encuentra por debajo de la banda de estabilidad (consulte la ), el nucleido hija se encontrará más cerca de la banda. El decaimiento beta (β) es la emisión de un electrón desde un núcleo. El yodo-131 es un ejemplo de nucleido que sufre un decaimiento β: 53 131 I ⟶ -1 0 e + 54 131 Xe o 53 131 I ⟶ -1 0 β + 54 131 Xe El decaimiento beta, que puede considerarse como la conversión de un neutrón en un protón y una partícula β, se observa en los nucleidos con un gran cociente n:p. La partícula beta (electrón) emitida procede del núcleo atómico y no es ninguno de los electrones que rodean el núcleo. Estos núcleos se encuentran por encima de la banda de estabilidad. La emisión de un electrón no cambia el número de masa del nucleido, pero sí aumenta el número de sus protones y disminuye el de sus neutrones. En consecuencia, el cociente n:p disminuye, y el nucleido hija se encuentra más cerca de la banda de estabilidad que el nucleido padre. La emisión gama (emisión γ) se observa cuando un nucleido se forma en un estado estimulado y luego decae a su estado básico con la emisión de un rayo γ, un quantum de radiación electromagnética de alta energía. La presencia de un núcleo en estado excitado se indica con un asterisco (*). El cobalto 60 emite radiación γ y se utiliza en muchas aplicaciones, incluido el tratamiento del cáncer: 27 60 Co* ⟶ 0 0 γ + 27 60 Co No hay ningún cambio en el número de masa ni en el número atómico durante la emisión de un rayo γ, a menos que la emisión γ acompañe a uno de los otros modos de decaimiento. La emisión de positrones (decaimiento β+ ) es la de un positrón desde el núcleo. El oxígeno-15 es un ejemplo de nucleido que sufre la emisión de positrones: 8 15 O ⟶ +1 0 e + 7 15 N o 8 15 O ⟶ +1 0 β + 7 15 N La emisión de positrones se observa en los nucleidos en los que el cociente n:p es bajo. Estos nucleidos se encuentran por debajo de la banda de estabilidad. El decaimiento de positrones es la conversión de un protón en un neutrón con la emisión de un positrón. El cociente n:p aumenta, y el nucleido hija se encuentra más cerca de la banda de estabilidad que el nucleido padre. La captura de electrones tiene lugar cuando el núcleo de un átomo captura uno de sus electrones internos. Por ejemplo, el potasio-40 sufre la captura de electrones: 19 40 K + -1 0 e ⟶ 18 40 Ar La captura de electrones tiene lugar cuando un electrón de la capa interna se combina con un protón y se convierte en neutrón. La pérdida de un electrón de la capa interna deja una vacante que ocupará uno de los electrones externos. Al caer el electrón exterior en la vacante, emitirá energía. En la mayoría de los casos, la energía emitida será en forma de rayos X. Al igual que la emisión de positrones, la captura de electrones tiene lugar para los núcleos "ricos en protones" que se encuentran por debajo de la banda de estabilidad. La captura de electrones tiene el mismo efecto sobre el núcleo que la emisión de positrones: el número atómico disminuye en uno y el número de masa no cambia. Esto aumenta el cociente n:p, y el nucleido hija se encuentra más cerca de la banda de estabilidad que el nucleido padre. Difícilmente se puede predecir si hay captura de electrones o emisión de positrones. La elección se debe principalmente a factores cinéticos, por lo que sería el más probable aquel que requiere la menor energía de activación. La resume estos tipos de decaimiento, junto con sus ecuaciones y cambios en los números atómicos y de masa. Esta tabla resume el tipo, la ecuación nuclear, la representación y cualquier cambio en la masa o los números atómicos para varios tipos de decaimiento. Tomografía por emisión de positrones (PET) La tomografía por emisión de positrones (Positron Emission Tomography, PET) utiliza la radiación para diagnosticar y hacer seguimiento de las enfermedades, además de supervisar los tratamientos médicos, al revelar cómo funcionan las partes del organismo del paciente ( ). Para realizar una PET, se produce un radioisótopo emisor de positrones en un ciclotrón y luego se une a una sustancia que utiliza la parte del cuerpo que se investiga. Este compuesto "marcado", o radiotrazador, se introduce en el paciente (se inyecta por vía intravenosa o se respira en forma de gas), y la forma en que lo utiliza el tejido revela cómo funciona ese órgano u otra zona del cuerpo. Un tomógrafo (a) utiliza la radiación para proporcionar una imagen del funcionamiento de una parte del cuerpo del paciente. Las exploraciones que produce se utilizan para obtener imágenes de un cerebro sano (b) o para diagnosticar afecciones médicas como la enfermedad de Alzheimer (c) (créditos a: modificación del trabajo de Jens Maus). Por ejemplo, el F-18 se produce por bombardeo de protones de 18 O ( 8 18 O + 1 1 p ⟶ 9 18 F + 0 1 n ) e incorporada a un análogo de la glucosa, denominado fludeoxiglucosa (FDG). La forma en que el organismo utiliza la FDG suministra información de diagnóstico fundamental; por ejemplo, dado que las neoplasias utilizan la glucosa de manera distinta a los tejidos normales, la FDG puede revelar estas neoplasias. El 18 F emite positrones que interactúan con los electrones cercanos, lo que genera una ráfaga de radiación gama. El tomógrafo detecta esta energía y la convierte en una imagen detallada, tridimensional y a colores que muestra el funcionamiento de esa parte del organismo del paciente. Distintos niveles de radiación gama emiten diferentes cantidades de brillo y colores en la imagen, lo que el radiólogo puede interpretar para revelar lo que sucede. Los tomógrafos de emisión de positrones son capaces de detectar cardiopatías, diagnosticar la enfermedad de Alzheimer, indicar la parte del cerebro afectada por la epilepsia, revelar el cáncer, mostrar en qué fase se encuentra y cuánto se ha extendido, y si los tratamientos son eficaces. A diferencia de la imagen de resonancia magnética y los rayos X, que muestran únicamente el aspecto de algo, la gran ventaja de la PET es que muestra cómo funciona algo. En la actualidad, la PET se realiza junto con la tomografía computarizada. Serie de decaimiento radiactivo Los isótopos radiactivos naturales de los elementos más pesados se dividen en cadenas de desintegraciones sucesivas, o decaimientos, y todas las especies de una cadena constituyen una familia radiactiva o serie de decaimiento radiactivo . Tres de estas series abarcan la mayoría de los elementos naturalmente radiactivos de la tabla periódica. Son las series del uranio, de los actínidos y del torio. La del neptunio sería la cuarta serie, que ya no es significativa en la Tierra debido a la corta semivida de las especies implicadas. Cada serie se caracteriza por un nucleido padre (primer miembro), con una semivida prolongada, y una serie de nucleidos hijas que, en última instancia, conducen a un producto final estable, es decir, un nucleido en la banda de estabilidad ( ). En las tres series, el producto final es un isótopo estable del plomo. La serie del neptunio, que anteriormente se creía que terminaba con el bismuto-209, termina con el talio-205. El uranio-238 se somete a una serie de decaimiento radiactivo que consta de 14 pasos distintos antes de producir plomo-206 estable. Esta serie consta de ocho decaimientos α y seis decaimientos β. Semividas radiactivas El decaimiento radiactivo sigue una cinética de primer orden. Dado que las reacciones de primer orden ya se han tratado en detalle en el capítulo de cinética, ahora aplicaremos esos conceptos a las reacciones de decaimiento nuclear. Cada nucleido radiactivo tiene una semivida ( t 1/2 ) constante y característica: el tiempo necesario para que la mitad de los átomos de una muestra decaiga. La semivida de un isótopo nos permite determinar cuánto tiempo estará disponible una muestra de un isótopo útil, y cuánto tiempo deberá almacenarse una muestra de un isótopo indeseable o peligroso antes de que decaiga hasta un nivel de radiación lo suficientemente bajo como para que deje de ser un problema. Por ejemplo, el cobalto-60, un isótopo que emite rayos gama y que se utiliza para tratar el cáncer, tiene una semivida de 5,27 años ( ). En una determinada fuente de cobalto-60, dado que la mitad de la 27 60 Co los núcleos decaen cada 5,27 años, tanto la cantidad de material como la intensidad de la radiación emitida se reducen a la mitad cada 5,27 años. (Observe que, para una sustancia determinada, la intensidad de la radiación que produce es directamente proporcional a la tasa de decaimiento y a la cantidad de la sustancia). Esto es lo que se prevé en un proceso que sigue una cinética de primer orden. Por lo tanto, una fuente de cobalto 60 que se utiliza para el tratamiento del cáncer deberá reemplazarse regularmente para seguir siendo eficaz. En el caso del cobalto 60, que tiene una semivida de 5,27 años, el 50 % permanece después de 5,27 años (una semivida), el 25 % después de 10,54 años (dos semividas), el 12,5 % después de 15,81 años (tres semividas), etc. Dado que el decaimiento nuclear sigue una cinética de primer orden, podemos adaptar las relaciones matemáticas que se utilizan en las reacciones químicas de primer orden. Generalmente sustituimos el número de núcleos, N , por la concentración. Si la tasa se expresa en decaimientos nucleares por segundo, nos referimos a esta como la actividad de la muestra radiactiva. La tasa de decaimiento radiactivo es: tasa de decaimiento = λN con λ = la constante de decaimiento del radioisótopo en cuestión. La constante de decaimiento, λ , que es la misma que la constante de velocidad que se analiza en el capítulo de cinética. Es posible expresar la constante de decaimiento en términos de semivida, t 1/2 : λ = ln 2 t 1 / 2 = 0,693 t 1 / 2 o t 1 / 2 = ln 2 λ = 0,693 λ Las ecuaciones de primer orden que relacionan cantidad, N y tiempo son: N t = N 0 e – λ t o t = – 1 λ ln ( N t N 0 ) donde N 0 es el número inicial de núcleos o moles del isótopo, y N t es el número de núcleos/moles que quedan en el tiempo t . La aplica estos cálculos para hallar las tasas de decaimiento radiactivo de determinados nucleidos. Tasas de decaimiento radiactivo 27 60 Co decae con una semivida de 5,27 años para generar 28 60 Ni . (a) ¿Cuál es la constante de decaimiento radiactivo del cobalto 60? (b) Calcule la fracción de una muestra del isótopo 27 60 Co que permanecerá después de 15 años. c) ¿Cuánto tiempo tarda una muestra de 27 60 Co en desintegrarse hasta el punto de que solo quede un 2,0 % de la cantidad original? Solución (a) El valor de la constante de velocidad está dado por: λ = ln 2 t 1 / 2 = 0,693 5,27 y = 0,132 y -1 (b) La fracción de 27 60 Co que queda después del tiempo t está dada por N t N 0 . Reordenando la relación de primer orden N t = N 0 e - λt para resolver este cociente, produce: N t N 0 = e – λ t = e – ( 0,132 /y ) ( 15 × y ) = 0,138 La fracción de 27 60 Co que quedará después de 15,0 años es de 0,138. Dicho de otro modo, el 13,8 % del 27 60 Co presente originalmente permanecerá después de 15 años. (c) 2,00 % de la cantidad original de 27 60 Co es igual a 0,0200 × N 0 . Al sustituir esto en la ecuación del tiempo para la cinética de primer orden, tenemos: t = – 1 λ ln ( N t N 0 ) = – 1 0,132 y -1 ln ( 0,0200 × N 0 N 0 ) = 29,6 y Compruebe lo aprendido El radón-222, 86 222 Rn , tiene una semivida de 3,823 días. ¿Cuánto tiempo tardará una muestra de radón-222 con una masa de 0,750 g en decaer en otros elementos, para que quede solamente 0,100 g? Respuesta: 11,1 días. Ya que cada nucleido tiene un número específico de nucleones, un equilibrio particular de repulsión y atracción, y su propio grado de estabilidad, las semividas de los nucleidos radiactivos varían mucho. Por ejemplo: la semivida de 83 209 Bi es 1,9 × 10 19 años; 94 239 Ra es de 24.000 años; 86 222 Rn es de 3,82 días; y el elemento-111 (Rg de roentgenio) es de 1,5 × 10 -3 segundos. Las semividas de una serie de isótopos radiactivos importantes para la medicina se muestran en la , y otros se enumeran en el Apéndice M . Semividas de los isótopos radiactivos que son importantes para la medicina Tipo La "m" de Tc-99m significa "metaestable", lo que indica que se trata de un estado inestable y de alta energía del Tc-99. Los isótopos metaestables emiten radiación γ para deshacerse del exceso de energía y volverse (más) estables. Modo de decaimiento Semivida Utiliza F-18 decaimiento β + 110. minutos Exploración por PET Co-60 decaimiento β, decaimiento γ 5,27 años tratamiento del cáncer Tc-99m decaimiento γ 8,01 horas exploraciones de cerebro, pulmones, corazón, huesos I-131 decaimiento β 8,02 días exploraciones de tiroides y tratamiento Tl-201 captura de electrones 73 horas exploraciones del corazón y de las arterias; pruebas de esfuerzo cardíaco Datación radiométrica Varios radioisótopos tienen semividas y otras propiedades que sirven para "datar" el origen de objetos como artefactos arqueológicos, antiguos organismos vivos o formaciones geológicas. Este proceso es la datación radiométrica y ha sido la causa de muchos descubrimientos científicos revolucionarios sobre la historia geológica de la Tierra, la evolución de la vida y la historia de la civilización humana. Exploraremos algunos de los tipos más comunes de datación radiactiva y cómo funcionan los isótopos particulares de cada tipo. Datación radiactiva con carbono 14 La radiactividad del carbono 14 proporciona un método para datar objetos que formaron parte de un organismo vivo. Este método de datación radiométrica, que también se denomina datación por radiocarbono o por carbono 14, es exacto para datar sustancias que contienen carbono de hasta unos 30.000 años de antigüedad, y puede proporcionar fechas bastante precisas, hasta un máximo de unos 50.000 años. El carbono natural consta de tres isótopos: 6 12 C , que constituye aproximadamente el 99 % del carbono de la Tierra; 6 13 C , alrededor del 1 % del total, y trazas de 6 14 C . El carbono 14 se forma en la atmósfera superior por la reacción de los átomos de nitrógeno con los neutrones de los rayos cósmicos en el espacio: 7 14 N + 0 1 n ⟶ 6 14 C + 1 1 H Todos los isótopos del carbono reaccionan con el oxígeno para producir moléculas de CO 2 . El cociente de 6 14 C O 2 a 6 12 C O 2 depende del cociente de 6 14 C O a 6 12 C O en la atmósfera. La abundancia natural de 6 14 C O en la atmósfera es de aproximadamente 1 parte por trillón. Hasta ahora esto ha sido generalmente constante a lo largo del tiempo, como se evidencia en las muestras encontradas de gas atrapadas en el hielo. La incorporación de 6 14 C 6 14 C O 2 y 6 12 C O 2 en las plantas es una parte regular del proceso de fotosíntesis, lo que significa que el cociente 6 14 C : 6 12 C que se encuentra en una planta viva es igual al cociente 6 14 C : 6 12 C en la atmósfera. No obstante, cuando la planta muere, ya no atrapa carbono a través de la fotosíntesis. Dado que 6 12 C es un isótopo estable y no sufre decaimiento radiactivo, su concentración en la planta no cambia. Sin embargo, el carbono-14 decae por emisión β con una semivida de 5730 años: 6 14 C ⟶ 7 14 N + -1 0 e Por lo tanto, el cociente 6 14 C : 6 12 C disminuye gradualmente después de la muerte de la planta. La disminución del cociente con el tiempo aporta una medida del tiempo que ha transcurrido desde la muerte de la planta (o de otro organismo que se comió la planta). La representa visualmente este proceso. Junto con el carbono-12 estable, el carbono-14 radiactivo lo absorben las plantas y los animales, y permanece en un nivel constante en su interior mientras están vivos. Después de la muerte, el C-14 decae y el cociente C-14:C-12 en los restos disminuye. La comparación de este cociente con el de C-14:C-12 en los organismos vivos nos permite determinar cuánto tiempo hace que el organismo vivió (y murió). Por ejemplo, con la semivida de 6 14 C en 5730 años, si el cociente 6 14 C : 6 12 C en un objeto de madera encontrado en una excavación arqueológica es la mitad que en un árbol vivo, esto indica que el objeto de madera tiene 5730 años. Pueden obtenerse determinaciones muy exactas de cocientes 6 14 C : 6 12 C a partir de muestras ínfimas (de hasta un miligramo) con un espectrómetro de masas. Visite este sitio web para realizar simulaciones de datación radiométrica. Datación por radiocarbono Un pequeño trozo de papel (producido a partir de materia vegetal antiguamente viva), extraído de los Manuscritos del Mar Muerto, tiene una actividad de 10,8 desintegraciones por minuto por gramo de carbono. Si la actividad inicial de C-14 era de 13,6 desintegraciones/min/g de C, calcule la edad de los Manuscritos. Solución La tasa de decaimiento (número de desintegraciones/minuto/gramo de carbono) es proporcional a la cantidad de C-14 radiactivo que queda en el pergamino, por lo que podemos sustituir las tasas por las cantidades, N , en la relación: t = – 1 λ ln ( N t N 0 ) ⟶ t = – 1 λ ln ( Tasa t Tasa 0 ) donde el subíndice 0 representa el momento en que se cortaron las plantas para hacer el papel, y el subíndice t representa el momento actual. La constante de decaimiento se determina a partir de la semivida del C-14 en 5730 años: λ = ln 2 t 1 / 2 = 0,693 5730 a = 1,21 × 10 -4 y -1 Sustituyendo y resolviendo, tenemos: t = – 1 λ ln ( Tasa t Tasa 0 ) = – 1 1,21 × 10 -4 y -1 ln ( 10,8 dis/min/g C 13,6 dis/min/g C ) = 1910 a Por lo tanto, los Manuscritos del Mar Muerto tienen aproximadamente 1900 años de antigüedad ( ). La datación por carbono 14 ha demostrado que estas páginas de los Manuscritos del Mar Muerto fueron escritas o copiadas en papel fabricado con plantas que murieron entre el año 100 a.C. y el año 50 d.C. Compruebe lo aprendido Recientemente se han determinado fechas más exactas de los reinados de los antiguos faraones egipcios con plantas que se conservaron en sus tumbas. Las muestras de semillas y materia vegetal de la tumba del rey Tutankamón tienen una tasa de decaimiento del C-14 de 9,07 desintegraciones/min/g de C. ¿Hace cuánto tiempo que culminó su reinado? Respuesta: hace unos 3350 años, es decir, aproximadamente en el año 1340 a.C. Se han producido algunos cambios significativos y bien documentados en el cociente 6 14 C : 6 12 C . La exactitud de la aplicación directa de esta técnica depende de que el cociente 6 14 C : 6 12 C en una planta viva sea el mismo ahora que en una época anterior, pero esto no siempre es válido. Debido a la creciente acumulación de moléculas de CO 2 (en gran parte 6 12 C O 2 ) en la atmósfera a causa de la combustión de combustibles fósiles (en la que esencialmente todo el 6 14 C ha decaído), el cociente de 6 14 C : 6 12 C en la atmósfera puede estar cambiando. Este aumento por el hombre de 6 12 C O 2 en la atmósfera hace que disminuya el cociente 6 14 C : 6 12 C , lo que a su vez afecta el cociente en los organismos vivos en la Tierra. Sin embargo, afortunadamente podemos utilizar otros datos, como la datación de los árboles mediante el examen de los anillos de crecimiento anual, para calcular los factores de corrección. Con estos factores de corrección, se pueden determinar las fechas exactas. En general, la datación radiactiva funciona apenas durante unas 10 semividas; en consecuencia, el límite de la datación por carbono 14 es de unos 57.000 años. Datación radiactiva con nucleidos distintos del carbono 14 En la datación radiactiva también se utilizan otros nucleidos radiactivos con semividas más prolongadas para datar acontecimientos más antiguos. Por ejemplo, el uranio-238 (que decae en una serie de pasos hasta convertirse en plomo-206) se utiliza para establecer la edad de las rocas (y la edad aproximada de las rocas más antiguas de la Tierra). Dado que el U-238 tiene una semivida de 4.500 millones de años, la mitad del U-238 original tarda ese tiempo en decaer en Pb-206. En una muestra de roca que no contiene cantidades apreciables de Pb-208, el isótopo más abundante del plomo, supondríamos que el plomo no estaba presente cuando se formó la roca. Por consiguiente, al medir y analizar el cociente de U-238:Pb-206, determinamos la edad de la roca. Esto supone que todo el plomo-206 presente proviene del decaimiento del uranio-238. Si hay presencia adicional de plomo-206, lo que se indica por la presencia de otros isótopos de plomo en la muestra, es necesario hacer un ajuste. En la datación por argón potásico se utiliza un método parecido. El K-40 decae por emisión de positrones y capta electrones para formar Ar-40 con una semivida de 1.250 millones de años. Si se tritura una muestra de roca y se mide la cantidad de gas Ar-40 que escapa, la determinación del cociente Ar-40:K-40 arroja la edad de la roca. Otros métodos, como la datación por rubidio-estroncio (el Rb-87 decae en Sr-87, con una semivida de 48.800 millones de años), funcionan según el mismo principio. Para calcular el límite inferior de la edad de la Tierra, los científicos determinan la edad de diversas rocas y minerales, partiendo del supuesto de que la Tierra es más antigua que las rocas y minerales más antiguos de su corteza. Desde 2014, las rocas más antiguas que se conocen en la Tierra son los circones de Jack Hills, en Australia, que, según la datación con uranio y plomo, tienen casi 4.400 millones de años. Datación radiactiva de rocas Una roca ígnea contiene 9,58 × 10 -5 g de U-238 y 2,51 × 10 -5 g de Pb-206, y cantidades mucho, mucho más pequeñas de Pb-208. Determine el tiempo aproximado en que se formó la roca. Solución La muestra de roca contiene muy poco Pb-208, el isótopo más común del plomo, por lo que podemos suponer con seguridad que todo el Pb-206 de la roca se produjo por el decaimiento radiactivo del U-238. Cuando se formó la roca, contenía todo el U-238 que hay en la actualidad, además de algo de U-238 que ha sufrido desde entonces un decaimiento radiactivo. La cantidad actual de U-238 en la roca es: 9,58 × 10 -5 g U × ( 1 mol U 238 g U ) = 4,03 × 10 -7 mol U Dado que, cuando un mol de U-238 decae, produce un mol de Pb-206, la cantidad de U-238 que ha sufrido decaimiento radiactivo desde que se formó la roca es: 2,51 × 10 -5 g Pb × ( 1 mol de Pb 206 g Pb ) × ( 1 mol U 1 mol de Pb ) = 1,22 × 10 -7 mol U Por lo tanto, la cantidad total de U-238 presente originalmente en la roca es: 4,03 × 10 -7 mol + 1,22 × 10 -7 mol = 5,25 × 10 -7 mol U El tiempo que ha transcurrido desde que se formó la roca está dado por: t = – 1 λ ln ( N t N 0 ) donde N 0 representa la cantidad original de U-238 y N t representa la cantidad actual de U-238. El U-238 decae en Pb-206 con una semivida de 4,5 × 10 9 años, por lo que la constante de decaimiento λ es: λ = ln 2 t 1 / 2 = 0,693 4,5 × 10 9 y = 1,54 × 10 -10 y -1 Sustituyendo y resolviendo, tenemos: t = – 1 1,54 × 10 -10 y -1 ln ( 4,03 × 10 -7 mol U 5,25 × 10 -7 mol U ) = 1,7 × 10 9 y En consecuencia, la roca tiene aproximadamente 1.700 millones de años. Compruebe lo aprendido Una muestra de roca contiene 6,14 × 10 -4 g de Rb-87 y 3,51 × 10 -5 g de Sr-87. Calcule la edad de la roca. (La semivida del decaimiento β del Rb-87 es de 4,7 × 10 10 años). Respuesta: 3,7 × 10 9 a Conceptos clave y resumen Los núcleos que tienen cocientes n:p inestables sufren un decaimiento radiactivo espontáneo. Los tipos más comunes de radiactividad son el decaimiento α, el decaimiento β, la emisión γ, la emisión de positrones y la captura de electrones. En las reacciones nucleares también intervienen los rayos γ. Además, algunos núcleos decaen por captura de electrones. Cada uno de estos modos de decaimiento conduce a la formación de un nuevo núcleo con un cociente n:p más estable. Algunas sustancias sufren series de decaimiento radiactivo, ya que pasan por varios decaimientos antes de terminar en un isótopo estable. Todos los procesos de decaimiento nuclear siguen una cinética de primer orden, y cada radioisótopo tiene su propia semivida, el tiempo necesario para que la mitad de sus átomos decaiga. Debido a las grandes diferencias de estabilidad entre los núclidos, existe una gama muy amplia de semividas en las sustancias radiactivas. Muchas de estas sustancias tienen aplicaciones útiles en el diagnóstico y el tratamiento médico, en la determinación de la edad de los objetos arqueológicos y geológicos, y más. Ecuaciones clave tasa de decaimiento = λN t 1 / 2 = ln 2 λ = 0,693 λ Ejercicios de química del final del capítulo ¿Cuáles son los tipos de radiación que emiten los núcleos de los elementos radiactivos? Las partículas α (núcleos de helio), β (electrones), β + (positrones) y η (neutrones) pueden emitirse a partir de un elemento radiactivo, todos los cuales son partículas; también pueden emitirse rayos γ. ¿Qué cambios operan en el número atómico y la masa de un núcleo durante cada una de las siguientes situaciones de decaimiento? (a) se emite una partícula α (b) se emite una partícula β (c) se emite radiación γ (d) se emite un positrón (e) se captura un electrón ¿Cuál es el cambio en el núcleo que resulta de las siguientes situaciones de decaimiento? (a) emisión de una partícula β (b) emisión de una partícula β + (c) captura de un electrón (a) conversión de un neutrón en un protón: 0 1 n ⟶ 1 1 p + +1 0 e ; (b) conversión de un protón en un neutrón; el positrón tiene la misma masa que un electrón y la misma magnitud de carga positiva, igual a la carga negativa que tiene el electrón; cuando el cociente n:p de un núcleo es demasiado bajo, un protón se convierte en un neutrón con la emisión de un positrón: 1 1 p ⟶ 0 1 n + +1 0 e ; (c) En un núcleo rico en protones, puede absorberse un electrón atómico interno. En términos sencillos, esto cambia un protón en un neutrón: 1 1 p + -1 0 e ⟶ 0 1 p Muchos nucleidos con números atómicos superiores a 83 decaen mediante procesos como la emisión de electrones. Explique la observación de que las emisiones de estos nucleidos inestables también incluyen normalmente partículas α. ¿Por qué la captura de electrones va acompañada de la emisión de rayos X? El electrón atraído hacia el núcleo se encontraba muy probablemente en el orbital 1 s . Cuando un electrón cae desde un nivel de energía superior para sustituirlo, la diferencia de energía del electrón sustituto en sus dos niveles de energía se emite como un rayo X. Explique, en términos de la , de qué manera los nucleidos pesados inestables (número atómico > 83) se desintegran para formar nucleidos más estables: (a) si están por debajo de la banda de estabilidad, y (b) si están por encima de la banda de estabilidad. ¿Cuál de los siguientes núcleos es más probable que decaiga por emisión de positrones? Explique su elección. (a) cromo-53 (b) manganeso-51 (c) hierro-59 El manganeso-51 es más probable que decaiga por emisión de positrones. El cociente n:p para el Cr-53 es 29 24 = 1,21; para el Mn-51, es 26 25 = 1,04; para el Fe-59, es 33 26 = 1,27. El decaimiento de positrones tiene lugar cuando el cociente n:p es bajo. El Mn-51 tiene el cociente n:p más bajo; por ende, es más probable que decaiga por emisión de positrones. Además, 24 53 Cr es un isótopo estable, y 26 59 Fe decae por emisión beta. Los siguientes núcleos no se encuentran en la banda de estabilidad. ¿Cómo está previsto que decaigan? Explique su respuesta. (a) 15 34 P (b) 92 239 U (c) 20 38 Ca (d) 1 3 H (e) 94 245 Pu Los siguientes núcleos no se encuentran en la banda de estabilidad. ¿Cómo está previsto que decaigan? (a) 15 28 P (b) 92 235 U (c) 20 37 Ca (d) 3 9 L i (e) 96 245 Cm (a) decaimiento β; (b) decaimiento α; (c) emisión de positrones; (d) decaimiento β; (e) decaimiento α Prediga por cuáles modo(s) de decaimiento radiactivo espontáneo procedería cada uno de los siguientes isótopos inestables: (a) 2 6 H e (b) 30 60 Zn (c) 91 235 Pa (d) 94 241 Np (e) 18 F (f) 129 Ba (g) 237 Pu Escriba una reacción nuclear para cada paso en la formación de 84 218 Po a partir de 98 238 U , que procede por una serie de reacciones de decaimiento que implican la emisión escalonada de partículas α, β, β, α, α, α, en ese orden. 92 238 U ⟶ 90 234 Th + 2 4 He ; 90 234 Th ⟶ 91 234 Pa + -1 0 e ; 91 234 Pa ⟶ 92 234 U + -1 0 e ; 92 234 U ⟶ 90 230 Th + 2 4 He 90 230 Th ⟶ 88 226 Ra + 2 4 He 88 226 Ra ⟶ 86 222 Rn + 2 4 He ; 86 222 Rn ⟶ 84 218 Po + 2 4 He Escriba una reacción nuclear para cada paso en la formación de 82 208 Pb a partir de 90 228 T h, que procede por una serie de reacciones de decaimiento que implican la emisión escalonada de partículas α, α, α, β, β, α, en ese orden. Defina el término semivida y ejemplifique. La semivida es el tiempo necesario para que la mitad de los átomos de una muestra decaigan. Ejemplo (las respuestas pueden variar): Para el C-14, la semivida es de 5770 años. Una muestra de 10 g de C-14 contendría 5 g de C-14 después de 5770 años; una muestra de 0,20 g de C-14 contendría 0,10 g después de 5770 años. Una muestra de 1,00 × 10 -6 g de nobelio, 102 254 No , tiene una semivida de 55 segundos tras su formación. ¿Cuál es el porcentaje de 102 254 No que queda en los siguientes momentos? (a) 5,0 min después de formarse (b) 1,0 h después de formarse El 239 Pu es un subproducto de los residuos nucleares, con una semivida de 24.000 años. ¿Qué fracción del 239 Pu presente hoy estará presente en 1.000 años? ( 1 2 ) 0,04 = 0,973 o el 97,3 % El isótopo 208 Tl sufre un decaimiento β con una semivida de 3,1 minutos. (a) ¿Cuál isótopo se produce por el decaimiento? (b) ¿Cuánto tiempo tardará en decaer el 99,0 % de una muestra de 208 Tl puro? (c) ¿Qué porcentaje de una muestra de 208 Tl puro permanece sin decaer después de 1,0 h? Si 1,000 g de 88 226 Ra genera 0,0001 mL del gas 86 222 Rn a una temperatura y presión estándar (Standard Temperature and Pressure, STP) en 24 h, ¿cuál es la semivida del 226 Ra en años? 2 × 10 3 a El isótopo 38 90 Sr es una de las especies extremadamente peligrosas en los residuos de la generación de energía nuclear. El estroncio en una muestra de 0,500 g disminuye a 0,393 g en 10,0 años. Calcule la semivida. El tecnecio-99 se utiliza a menudo para evaluar las lesiones en el corazón, el hígado y los pulmones, ya que los tejidos afectados absorben ciertos compuestos de tecnecio. Tiene una semivida de 6,0 h. Calcule la constante de velocidad para el decaimiento de 43 99 Tc . 0,12 h -1 ¿Cuál es la edad de una piel de primate momificada que contiene un 8,25 % de la cantidad original de 14 C? Una muestra de roca contenía 8,23 mg de rubidio-87 y 0,47 mg de estroncio-87. (a) Calcule la edad de la roca si la semivida del decaimiento del rubidio por emisión β es de 4,7 × 10 10 a. (b) Si algo de 38 87 Sr estuviera inicialmente presente en la roca, ¿la roca sería más nueva, más antigua o tendría la misma edad que la calculada en (a)? Explique su respuesta. (a) 3.800 millones de años; (b) La roca sería más nueva que la edad calculada en la parte (a). Si el Sr estaba originalmente en la roca, la cantidad producida por el decaimiento radiactivo sería igual a la cantidad actual menos la cantidad inicial. Dado que esta cantidad sería menor que la utilizada para calcular la edad de la roca y la edad es proporcional a la cantidad de Sr, la roca sería más nueva. Una investigación de laboratorio señala que una muestra de mineral de uranio contiene 5,37 mg de 92 238 U y 2,52 mg de 82 206 Pb . Calcule la edad del mineral. La semivida de 92 238 U es 4,5 × 10 9 años. Glenn Seaborg y sus colaboradores detectaron el plutonio en cantidades mínimas en los depósitos naturales de uranio en 1941. Ellos postularon que la fuente de este 239 Pu era la captura de neutrones por núcleos de 238 U. ¿Por qué es improbable que este plutonio haya quedado atrapado en el momento en que se formó el sistema solar hace 4,7 × 10 9 años? c = 0. Esto revela que no pudo quedar Pu-239 desde la formación de la Tierra. En consecuencia, el plutonio ahora presente no pudo haberse formado con el uranio. Un átomo de 4 7 Be (masa = 7,0169 u) decae en un átomo 3 7 L i (masa = 7,0160 u) por captura de electrones. ¿Cuánta energía (en millones de electronvoltios, MeV) se produce en esta reacción? Un átomo de 5 8 B (masa = 8,0246 u) decae en un átomo 4 8 B (masa = 8,0053 u) por pérdida de una partícula β + (masa = 0,00055 u) o por captura de electrones. ¿Cuánta energía (en millones de electronvoltios) se genera en esta reacción? 17,5 MeV Se presume que isótopos como el 26 Al (semivida: 7,2 × 10 5 años) estuvieron presentes en nuestro sistema solar cuando se formó. Desde entonces, no obstante, han decaído, por lo que ahora reciben el nombre de nucleidos extintos. (a) El 26 Al decae por emisión β + o captura de electrones. Escriba las ecuaciones de estas dos transformaciones nucleares. (b) La Tierra se formó hace alrededor de 4,7 × 10 9 (4.700 millones) de años. ¿Qué edad tenía la Tierra cuando el 99,999999 % del 26 Al que estaba presente originalmente había decaído? Escriba una ecuación balanceada para cada una de las siguientes reacciones nucleares: (a) el bismuto-212 decae en polonio-212 (b) el berilio-8 y un positrón se producen por el decaimiento de un núcleo inestable (c) el neptunio-239 se forma a partir de la reacción del uranio-238 con un neutrón y luego se convierte espontáneamente en plutonio-239 (d) el estroncio-90 decae en itrio-90 (a) 83 212 Bi ⟶ 84 212 Po + -1 0 e ; (b) 5 8 B ⟶ 4 8 B e + -1 0 e ; (c) 92 238 U + 0 1 n ⟶ 93 239 Np + -1 0 N p , 93 239 Np ⟶ 94 239 Pu + -1 0 e ; (d) 38 90 Sr ⟶ 39 90 Y + -1 0 e Escriba una ecuación balanceada para cada una de las siguientes reacciones nucleares: (a) el mercurio-180 decae en platino-176 (b) el circonio-90 y un electrón se producen por el decaimiento de un núcleo inestable (c) el torio-232 decae y produce una partícula alfa y un núcleo de radio-228, que decae en actinio-228 por decaimiento beta (d) el neón-19 decae en flúor-19 decaimiento alfa (α) pérdida de una partícula alfa durante el decaimiento radiactivo decaimiento beta (β) decaimiento de un neutrón en un protón, que permanece en el núcleo, y un electrón, que se emite como partícula beta nucleido hija nucleido producido por el decaimiento radiactivo de otro nucleido; puede ser estable o decaer aún más captura de electrones combinación de un electrón del núcleo con un protón para producir un neutrón dentro del núcleo emisión gama (γ) decaimiento de un nucleido estimulado, acompañada de la emisión de un rayo gama semivida ( t 1/2 ) tiempo necesario para que decaiga la mitad de los átomos de una muestra radiactiva nucleido padre nucleido inestable que se transforma espontáneamente en otro nucleido (hija) emisión de positrones (también llamada decaimiento β + ) conversión de un protón en un neutrón, que permanece en el núcleo, y un positrón que se emite decaimiento radiactivo decaimiento espontáneo de un nucleido inestable en otro nucleido serie de decaimiento radiactivo cadenas de decaimientos sucesivos (decaimientos radiactivos) que finalmente conducen a un producto final estable datación por radiocarbono medio extremadamente exacto para datar objetos de 30.000 a 50.000 años de antigüedad, que se derivaron de materia que alguna vez estuvo viva; se obtiene al calcular el cociente de 6 14 C : 6 12 C en el objeto frente al cociente de 6 14 C : 6 12 C en la atmósfera actual datación radiométrica uso de radioisótopos y sus propiedades para datar la formación de objetos como artefactos arqueológicos, antiguos organismos vivos o formaciones geológicas

Ciencia


Transmutación y energía nuclear Tras el descubrimiento de la radiactividad, se creó el campo de la química nuclear, que se desarrolló rápidamente a principios del siglo XX. Una serie de nuevos descubrimientos en las décadas de 1930 y 1940, junto con la Segunda Guerra Mundial, se combinaron para dar paso a la Era Nuclear a mediados del siglo XX. Los científicos aprendieron a crear nuevas sustancias y se descubrió que ciertos isótopos de determinados elementos poseían la capacidad de producir cantidades de energía sin precedentes, con el potencial de causar enormes daños durante la guerra, así como de producir enormes cantidades de energía para las necesidades de la sociedad durante la paz. Síntesis de nucleidos La transmutación nuclear es la conversión de un nucleido en otro. Se produce por el decaimiento radiactivo de un núcleo o por la reacción de un núcleo con otra partícula. El primer núcleo artificial se produjo en el laboratorio de Ernest Rutherford en 1919 mediante una reacción de transmutación : el bombardeo de un tipo de núcleo con otros núcleos o con neutrones. Rutherford bombardeó átomos de nitrógeno con partículas α de alta velocidad procedentes de un isótopo radiactivo natural de radio y observó los protones resultantes de la reacción: 7 14 N + 2 4 He ⟶ 8 17 O + 1 1 H Los núcleos 8 17 O y 1 1 H que se producen son estables, por lo que no ocurren más cambios (nucleares). Para alcanzar las energías cinéticas necesarias para generar reacciones de transmutación, se utilizan dispositivos llamados aceleradores de partículas . Estos dispositivos utilizan campos magnéticos y eléctricos para aumentar la velocidad de las partículas nucleares. En todos los aceleradores, las partículas se mueven en el vacío para no colisionar con las moléculas de gas. Cuando se necesitan neutrones para las reacciones de transmutación, se obtienen de reacciones de decaimiento radiactivo o de diversas reacciones nucleares que se producen en los reactores nucleares. El siguiente artículo de "La química en la vida cotidiana” trata de un famoso acelerador de partículas que fue noticia en todo el mundo. Acelerador de partículas del CERN El laboratorio del CERN ("Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire", o Consejo Europeo de Investigación Nuclear), situado cerca de Ginebra, es el principal centro del mundo para la investigación de las partículas fundamentales que componen la materia. Contiene el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, LHC), de 27 kilómetros (17 millas) de longitud y forma circular, el mayor acelerador de partículas del mundo ( ). En el LHC, las partículas se elevan a altas energías y luego se hacen colisionar entre sí o con objetivos estacionarios a casi la velocidad de la luz. Se utilizan electroimanes superconductores para producir un fuerte campo magnético que guía las partículas alrededor del anillo. Detectores especializados y construidos a propósito observan y registran los resultados de estas colisiones, que luego son analizados por los científicos del CERN mediante potentes computadoras. Se muestra una pequeña sección del LHC con trabajadores recorriéndolo (créditos: Christophe Delaere). En 2012, el CERN anunció que los experimentos del LHC mostraban las primeras observaciones del bosón de Higgs: una partícula elemental que ayuda a explicar el origen de la masa en las partículas fundamentales. Este esperado descubrimiento fue noticia en todo el mundo y dio lugar a la concesión del Premio Nobel de Física 2013 a François Englert y Peter Higgs, que habían predicho la existencia de esta partícula casi 50 años antes. El famoso físico Brian Cox habla de su trabajo en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN durante un recorrido entretenido y atractivo de este enorme proyecto y de la física que hay detrás. Vea un breve video del CERN en el que se describen los aspectos básicos del funcionamiento de sus aceleradores de partículas. Antes de 1940, el elemento más pesado conocido era el uranio, cuyo número atómico es 92. Ahora, se han sintetizado y aislado muchos elementos artificiales, entre ellos varios a tan gran escala que han tenido un profundo efecto en la sociedad. Uno de ellos [el elemento 93, el neptunio (Np)] fue fabricado por primera vez en 1940 por McMillan y Abelson al bombardear uranio-238 con neutrones. La reacción crea uranio-239 inestable, con una semivida de 23,5 minutos, que luego decae en neptunio-239. El neptunio-239 también es radiactivo, con una semivida de 2,36 días, y decae en plutonio-239. Las reacciones nucleares son: 92 238 U + 0 1 n ⟶ 92 239 U 92 239 U ⟶ 93 239 Np + -1 0 e semivida = 23,5 min 93 239 Np ⟶ 94 239 Pu + -1 0 e semivida = 2,36 días En la actualidad, el plutonio se forma principalmente en los reactores nucleares como subproducto durante la fisión del U-235. Durante este proceso de fisión se liberan neutrones adicionales (vea la siguiente sección), algunos de los cuales se combinan con núcleos de U-238 para formar uranio-239; este se somete a decaimiento β para formar neptunio-239, que a su vez se somete a decaimiento β para formar plutonio-239, como se ilustra en las tres ecuaciones anteriores. Estos procesos se resumen en la ecuación: 92 238 U + 0 1 n ⟶ 92 239 U → β – 93 239 Np → β – 94 239 Pu Los isótopos más pesados del plutonio (Pu-240, Pu-241 y Pu-242) también se producen cuando los núcleos más ligeros de plutonio capturan neutrones. Una parte de este plutonio altamente radiactivo se utiliza para fabricar armas militares; el resto representa un grave problema de almacenamiento porque tiene semividas de miles a cientos de miles de años. Aunque no se han preparado en la misma cantidad que el plutonio, se han producido muchos otros núcleos sintéticos. La medicina nuclear se ha desarrollado a partir de la capacidad de convertir átomos de un tipo en otros tipos de átomos. Actualmente se utilizan isótopos radiactivos de varias docenas de elementos para aplicaciones médicas. La radiación producida por su decaimiento se utiliza para obtener imágenes o tratar diversos órganos o partes del cuerpo, entre otros usos. Los elementos más allá del elemento 92 (uranio) se denominan elementos transuránicos . Al momento de redactar este artículo se han producido 22 elementos transuránicos, reconocidos oficialmente por la IUPAC). Otros elementos tienen reivindicaciones de formación que están a la espera de aprobación. Algunos de estos elementos se muestran en la . Preparación de algunos elementos transuránicos Nombre Símbolo Número atómico Reacción americio Am 95 94 239 Pu + 0 1 n ⟶ 95 240 Am + -1 0 e curio Cm 96 94 239 Pu + 2 4 He ⟶ 96 242 Cm + 0 1 n californio Cf 98 96 242 Cm + 2 4 He ⟶ 98 245 Cf + 0 1 n einstenio Es 99 92 238 U + 15 0 1 n ⟶ 99 253 Es + 7 -1 0 e mendelevio Md 101 99 253 Es + 2 4 He ⟶ 101 256 Md + 0 1 n nobelio No 102 96 246 Cm + 6 12 C ⟶ 102 254 No + 4 0 1 n rutherfordio Rf 104 98 249 Cf + 6 12 C ⟶ 104 257 Rf + 4 0 1 n seaborgio Sg 106 82 206 Pb + 24 54 Cr ⟶ 106 257 Sg + 3 0 1 n 98 249 Cf + 8 18 O ⟶ 106 263 Sg + 4 0 1 n meitnerio Mt 107 83 209 Bi + 26 58 Fe ⟶ 109 266 Mt + 0 1 n Fisión nuclear Muchos elementos más pesados con energías de enlace más pequeñas por nucleón pueden descomponerse en elementos más estables que tienen números de masa intermedios y energías de enlace más grandes por nucleón, es decir, números de masa y energías de enlace por nucleón que están más cerca del "pico" del gráfico de energía de enlace cerca de 56 (ver la ). A veces también se producen neutrones. Esta descomposición se denomina fisión , es decir, la ruptura de un núcleo grande en trozos más pequeños. La ruptura es más bien aleatoria con la formación de un gran número de productos diferentes. La fisión no se produce de forma natural, sino que se induce mediante el bombardeo con neutrones. La primera fisión nuclear de la que se tiene constancia se produjo en 1939, cuando tres científicos alemanes, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassman, bombardearon átomos de uranio-235 con neutrones de movimiento lento que dividieron los núcleos de U-238 en fragmentos más pequeños, formados por varios neutrones y elementos cercanos a la mitad de la tabla periódica. Desde entonces, se ha observado la fisión en muchos otros isótopos, incluso la mayoría de los isótopos de actínidos que tienen un número impar de neutrones. En la se observa una reacción de fisión nuclear. Cuando un neutrón lento choca con un núcleo fisionable de U-235, es absorbido y forma un núcleo inestable de U-236. A continuación, el núcleo de U-236 se rompe rápidamente en dos núcleos más pequeños (en este caso, Ba-141 y Kr-92) junto con varios neutrones (normalmente dos o tres), y libera una gran cantidad de energía. Entre los productos de la reacción de fisión de Meitner, Hahn y Strassman se encontraban el bario, el criptón, el lantano y el cerio, todos ellos con núcleos más estables que el uranio-235. Desde entonces, se han observado cientos de isótopos diferentes entre los productos de las sustancias fisionables. Algunas de las muchas reacciones que se producen para el U-235, y un gráfico que muestra la distribución de sus productos de fisión y sus rendimientos, se muestran en la . Se han observado reacciones de fisión similares con otros isótopos del uranio, así como con una variedad de otros isótopos como los del plutonio. (a) La fisión nuclear del U-235 produce una serie de productos de fisión. (b) Los productos de fisión más grandes del U-235 son típicamente un isótopo con un número de masa alrededor de 85 a 105, y otro isótopo con un número de masa que es aproximadamente un 50 % mayor, es decir, alrededor de 130 a 150. Vea este enlace que describe una simulación de la fisión nuclear. La fisión de elementos pesados produce una enorme cantidad de energía. Por ejemplo, cuando un mol de U-235 sufre una fisión, los productos pesan unos 0,2 gramos menos que los reactivos; esta masa "perdida" se convierte en una cantidad muy grande de energía, unos 1,8 × 10 10 kJ por mol de U-235. Las reacciones de fisión nuclear producen ingentes cantidades de energía en comparación con las reacciones químicas. La fisión de 1 kilogramo de uranio-235, por ejemplo, produce aproximadamente 2,5 millones de veces más energía que la producida por la combustión de 1 kilogramo de carbón. Como se ha descrito anteriormente, al someterse a la fisión el U-235 produce dos núcleos "de tamaño medio" y dos o tres neutrones. Estos neutrones pueden provocar la fisión de otros átomos de uranio-235, que a su vez proporcionan más neutrones que pueden provocar la fisión de aún más núcleos, y así sucesivamente. Si esto ocurre, tenemos una reacción en cadena (vea la ). Por otro lado, si demasiados neutrones escapan del material en bruto sin interactuar con un núcleo, no se producirá ninguna reacción en cadena. La fisión de un núcleo grande, como el U-235, produce dos o tres neutrones, cada uno de los cuales es capaz de provocar la fisión de otro núcleo mediante las reacciones indicadas. Si este proceso continúa, se produce una reacción nuclear en cadena. Se dice que el material que puede mantener una reacción nuclear en cadena de fisión es fisionable o fisible . (Técnicamente, el material fisible puede sufrir fisión con neutrones de cualquier energía, mientras que el material fisible requiere neutrones de alta energía). La fisión nuclear se convierte en autosostenible cuando el número de neutrones producidos por la fisión es igual o superior al número de neutrones absorbidos por los núcleos en división más el número que escapa a los alrededores. La cantidad de un material fisible que soportará una reacción en cadena autosostenida es una masa crítica . La cantidad de material fisible que no puede mantener una reacción en cadena es una masa subcrítica . La cantidad de material en la que hay una tasa de fisión creciente se conoce como masa supercrítica . La masa crítica depende del tipo de material: su pureza, la temperatura, la forma de la muestra y cómo se controlan las reacciones neutrónicas ( ). (a) En la masa subcrítica, el material fisionable es demasiado pequeño y deja escapar demasiados neutrones del material, por lo que no se produce una reacción en cadena. (b) En la masa crítica, un número suficientemente grande de neutrones en el material fisionable induce la fisión para crear una reacción en cadena. Una bomba atómica ( ) contiene varios kilos de material fisible, 92 235 U o 94 239 Pu , una fuente de neutrones, y un dispositivo explosivo para comprimirla rápidamente en un pequeño volumen. Cuando el material fisible está en trozos pequeños, la proporción de neutrones que escapan a través de la superficie relativamente grande es grande, y no se produce ninguna reacción en cadena. Cuando los pequeños trozos de material fisible se juntan rápidamente para formar un cuerpo con una masa mayor que la masa crítica, el número relativo de neutrones que escapan disminuye, y se produce una reacción en cadena y una explosión. (a) La bomba de fisión nuclear que destruyó Hiroshima el 6 de agosto de 1945, consistía en dos masas subcríticas de U-235, en las que se utilizaron explosivos convencionales para disparar una de las masas subcríticas dentro de la otra, creando la masa crítica para la explosión nuclear. (b) La bomba de plutonio que destruyó Nagasaki el 9 de agosto de 1945, consistía en una esfera hueca de plutonio que fue rápidamente comprimida por explosivos convencionales. Esto condujo a una concentración de plutonio en el centro que era mayor que la masa crítica necesaria para la explosión nuclear. Reactores de fisión Las reacciones en cadena de materiales fisibles pueden controlarse y sostenerse sin ninguna explosión en un reactor nuclear ( ). Todo reactor nuclear que produzca energía mediante la fisión de uranio o plutonio por bombardeo de neutrones deberá tener al menos cinco componentes: combustible nuclear formado por material fisionable, un moderador nuclear, refrigerante del reactor, varillas de control y un sistema de blindaje y contención. Más adelante hablaremos de estos componentes con más detalle. El reactor funciona al separar el material nuclear fisible de forma que no se pueda formar una masa crítica, controlando tanto el flujo como la absorción de neutrones para permitir el cierre de las reacciones de fisión. En un reactor nuclear utilizado para la producción de electricidad, la energía liberada por las reacciones de fisión queda atrapada como energía térmica y se utiliza para hervir agua y producir vapor. El vapor se utiliza para hacer girar una turbina, que acciona un generador para la producción de electricidad. (a) La central nuclear Diablo Canyon, cerca de San Luis Obispo, es la única que funciona actualmente en California. Las cúpulas son las estructuras de contención de los reactores nucleares, y el edificio marrón alberga la turbina donde se genera la electricidad. El agua del mar se utiliza para la refrigeración. (b) Diablo Canyon utiliza un reactor de agua presurizada: uno de los pocos diseños de reactores de fisión que se utilizan en todo el mundo, para producir electricidad. La energía de las reacciones de fisión nuclear en el núcleo calienta el agua en un sistema cerrado y presurizado. El calor de este sistema produce vapor que acciona una turbina, que a su vez produce electricidad (créditos: a: modificación del trabajo de "Mike" Michael L. Baird; b: modificación del trabajo de la Comisión Reguladora Nuclear). Combustibles nucleares El combustible nuclear consiste en un isótopo fisible, como el uranio-235, que deberá estar presente en cantidad suficiente para proporcionar una reacción en cadena autosostenible. En los Estados Unidos, los minerales de uranio contienen entre un 0,05 y un 0,3 % del óxido de uranio U 3 O 8 ; el uranio del mineral es aproximadamente un 99,3 % de U-238 no fisible y solo un 0,7 % de U-235 fisible. Los reactores nucleares requieren un combustible con una concentración de U-235 superior a la que se encuentra en la naturaleza; normalmente se enriquece para que tenga alrededor del 5 % de la masa de uranio como U-235. Con esta concentración, no es posible alcanzar la masa supercrítica necesaria para una explosión nuclear. El uranio puede enriquecerse por difusión gaseosa (el único método que se utiliza actualmente en los EE. UU.), mediante una centrifugadora de gas o por separación láser. En la planta de enriquecimiento por difusión gaseosa donde se prepara el combustible U-235, el gas UF 6 (hexafluoruro de uranio) a baja presión se mueve a través de barreras que tienen agujeros apenas lo suficientemente grandes para que el UF 6 pase. Las moléculas de 235 UF 6 , un poco más ligeras, se difunden a través de la barrera con mayor rapidez que las moléculas de 238 UF 6 , más pesadas. Este proceso se repite a través de cientos de barreras, aumentando gradualmente la concentración de 235 UF 6 hasta el nivel que necesita el reactor nuclear. La base de este proceso, la ley de Graham, se describe en el capítulo sobre los gases. El gas UF 6 enriquecido se recoge, se enfría hasta que se solidifica y se lleva a una instalación de fabricación donde se convierte en elementos combustibles. Cada elemento combustible está formado por varillas de combustible que contienen muchos gránulos de combustible de uranio enriquecido (normalmente UO 2 ) del tamaño de un dedal. Los reactores nucleares modernos pueden contener hasta 10 millones de gránulos de combustible. La cantidad de energía de cada uno de estos gránulos equivale a la de casi una tonelada de carbón o 150 galones de petróleo. Moderadores nucleares Los neutrones que producen las reacciones nucleares se mueven demasiado rápido para provocar la fisión (vea la ). Primero deberán frenarse para que los absorba el combustible y así producir reacciones nucleares adicionales. El moderador nuclear es una sustancia que ralentiza los neutrones hasta una velocidad lo suficientemente baja como para provocar la fisión. Los primeros reactores utilizaban grafito de gran pureza como moderador. Los reactores modernos de los EE. UU. utilizan exclusivamente agua pesada ( 1 2 H 2 O ) o agua ligera (H 2 O ordinario), mientras que algunos reactores de otros países utilizan otros materiales, como dióxido de carbono, berilio o grafito. Refrigerantes del reactor El refrigerante del reactor nuclear se utiliza para transportar el calor producido por la reacción de fisión a una caldera y una turbina externas, donde se transforma en electricidad. A menudo se utilizan dos bucles de refrigerante superpuestos; esto contrarresta la transferencia de radiactividad del reactor al bucle de refrigerante primario. Todas las centrales nucleares de los EE. UU. utilizan agua como refrigerante. Otros refrigerantes son el sodio fundido, el plomo, una mezcla de plomo y bismuto o las sales fundidas. Varillas de control Los reactores nucleares utilizan varillas de control ( ) para controlar la tasa de fisión del combustible nuclear al ajustar el número de neutrones lentos presentes para mantener la tasa de la reacción en cadena en un nivel seguro. Las varillas de control están hechas de boro, cadmio, hafnio u otros elementos capaces de absorber neutrones. El boro-10, por ejemplo, absorbe neutrones mediante una reacción que produce litio-7 y partículas alfa: 5 10 B + 0 1 n ⟶ 3 7 Li + 2 4 He Cuando los conjuntos de varillas de control se insertan en el elemento de combustible del núcleo del reactor, absorben una mayor fracción de los neutrones lentos, con lo que se ralentiza el ritmo de la reacción de fisión y se reduce la potencia producida. Por el contrario, si se retiran las varillas de control, se absorben menos neutrones y aumentan la tasa de fisión y la producción de energía. En caso de emergencia, la reacción en cadena se corta al introducir completamente todas las varillas de control en el núcleo nuclear entre las varillas de combustible. El núcleo del reactor nuclear mostrado en (a) contiene el ensamblaje de varillas de combustible y varillas de control que se muestra en (b) (créditos: modificación del trabajo de E. Generalic, http://glossary.periodni.com/glossary.php?en=control+rod). Sistema de blindaje y contención Un reactor nuclear en funcionamiento genera neutrones y otras radiaciones. Incluso cuando está apagado, los productos de decaimiento son radiactivos. Además, un reactor en funcionamiento está térmicamente muy caliente, y las altas presiones resultan de la circulación de agua u otro refrigerante a través de este. Por lo tanto, el reactor deberá soportar altas temperaturas y presiones, así como proteger a los operarios de la radiación. Los reactores están equipados con un sistema de contención (o escudo) que consta de tres partes: El recipiente del reactor, una carcasa de acero de entre 3 y 20 centímetros de espesor que, junto con el moderador, absorbe gran parte de la radiación producida por el reactor. Un escudo principal de 1 a 3 metros de hormigón de alta densidad. Un escudo para el personal, hecho de un material más ligero, que protege a los operarios de los rayos γ, así como de los rayos X. Además, los reactores suelen estar cubiertos por una cúpula de acero u hormigón, diseñada para contener cualquier material radiactivo que pueda liberarse por un accidente del reactor. Haga clic aquí para ver un video de 3 minutos del Instituto de Energía Nuclear sobre el funcionamiento de los reactores nucleares. Las centrales nucleares están diseñadas de tal manera que no puedan formar ninguna masa supercrítica de material fisionable y, por ende, no puedan crear ninguna explosión nuclear. No obstante, como lo ha demostrado la historia, las fallas en los sistemas y las salvaguardias pueden provocar accidentes catastróficos, como explosiones químicas y fusiones nucleares (daños en el núcleo del reactor por recalentamiento). El siguiente artículo de “La química en la vida cotidiana” explora tres incidentes infames de fusión. Accidentes nucleares La importancia de la refrigeración y la contención se pone de manifiesto en los tres grandes accidentes ocurridos con los reactores de las centrales nucleares de los Estados Unidos (Three Mile Island), la antigua Unión Soviética (Chernóbil) y Japón (Fukushima). En marzo de 1979, el sistema de refrigeración del reactor de la Unidad 2 de la central nuclear de Three Mile Island, en Pensilvania, falló y el agua de refrigeración se derramó del reactor al suelo del edificio de contención. Después de que las bombas se detuvieran, los reactores se recalentaron debido al elevado calor de decaimiento radiactivo producido en los primeros días después de la parada del reactor nuclear. La temperatura del núcleo subió hasta al menos 2200 °C, y la parte superior comenzó a derretirse. Además, el revestimiento de aleación de circonio de las varillas de combustible comenzó a reaccionar con el vapor y produjo hidrógeno: Zr ( s ) + 2H 2 O ( g ) ⟶ ZrO 2 ( s ) + 2H 2 ( g ) El hidrógeno se acumuló en el edificio de confinamiento y se temió que hubiera peligro de explosión de la mezcla de hidrógeno y aire en el edificio. En consecuencia, se expulsó del edificio gas hidrógeno y gases radiactivos (principalmente criptón y xenón). En una semana se restableció la circulación del agua de refrigeración y el núcleo comenzó a enfriarse. La planta estuvo cerrada durante casi 10 años durante el proceso de limpieza. Aunque el vertido cero de material radiactivo es deseable, el vertido de criptón y xenón radiactivos, como ocurrió en la central de Three Mile Island, es uno de los más tolerables. Estos gases se dispersan fácilmente en la atmósfera y, por ende, no producen zonas altamente radiactivas. Además, son gases nobles y no se incorporan a la materia vegetal y animal en la cadena alimentaria. Efectivamente, ninguno de los elementos pesados del núcleo del reactor se liberó al medio ambiente, y no fue necesaria la limpieza de la zona fuera del edificio de contención ( ). (a) En esta foto de 2010 de Three Mile Island, se ven a la izquierda las estructuras restantes del reactor dañado de la Unidad 2, mientras que el reactor separado de la Unidad 1, que no resultó afectado en el accidente, sigue generando energía hasta el día de hoy (derecha). (b) El presidente Jimmy Carter visitó la sala de control de la Unidad 2 unos días después del accidente en 1979. Otro gran accidente nuclear en el que se vio implicado un reactor ocurrió en abril de 1986, en la central nuclear de Chernóbil, en Ucrania, que aún formaba parte de la antigua Unión Soviética. Mientras funcionaba a baja potencia durante un experimento no autorizado con algunos de sus dispositivos de seguridad apagados, uno de los reactores de la central se desestabilizó. La reacción en cadena se volvió incontrolable y aumentó hasta un nivel muy superior al que el reactor estaba diseñado. La presión del vapor en el reactor se elevó entre 100 y 500 veces la presión de plena potencia y rompió el reactor. Debido a que el reactor no estaba encerrado en un edificio de contención, se expulsó una gran cantidad de material radiactivo. Adicionalmente, se liberaron más productos de fisión, ya que el moderador de grafito (carbono) del núcleo se encendió y ardió. El incendio fue controlado, pero más de 200 trabajadores de la planta y bomberos experimentaron una enfermedad aguda por radiación y al menos 32 murieron pronto por los efectos de la radiación. Se prevé que se produzcan unas 4.000 muertes más entre los trabajadores de emergencias y los antiguos residentes de Chernóbil por cáncer y leucemia inducidos por la radiación. Desde entonces, el reactor ha sido encapsulado en acero y hormigón: una estructura ahora en ruinas, conocida como el sarcófago. Casi 30 años después, aún persisten importantes problemas de radiación en la zona, y Chernóbil sigue siendo en gran medida un terreno baldío. En 2011, un terremoto de 9,0 grados de magnitud y el consiguiente tsunami dañaron ostensiblemente la central nuclear de Fukushima Daiichi, en Japón. Los tres reactores que estaban en funcionamiento en ese momento se apagaron automáticamente, y los generadores de emergencia entraron en funcionamiento para alimentar los sistemas electrónicos y de refrigeración. Sin embargo, el tsunami inundó rápidamente los generadores de emergencia y cortó la alimentación de las bombas que hacían circular el agua de refrigeración a través de los reactores. El vapor a alta temperatura de los reactores reaccionó con la aleación de circonio para producir gas hidrógeno. El gas se escapó al edificio de contención y la mezcla de hidrógeno y aire explotó. Se liberó material radiactivo de los recipientes de contención como resultado de la ventilación deliberada para reducir la presión del hidrógeno, la descarga deliberada de agua refrigerante en el mar y eventos accidentales o descontrolados. Una zona de evacuación alrededor de la planta dañada se extendía a más de 12,4 millas de distancia, y se estima que 200.000 personas fueron evacuadas de la zona. Las 48 centrales nucleares de Japón se cerraron posteriormente, y permanecían cerradas en diciembre de 2014. Desde la catástrofe, la opinión pública ha pasado de estar mayoritariamente a favor a estar mayoritariamente en contra de aumentar el uso de las centrales nucleares, mientras que la reanudación del programa de energía atómica de Japón sigue estancada ( ). (a) Tras el accidente, hubo que retirar los residuos contaminados, y (b) se estableció una zona de evacuación alrededor de la central en las zonas que recibieron fuertes dosis de lluvia radiactiva (créditos a: modificación del trabajo de "Live Action Hero"/Flickr). La energía que genera un reactor alimentado con uranio enriquecido es el resultado de la fisión del uranio, así como de la fisión del plutonio que se produce durante el funcionamiento del reactor. Como se ha comentado anteriormente, el plutonio se forma a partir de la combinación de neutrones y el uranio del combustible. En cualquier reactor nuclear, apenas el 0,1 % de la masa del combustible se convierte en energía. El otro 99,9 % permanece en las varillas de combustible como productos de fisión y combustible no utilizado. Todos los productos de fisión absorben neutrones y, tras un periodo que se prolonga desde varios meses hasta varios años, según el reactor, los productos de fisión deberán eliminarse al cambiar las varillas de combustible. De lo contrario, la concentración de estos productos de fisión aumentaría y absorbería más neutrones hasta que el reactor no pudiera seguir funcionando. Las varillas de combustible gastadas contienen una variedad de productos, que consisten en núcleos inestables cuyo número atómico oscila entre 25 y 60, algunos elementos transuránicos, incluidos el plutonio y el americio, e isótopos de uranio sin reaccionar. Los núcleos inestables y los isótopos transuránicos confieren al combustible gastado un nivel de radiactividad peligrosamente alto. Los isótopos de larga vida necesitan miles de años para decaer hasta un nivel seguro. El destino final del reactor nuclear como fuente importante de energía en los Estados Unidos depende probablemente de que se pueda desarrollar una técnica política y científicamente satisfactoria para procesar y almacenar los elementos de las varillas de combustible gastado. Explore la información en este enlace para conocer los enfoques de la gestión de los residuos nucleares. Fusión nuclear y reactores de fusión El proceso de conversión de núcleos muy ligeros en núcleos más pesados también va acompañado de la conversión de masa en grandes cantidades de energía. Dicho proceso recibe el nombre de fusión . La principal fuente de energía del sol es una reacción de fusión neta en la que cuatro núcleos de hidrógeno se fusionan y producen un núcleo de helio y dos positrones. Se trata de una reacción neta de una serie de acontecimientos más complicados: 4 1 1 H ⟶ 2 4 He + 2 +1 0 e + Un núcleo de helio tiene una masa que es un 0,7 % menor que la de cuatro núcleos de hidrógeno; esta masa perdida se convierte en energía durante la fusión. Esta reacción produce alrededor de 3,6 × 10 11 kJ de energía por mol de 2 4 He producido. Esto es algo mayor que la energía producida por la fisión nuclear de un mol de U-235 (1,8 × 10 10 kJ), y más de 3 millones de veces mayor que la energía producida por la combustión (química) de un mol de octano (5471 kJ). Se ha determinado que los núcleos de los isótopos pesados del hidrógeno, un deuterón, 1 2 H y un tritón, 1 3 H , se fusionan a temperaturas extremadamente altas (fusión termonuclear). Forman un núcleo de helio y un neutrón: 1 2 H + 1 3 H ⟶ 2 4 He + 0 1 n Este cambio procede con una pérdida de masa de 0,0188 u, que corresponde a la liberación de 1,69 × 10 9 kilojulios por mol de 2 4 He formado. La altísima temperatura es necesaria para que los núcleos tengan la suficiente energía cinética para superar las fortísimas fuerzas de repulsión resultantes de las cargas positivas de sus núcleos y puedan colisionar. Las reacciones de fusión útiles requieren temperaturas muy elevadas para su iniciación: unos 15.000.000 K o más. A estas temperaturas, todas las moléculas se disocian en átomos y estos se ionizan, formando el plasma. Estas condiciones se dan en un número extremadamente grande de lugares en todo el universo: las estrellas se alimentan de la fusión. Los seres humanos ya han descubierto cómo crear temperaturas lo suficientemente altas como para lograr la fusión a gran escala en las armas termonucleares. Un arma termonuclear, como una bomba de hidrógeno, contiene una bomba de fisión nuclear que, al explotar, desprende suficiente energía para producir las altísimas temperaturas necesarias para que se produzca la fusión. Otra forma mucho más beneficiosa de crear reacciones de fusión es en un reactor de fusión , un reactor nuclear en el que se controlan las reacciones de fusión de núcleos ligeros. Dado que ningún material sólido es estable a tan altas temperaturas, los dispositivos mecánicos no pueden contener el plasma en el que se producen las reacciones de fusión. Dos técnicas para contener el plasma a la densidad y temperatura necesarias para una reacción de fusión son actualmente objeto de intensos esfuerzos de investigación: la contención mediante un campo magnético y el uso de rayos láser enfocados ( ). Varios proyectos de gran envergadura trabajan para alcanzar uno de los mayores objetivos de la ciencia: conseguir que el combustible de hidrógeno se encienda y produzca más energía que la suministrada para alcanzar las altísimas temperaturas y presiones que se requieren para la fusión. Al momento de redactar este artículo, no hay reactores de fusión autosostenibles en funcionamiento en el mundo, aunque se han llevado a cabo reacciones de fusión controladas a pequeña escala durante periodos muy breves. (a) Este modelo es del reactor experimental termonuclear internacional (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). El ITER, que se construye en el sur de Francia y cuya finalización está prevista para 2027, será el mayor reactor experimental de fusión nuclear Tokamak en el mundo, con el objetivo de lograr una producción de energía sostenida a gran escala. (b) En 2012, la Planta Nacional de Ignición del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore produjo brevemente más de 500.000.000.000 de vatios (500 teravatios, o 500 TW) de potencia máxima y suministró 1.850.000 julios (1,85 MJ) de energía, la mayor energía láser jamás producida y 1.000 veces el uso de energía de todos los Estados Unidos en un momento dado. Aunque solo duran unas mil millonésimas de segundo, los 192 láseres alcanzaron las condiciones necesarias para la ignición de la fusión nuclear. Esta imagen muestra el objetivo antes del disparo láser (créditos a: modificación del trabajo de Stephan Mosel). Conceptos clave y resumen Es posible producir nuevos átomos con el bombardeo de otros átomos con núcleos o partículas de alta velocidad. Los productos de estas reacciones de transmutación pueden ser estables o radiactivos. Se han producido de este modo varios elementos artificiales, como el tecnecio, la astatina y los elementos transuránicos. La energía nuclear, así como las detonaciones de armas nucleares, pueden generarse mediante la fisión (reacciones en las que un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos más ligeros y varios neutrones). Dado que los neutrones inducen reacciones de fisión adicionales al combinarse con otros núcleos pesados, se produciría una reacción en cadena. La energía útil se obtiene si el proceso de fisión se lleva a cabo en un reactor nuclear. La conversión de núcleos ligeros en núcleos más pesados (fusión) también genera energía. En la actualidad, esta energía no se ha contenido adecuadamente y es demasiado cara como para ser viable para la producción de energía comercial. Ejercicios de química del final del capítulo Escriba la ecuación nuclear balanceada para la producción de los siguientes elementos transuránicos: (a) el berkelio-244, formado por la reacción de Am-241 y He-4 (b) el fermio-254, formado por la reacción del Pu-239 con un gran número de neutrones (c) el laurencio-257, formado por la reacción de Cf-250 y B-11 (d) el dubnio-260, formado por la reacción de Cf-249 y N-15 (a) 95 241 Am + 2 4 He ⟶ 97 244 Bk + 0 1 n ; (b) 94 239 Pu + 15 0 1 n ⟶ 100 254 Fm + 6 -1 0 e ; (c) 98 250 Cf + 5 11 B ⟶ 103 257 Lr + 4 0 1 n ; (d) 98 249 Cf + 7 15 N ⟶ 105 260 Db + 4 0 1 n ¿En qué se diferencia la fisión nuclear de la fusión nuclear? ¿Por qué ambos procesos son exotérmicos? Tanto la fusión como la fisión son reacciones nucleares. ¿Por qué se requiere una temperatura muy alta para la fusión, pero no para la fisión? Dos núcleos deberán colisionar para que se produzca la fusión. Se necesitan altas temperaturas para que los núcleos tengan la suficiente energía cinética para superar la fuerte repulsión resultante de sus cargas positivas. Cite las condiciones necesarias para que se produzca una reacción nuclear en cadena. Explique cómo se puede controlar para generar energía, pero no para desencadenar una explosión. Describa los componentes de un reactor nuclear. El reactor nuclear consta de los siguientes elementos: Un combustible nuclear. Un isótopo fisionable deberá estar presente en cantidades suficientes para mantener una reacción en cadena controlada. El isótopo radiactivo está contenido en tubos llamados varillas de combustible. Un moderador. El moderador ralentiza los neutrones que producen las reacciones nucleares para que los absorba el combustible y causar más reacciones nucleares. Un refrigerante. El refrigerante transporta el calor de la reacción de fisión a una caldera y una turbina externas, donde se transforma en electricidad Un sistema de control. El sistema de control consiste en varillas de control, colocadas entre las varillas de combustible para absorber neutrones, y se utiliza para ajustar el número de neutrones y mantener la velocidad de la reacción en cadena en un nivel seguro. Un sistema de blindaje y contención. La función de este componente es proteger a los operarios de las radiaciones que emiten las reacciones nucleares y soportar las fuertes presiones resultantes de estas reacciones a alta temperatura. En la práctica habitual, tanto el moderador como las varillas de control son necesarios para hacer funcionar una reacción nuclear en cadena de forma segura con el fin de generar energía. Cite la función de cada uno y explique por qué ambos son necesarios. Describa cómo la energía potencial del uranio se convierte en energía eléctrica en una central nuclear. La fisión del uranio genera calor, que se transporta a un generador de vapor externo (caldera). El vapor resultante hace girar una turbina que acciona un generador eléctrico. La masa de un átomo de hidrógeno ( 1 1 H ) es de 1,007825 u; el de un átomo de tritio ( 1 3 H ) es de 3,01605 u; y el de una partícula α es de 4,00150 u. ¿Cuánta energía en kilojulios por mol de 2 4 He producido se libera en la siguiente reacción de fusión: 1 1 H + 1 3 H ⟶ 2 4 He ? reacción en cadena fisión repetida que se produce cuando los neutrones liberados en la fisión bombardean otros átomos sistema de contención (también llamado escudo) estructura de materiales en tres partes que protege el exterior de un reactor de fisión nuclear y a los operarios de las altas temperaturas, presiones y niveles de radiación dentro del reactor varilla de control material insertado en el ensamblaje de varillas de combustible que absorbe los neutrones y que puede subir o bajar para ajustar la velocidad de una reacción de fisión masa crítica cantidad de material fisionable que soportará una reacción en cadena autosostenida (fisión nuclear) fisionable (o fisible) capacidad de un material de mantener una reacción de fisión nuclear fisión división de un núcleo más pesado en dos o más núcleos más ligeros, generalmente acompañada de la conversión de masa en grandes cantidades de energía fusión combinación de núcleos muy ligeros en núcleos más pesados, acompañada de la conversión de masa en grandes cantidades de energía reactor de fusión reactor nuclear en el que se controlan las reacciones de fusión de los núcleos ligeros combustible nuclear isótopo fisible que está presente en cantidades suficientes para proporcionar una reacción en cadena autosostenida en un reactor nuclear moderador nuclear sustancia que frena los neutrones a una velocidad lo suficientemente baja como para provocar la fisión reactor nuclear entorno que produce energía a través de la fisión nuclear en el que la reacción en cadena se controla y sostiene sin explosión transmutación nuclear conversión de un nucleido en otro nucleido acelerador de partículas dispositivo que utiliza campos eléctricos y magnéticos para aumentar la energía cinética de los núcleos utilizados en las reacciones de transmutación refrigerante del reactor conjunto utilizado para transportar el calor producido por la fisión en un reactor a una caldera y una turbina externas donde se transforma en electricidad masa subcrítica cantidad de material fisionable, incapaz de soportar una reacción en cadena; menos de una masa crítica masa supercrítica cantidad de material en el que hay una tasa creciente de fisión reacción de transmutación bombardeo de un tipo de núcleos con otros núcleos o neutrones elemento transuránico elemento con un número atómico superior a 92; estos elementos no se dan en la naturaleza

Ciencia


Usos de los radioisótopos Los isótopos radiactivos tienen las mismas propiedades químicas que los isótopos estables del mismo elemento, pero emiten radiaciones que pueden detectarse. Si sustituimos uno o más átomos por radioisótopos en un compuesto, podemos rastrearlos por sus emisiones radiactivas. Este tipo de compuesto se denomina trazador radiactivo (o etiqueta radiactiva ). Los radioisótopos se utilizan para seguir las rutas de las reacciones bioquímicas o para determinar la distribución de una sustancia en un organismo. Asimismo, los trazadores radiactivos se utilizan en muchas aplicaciones médicas, tanto en el diagnóstico como en el tratamiento. Se emplean para medir el desgaste de los motores, analizar la formación geológica alrededor de los pozos de petróleo y mucho más. Los radioinmunoensayos (RIA), por ejemplo, se basan en radioisótopos para detectar la presencia o la concentración de determinados antígenos. Esta técnica, desarrollada por Rosalyn Sussman Yalow y Solomon Berson en la década de 1950, es conocida por su extrema sensibilidad, lo que significa que puede detectar y medir cantidades muy pequeñas de una sustancia. Antes de su descubrimiento, la mayoría de las detecciones similares se basaban en cantidades suficientemente grandes para producir resultados visibles. Los RIA revolucionaron y ampliaron campos enteros de estudio, sobre todo la endocrinología, y se utilizan habitualmente en la detección de narcóticos, la detección en bancos de sangre, la detección precoz del cáncer, la medición de hormonas y el diagnóstico de alergias. Gracias a su importante contribución a la medicina, Yalow recibió el Premio Nobel, lo que la convirtió en la segunda mujer galardonada con este premio en el área de medicina. Los radioisótopos han revolucionado la práctica médica (vea el Apéndice M ), donde se utilizan ampliamente. En los Estados Unidos se realizan anualmente más de 10 millones de procedimientos y más de 100 millones de pruebas de medicina nuclear. Cuatro ejemplos típicos de trazadores radiactivos utilizados en medicina son el tecnecio-99 ( 43 99 Tc ) , el talio-201 ( 81 201 Tl ) , el yodo-131 ( 53 131 I ) y el sodio-24 ( 11 24 Na ) . Los tejidos dañados del corazón, del hígado y de los pulmones absorben preferentemente ciertos compuestos de tecnecio-99. Tras su inyección, la localización del compuesto de tecnecio, y por tanto del tejido dañado, se determina con la detección de los rayos γ emitidos por el isótopo Tc-99. El talio-201 ( ) se concentra en el tejido cardíaco sano, por lo que los dos isótopos, Tc-99 y Tl-201, se utilizan juntos para estudiar el tejido cardíaco. El yodo-131 se concentra en la glándula tiroides, el hígado y algunas partes del cerebro. Por consiguiente, se utiliza para controlar el bocio y tratar las afecciones tiroideas, como la enfermedad de Grave, así como los tumores hepáticos y cerebrales. Las soluciones salinas que contienen compuestos de sodio-24 se inyectan en el torrente sanguíneo para localizar las obstrucciones del flujo sanguíneo. La administración de talio-201 a un paciente y la posterior realización de la prueba de esfuerzo ofrecen a los profesionales médicos la oportunidad de analizar visualmente la función del corazón y el flujo sanguíneo (créditos: modificación de la obra de "Blue0ctane"/Wikimedia Commons). Los radioisótopos utilizados en medicina tienen semividas cortas; por ejemplo, el omnipresente Tc-99m tiene una semivida de 6,01 horas. Esto hace que el Tc-99m sea esencialmente imposible de almacenar y prohibitivamente caro de transportar, por lo que se fabrica in situ. Los hospitales y otras instalaciones médicas utilizan el Mo-99 (que se extrae principalmente de los productos de fisión del U-235) para generar Tc-99. El Mo-99 sufre un decaimiento β con una semivida de 66 horas, y el Tc-99 se extrae entonces químicamente ( ). El nucleido padre Mo-99 forma parte de un ion de molibdato, MoO 4 2− ; cuando decae, forma el ion de pertecnetato, TcO 4 – . Estos dos iones solubles en agua se separan por cromatografía en columna, en la que el ion de molibdato de mayor carga se adsorbe en la alúmina de la columna, y el ion de pertecnetato de menor carga pasa por la columna en la solución. Unos cuantos microgramos de Mo-99 producen suficiente Tc-99 para realizar hasta 10.000 pruebas. (a) El primer generador de Tc-99m (alrededor de 1958) se utiliza para separar el Tc-99 del Mo-99. El MoO 4 2− se retiene por la matriz en la columna, mientras que el TcO 4 – pasa y se recoge. (b) En esta exploración del cuello de un paciente con enfermedad de Grave se utilizó Tc-99. El escáner muestra la localización de altas concentraciones de Tc-99 (créditos: a: modificación del trabajo del Departamento de Energía; b: modificación del trabajo de "MBq"/Wikimedia Commons). Los radioisótopos también se utilizan como tratamiento, normalmente en dosis más altas que como trazador. La radioterapia es el uso de radiación potente para dañar el ADN de las células cancerosas, lo que las mata o impide que se dividan ( ). Un paciente con cáncer puede recibir radioterapia de haz externo administrada por una máquina fuera del cuerpo, o radioterapia interna (braquiterapia) a partir de una sustancia radiactiva que se introduce en el organismo. Tenga en cuenta que la quimioterapia es semejante a la radioterapia interna en el sentido de que el tratamiento oncológico se inyecta en el organismo, pero difiere en que la quimioterapia utiliza sustancias químicas en lugar de radiactivas para eliminar las células cancerosas. La viñeta en (a) muestra una máquina de cobalto-60 que se utiliza en el tratamiento oncológico. El diagrama en (b) muestra cómo el pórtico de la máquina de Co-60 gira a través de un arco, para enfocar la radiación en la región objetivo (tumor) y minimizar la cantidad de radiación que pasa por las zonas cercanas. El cobalto-60 es un radioisótopo sintético que se produce por la activación neutrónica del Co-59, que luego sufre un decaimiento β para formar Ni-60, junto con la emisión de radiación γ. El proceso general es: 27 59 Co + 0 1 n ⟶ 27 60 Co ⟶ 28 60 Ni + -1 0 β + 2 0 0 γ El esquema general de decaimiento de esto se muestra gráficamente en la . El Co-60 sufre una serie de decaimientos radiactivos. Las emisiones γ se utilizan en la radioterapia. Los radioisótopos se utilizan de diversas maneras para estudiar los mecanismos de las reacciones químicas en plantas y animales. Entre ellos se encuentran el etiquetado de los fertilizantes en los estudios sobre la absorción de nutrientes por parte de las plantas y el crecimiento de los cultivos, las investigaciones sobre los procesos digestivos y de producción de leche en las vacas, y los estudios sobre el crecimiento y el metabolismo de los animales y de las plantas. Por ejemplo, el radioisótopo C-14 se utilizó para dilucidar los detalles de la fotosíntesis. La reacción general es: 6CO 2 ( g ) + 6H 2 O ( l ) ⟶ C 6 H 12 O 6 ( s ) + 6O 2 ( g ) , pero el proceso es mucho más complejo, ya que pasa por una serie de pasos en los que se producen diversos compuestos orgánicos. En los estudios sobre la vía de esta reacción, las plantas fueron expuestas a CO 2 con alta concentración de 6 14 C . A intervalos regulares se analizaron las plantas para determinar qué compuestos orgánicos contenían carbono-14 y qué cantidad de cada compuesto estaba presente. A partir de la secuencia temporal en la que aparecieron los compuestos y la cantidad de cada uno de estos en determinados intervalos, los científicos aprendieron más sobre la vía de la reacción. Las aplicaciones comerciales de los materiales radiactivos son igualmente diversas ( ). Entre estas se encuentra la determinación del grosor de las películas y de las láminas metálicas delgadas aprovechando el poder de penetración de variados tipos de radiación. Los defectos en los metales que se emplean con fines estructurales se detectan con potentes rayos gama, provenientes del cobalto 60, parecido a la forma en que se utilizan los rayos X para examinar el cuerpo humano. En una forma de control de plagas, las moscas se controlan esterilizando a los machos con radiación γ para que las hembras que se reproduzcan con ellos no produzcan descendencia. Muchos alimentos se conservan mediante radiaciones que matan los microorganismos causantes de la descomposición de los alimentos. Entre los usos comerciales habituales de la radiación se encuentran: (a) la inspección por rayos X del equipaje en los aeropuertos y (b) la conservación de alimentos (créditos a: modificación de un trabajo del Departamento de Marina; créditos b: modificación de un trabajo del Departamento de Agricultura de EE. UU.). El americio-241, un emisor α con semivida de 458 años, se utiliza en cantidades ínfimas en los detectores de humo de tipo ionizante ( ). Las emisiones α de Am-241 ionizan el aire entre dos placas de electrodos en la cámara de ionización. Una batería suministra un potencial que provoca el movimiento de los iones, para generar una pequeña corriente eléctrica. Cuando el humo entra en la cámara, se impide el movimiento de los iones, lo que reduce la conductividad del aire. Esto provoca una caída ostensible en la corriente y acciona una alarma. Dentro de un detector de humo, el Am-241 emite partículas α que ionizan el aire, para generar una pequeña corriente eléctrica. Durante un incendio, las partículas de humo impiden el flujo de iones, lo que reduce la corriente y se activa la alarma (créditos a: modificación del trabajo de "Muffet"/Wikimedia Commons). Conceptos clave y resumen Los compuestos conocidos como trazadores radiactivos se emplean para seguir reacciones, rastrear la distribución de una sustancia, diagnosticar y tratar enfermedades y mucho más. Otras sustancias radiactivas sirven para controlar las plagas, visualizar las estructuras, proporcionar avisos de incendio y en infinidad de aplicaciones. En los Estados Unidos se realizan cada año cientos de millones de pruebas y procedimientos de medicina nuclear con una gran variedad de radioisótopos de semividas relativamente cortas. La mayoría de estos radioisótopos tienen semividas relativamente cortas; algunas son lo suficientemente cortas como para que el radioisótopo tenga que fabricarse in situ en las instalaciones médicas. La radioterapia consiste en radiación de alta energía para eliminar las células cancerosas al dañar su ADN. La radiación para este tratamiento se administra de forma externa o interna. Ejercicios de química del final del capítulo ¿Cómo se utiliza un nucleido radiactivo para demostrar que el equilibrio: AgCl ( s ) ⇌ Ag + ( a q ) + Cl – ( a q ) es dinámico? La introducción de Ag + o Cl - radiactivo en la solución que contiene la reacción indicada, con el consiguiente tiempo de equilibrio, producirá un precipitado radiactivo, inicialmente desprovisto de radiación. El tecnecio-99m tiene una semivida de 6,01 horas. Si es seguro que un paciente al que se le inyecta tecnecio-99m salga del hospital una vez que el 75 % de la dosis decae, ¿cuándo se le permite salir? El yodo que penetra en el organismo se almacena en la glándula tiroidea, desde donde se libera para controlar el crecimiento y el metabolismo. La tiroides se visualiza si se inyecta yodo-131 en el organismo. En dosis mayores, el I-133 también se utiliza para tratar el cáncer de tiroides. El I-131 tiene una semivida de 8,70 días y decae por emisión β - . (a) Escriba una ecuación para el decaimiento. b) ¿Cuánto tiempo tarda en decaer el 95,0 % de una dosis de I-131? (a) 53 133 I ⟶ 54 133 Xe + -1 0 e ; (b) 37,6 días quimioterapia semejante a la radioterapia interna, con la diferencia de que se introducen en el cuerpo sustancias químicas en lugar de radiactivas para eliminar las células cancerosas radioterapia de haz externo radiación administrada por una máquina fuera del cuerpo radioterapia interna (también llamada braquiterapia) radiación proveniente de una sustancia radiactiva que se introduce en el organismo para eliminar las células cancerosas radioterapia radiación de alta energía para dañar el ADN de las células cancerosas, lo que las mata o impide que se dividan trazador radioactivo (también llamado etiqueta radiactiva) radioisótopo que se utiliza para rastrear o seguir una sustancia a través de sus emisiones radiactivas

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