QUÍMICA NUCLEAR

REACCIONES NUCLEARES

 
 

ECUACIONES NUCLEARES

Sabemos que isótopos son átomos de un mismo elemento (igual Z) que difieren en el número másico (diferente A). Por ello, cuando nos referimos a un tipo de núcleo concreto usamos la siguiente notación:

ZAX

donde X es el símbolo del elemento, A es el número másico (suma de protones y neutrones) y Z es el número atómico (número de protones). En ocasiones se abrevia indicando el nombre del elemento seguido del número másico, por ejemplo, carbono-14.

LA SIGUIENTE SIMULACIÓN DE PHET LE PERMITIRÁ CONSTRUIR ISÓTOPOS

 

Las reacciones nucleares son procesos en los que cambia el número atómico o másico de los núcleos afectados. Para describir una reacción nuclear se usa una ecuación que identifica los núcleos involucrados, sus números másicos y atómicos, y otras partículas que pudieran participar.

Para que una reación nuclear esté ajustada se tienen que cumplir dos condiciones:

1.- La suma de los números másicos de los reactivos tiene que ser igual a la suma de los números másicos de los productos (el número de nucleones -protones y neutrones- se conserva).

2.- La suma de las carga eléctricas de los reactivos tienen que ser igual a la de los productos.

Ejemplo

Teniendo en cuenta las dos condiciones anteriores, podemos determinar las características de un núclido conocido las de los demás núclidos que participan en el reacción nuclear. ¿Cuál es el núclido que se obtiene junto con un protón al producirse la siguiente reacción nucelar?

Como la suma de números másicos en la izquierda es 29, el núclido X tiene número másico 28. Por otra parte, como la suma de cargas en la izquierda es +14, el núclido X tiene 13 cargas positivas (número atómico 13). Se trata por tanto de 1328Al.

Los dos grandes tipos de reacciones nucleares son:

- Reacciones de decaimiento nuclear

- Reacciones de transmutación nuclear

 

INDICE

 

 

 

REACCIONES DE DECAIMIENTO NUCLEAR

También llamadas reacciones de decaimiento radiactivo, consisten en la emisión de radiación por parte de un núcleo inestable (radiactivo) que lo convierte en uno o más núcleos de otros elementos. Los núcleos hijos tienen menos masa y son más estables (menos energía) qie los núcleos padre.

Para describir este tipo de reacciones se ha extendido la notación de los núclidos a las emisiones radiactivas.

El superíndice (número másico) de fotones, electrones y positrones es 0 ya que no contienen ni protones ni neutrones. El subíndice (carga, número atómico) es 0 en el fotón y el neutrón, es +1 en el protón y el positrón y es -1 es el electrón.

Las seis clases principales de decaimiento radiactivo son las siguientes:

DECAIMIENTO ALFA

Consiste en la emisión de una partícula alfa, o sea, un núcleo de helio. Este tipo de decaimiento ocurre más frecuentemente en núcleos con número másico mayor que 200. Con respecto al núcleo padre, su resultado es un núcleo hijo con número másico cuatro unidades inferior y número atómico dos unidades inferior.

DECAIMIENTO BETA

Es propia de núcleo con demasiados neutrones. En él un neutrón se convierte en protón al tiempo que se eyecta un electrón de alta energía (partícula beta) desde el núcleo. El resultado es que el núcleo hijo tiene un número atómico que es una unidad mayor que el número atómico del núcleo padre. Esto disminuye la relación neutrón/protón y contribuye a disminuir la inestabilidad del núcleo.

En este ejemplo en ambos miembros hay el mismo número de nucleones: 14 y la suma de cargas es también la misma: +6.

 

EMISIÓN DE POSITRONES

Proceso típico de los núcleos pobres en neutrones. Cuando ocurre, un protón se convertir en un neutrón al tiempo que el núcleo eyecta un positrón (antipartícula del electrón, comparte todas sus propiedades menos la carga). El núcleo hijo tendrá un número atómico menor en una unidad al del núcleo padre. El número másico no se modifica.

Este proceso aumenta el número de neutrones y, por tanto, la relación neutrón/protón.

Este proceso es el contrario a la emisión beta. El isótopo carbono-11 es pobre en neutrones. La inestabilidad asociada a ese hecho se corrige emitiendo un positrón y produciendo un núcleo de boro-11. Es lo contrario de lo que el ocurre al isótopo carbono-14, muy rico en neutrones y que resuelve su inestabilidad emitiendo un electrón y convirtiéndose en nitrógeno-14.

EMISIÓN GAMMA

La emisión gamma es un proceso en el que un núcleo excitado emite un fotón de alta energía (gamma) para producir el mismo núcleo en estado no excitado. Como el fotón gamma es energía, no hay cambio ni en el número másico ni en el atómico.

El proceso de emisión puede ser instantáneo como en el uranio-238 o el torio-234

o lento como en el tecnecio-99 (vida media de 6 horas).

CAPTURA ELECTRÓNICA

En la captura electrónica un electrón reacciona con un protón para producir un neutrón con emisión rayos X. El número másico no cambia, pero el número atómico de los núcleos hijos es una unidad menor que el de los padres, es decir, tiene el mismo efecto que la emisión de un positrón.

El ejemplo mejor conocido es el del K-40. El 11 % de los núcleos de ese isótopo de potasio presente en nuestro cuerpo decae por captura electrónica.

FISIÓN ESPONTÁNEA

Los núcleos muy pesados (Z>104) con elevadas relaciones neutrón/protón pueden sufrir fisión espontánea produciendo dos núcleos con números másicos y atómicos diferentes. Este proceso libera una gran cantidad de energía y varios neutrones. Por ejemplo, el californio-254 puede sufrir la siguiente fisión espontánea:

En ella se conserva el número másico (254) y el número atómico (98)

La siguiente simulación visualiza la fisión del U-235.

 

SERIES RADIACTIVAS

Todos los isótopos de los elementos que están por encima del bismuto (Z=83) tienen todos sus isótopos radiactivos. Por ello, lo normal es que los isótopos con Z = 85 o mayor produzcan núcleos hijos que también son radiactivos y sufran nuevos procesos de decaimiento. La sucuencia de reacciones alfa y beta que llevan a un isótopo radiactivo hasta otro estable se denomina serie radiactiva. La más conocida es la del uranio-238 que termina en el plomo-206 después de una serie de 14 etapas.

Las otras dos series radiactivas que ocurren de manera natural son la del uranio-235 (que produce plomo-207 en 11 etapas) y la del torio-232 (que produce plomo-208 en 10 etapas). Existiría otra, del neptunio-237, pero al tener una vida media de solo dos millones de años, hace tiempo que todo el neptunio-237 ha desaparecido en la Tierra. El que existe hoy día ha sido sintetizado artificialmente.

 

 

REACCIONES DE TRANSMUTACIÓN NUCLEAR

En los procesos ligados con la radiactividad natural, los núcleos radiactivos pesados se convierten en núcleos estables más ligeros. ¿Sería posible realizar el proceso contrario?¿Sería posible bombardear núcleos estables con partículas subatómicas y convertirlos en núcleos más masivos? ¿Se podrían fusionar dos núcleos ligeros y producir otro núcleo más pesado?. La respuesta es afirmativa en todos los casos.

La primera reacción de transmutación fue realizada por Rutherford en 1919. Bombardeó nitrógeno-14 con partículas alfa y obtuvo oxígeno-17 al tiempo que se liberaba un protón

Cuando este bombardeo con partículas alfa se realizó usando como blancos elementos más ligeros (por ejemplo litio o berilio), también se obtuvieron núcleos con número másico tres unidades mayor y número atómico una unidad mayor (consistente con la reacción anterior) pero no se observó la presencia de ninguna emisión de protones, de hecho lo que se detectó fue una partícula de masa similar al protón pero de mucho mayor poder de penetración a causa de su carácter neutro. En 1932, Chadwick confirmó experimentalmente la existencia de neutrones.

El bombardeo de núcleos (cargados positivamente) con partículas alfa o protones (cargados positivamente) es poco eficaz porque la repulsión eléctrica entre ambas partículas reduce el número de choques con éxito. Sin embargo, el uso del neutrón evitó ese problema. Al usar una partícula sin carga, se evitaba la repulsión eléctrica provocada por el núcleo y el bombardeo de núcleos ligeros producía buenos rendimientos.

En 1933, Frederic Joliot y Irene Joliot-Curie (hijos de los esposos Curie) prepararon el primer isótopo radiactivo por bombardeo de aluminio-27 con partículas alfa. Habían demostrado la existencia de la radiactividad artificial.

Asimismo, en 1939, Hahn y Strassman anunciaron que el U-235 sufría una reacción de fisión inducida por el impacto de neutrones lentos. Se había iniciado la carrera por la bomba atómica.

SÍNTESIS DE ELEMENTOS TRANSURÁNIDOS

El uranio (Z = 92) es el elemento más pesado que existe en la naturaleza, por lo tanto, los elementos más pesados que él (transuránidos) han sido obtenidos artificialmente por bombardeo de determinados blancos con pequeñas partículas. El primero en ser preparado fue el neptunio (Z=93) que fue obtenido en 1940 del bombardeo de U-238 con neutrones. Seguidamente el neptunio-239 decae y forma el siguiente elemento transuránido Plutonio-239.

Otros ejemplos son:

En estos experimentos se utilizan aceleradores de partículas que aseguran la energía necesaria en los choques con el blanco seleccionado.

El acelerador de Darmstadt (Alemania) ha sido especialmente eficaz para la síntesis de nuevos elementos.