NÚCLEO Y RADIACTIVIDAD.

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LÍNEA de tiempo.

1808: Teoría atómica de

Dalton

1800

1897: Modelo atómico de

_Thompson

1900

2000

1900: Teoría cuántica de M.

Planck

1905: Teoría de la relatividad

de Einstein

1911:

Modelo atómico

de Rutherford

1913: Modelo atómico

de Bohr

1923: “Dualidad

onda-partícula” de L. De Broglie

1927: Principio de

incertidumbre

de Heisenberg

1890

1900

1910

1920

1897

: J.J Thompson

ELECTRÓN

1895

: Röentgen

RAYOS X

1896

: Becquerel

RADIACTIVIDAD

1911

: Rutherford

NÚCLEO ATÓMICO

1919

: Rutherford

PROTÓN

1932

: J.Chadwick

NEUTRÓN

1930

1898

: M. Curie y P. Curie

POLONIO y RADIO

1932

: Anderson-Neddermeyer

Prof. Denisse Casais 2°DB Química L 65 Nocturno

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Un poco de historia …







1896:

Becquerel descubre la radiactividad.







1898:

Marie Curie y Pierre Curie descubren los elementos: Polonio y Radio.

Becquerel estaba muy interesado en la fuente de la radiactividad. Por sugerencia suya, Pierre (1859 – 1906) y Marie (1867 – 1934) Curie, empezaron a investigar las propiedades del Uranio y sus minerales.

Entre las sustancias que estudiaron, descubrieron que la PECHBLENDA (mineral de Uranio) presentaba una radiación muy superior a la que esperaban encontrar en función del Uranio que contiene.

Tratando toneladas de Pechblenda encontraron dos elementos metálicos radiactivos. Al primero lo denominaron POLONIO y al segundo RADIO, los cuales explicaban la alta radiactividad de la pechblenda.

El radio es más de 1.000.000 de veces más radiactivo que la misma masa de Uranio. Casi al mismo tiempo Madame Curie y Schmidt descubrían independientemente que los compuestos de Torio son también radiactivos. Poco después A. Debierne (1899) y F. Giesel (1901) hallaron el nuevo radioelemento ACTINIO en los minerales de Uranio.

Posteriores estudios determinaron la existencia en la naturaleza de más de 40 elementos que emiten espontáneamente, tanto en estado “puro” como en compuestos. A estos se deben agregar el gran número de radionucleidos que no se encuentran normalmente en la tierra, pero que pueden ser generados por métodos especiales.

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CARACTERÍSTICAS DE ALGUNAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS.

PARTÍCULA DESCUBRIMIENTO MASA (Kg) MASA (u) CARGA (u.c.e) REPRESENTACIÓN

ELECTRÓN 1897: J. Thomson 9,1 x 10-31 5,5 x 10-4 -1

_e

-

_0₁

e

PROTÓN 1911: E. Rutherford 1,673 x 10-27 1,007276 + 1

_p

+

1₁

p

NEUTRÓN 1932: J. Chadwick 1,675 x 10-27 1,008665 0

_n

º

₀1

n

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Poniendo en claro algunos conceptos importantes ...

NUCLEIDOS

: Es una especie atómica con un número definido de protones y neutrones distribuidos en un determinado orden dentro del núcleo.

Se representa:

A= número másico (Nº de p+ + Nº n) Z= número atómico (Nº p+)

El núcleo tiene prácticamente concentrada toda la masa del átomo, está formada por protones y neutrones cuyo conjunto es llamado NUCLEONES.

N ° de p +(Z) N ° de nucleones (A) (p + + n0) n0 (A – Z) EJEMPLOS

ISÓTOPOS Igual diferente diferente 5426Fe,

55 26Fe,

56 26Fe

ISÓBAROS Diferente igual diferente 6030 Zn, 60

29 Cu

ISÓTONOS Diferente diferente igual 5826 Fe,

59 27 Co

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ESTABILIDAD - INESTABILIDAD DE LOS NUCLEIDOS.

En la naturaleza, una gran cantidad de nucleidos son estables, pero también existen otros que son inestables (radionucleidos) y emiten espontáneamente partículas o radiación electromagnética. La emisión o desintegración radiactiva es una de las distintas formas por las que un nucleido se transforma en otro más estable (con menos energía).

¿Cuáles son los tipos de emisiones radiactivas más comunes?

¿Por qué algunos nucleidos son radiactivos y otros no? ¿De que depende la estabilidad e inestabilidad y qué criterios se pueden utilizar para evaluarlo?

X

A Z

La

radiactividad

es la propiedad que presentan ciertos núcleos atómicos

La estabilidad-inestabilidad nuclear depende de muchos factores diferentes. Aunque no existe una regla única para predecir si un nucleido es estable o inestable (radiactivo), sí es posible a partir de algunas observaciones experimentales hacer deducciones. Una de gran utilidad es la relación entre el número de neutrones y el número de protones N/Z, que se expresa en el siguiente gráfico.

En el gráfico Número de neutrones en función de Número de protones N = f (Z):

 Todos los nucleidos estables se encuentran formando parte del denominado "cinturón o banda de estabilidad".

 Los nucleidos inestables (radionucleidos) quedan por fuera (arriba, debajo y a la derecha) de este cinturón de estabilidad.

ANALIZA EL GRÁFICO Y RESPONDE:

 ¿A partir de qué número atómico todos los nucleidos son inestables?

 Para los nucleidos estables, ¿qué ocurre con la relación N/Z a medida

que aumenta Z? ¿A que se debe esto?

 Para los nucleidos estables con Z<20, ¿cuál es la relación N/Z?

 Para los nucleidos estables con Z>20, ¿cuál es la relación N/Z?

Antes de comenzar con el análisis de las diferentes emisiones radiactivas, se definen algunos términos que te serán de utilidad.

 EMISIÓN = DECAIMIENTO = DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA.

 Poder de penetración: Es la distancia que puede recorrer una partícula en un medio determinado hasta alcanzar el reposo como consecuencia de la pérdida de toda su energía cinética con los choques sucesivos con otros átomos.

 Poder de ionización: Es la capacidad que tiene una emisión de producir iones en el medio que atraviesa por expulsión de electrones de la periferia en un choque. Para que suceda, la energía transferida en el choque tiene que ser mayor a la energía que liga a esos electrones.

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EMISIÓN O desintegración



(alfa)

 Características de la radiación :

 emisión de dos protones y dos neutrones (núcleos de Helio)  masa = 4,002000 u

 muy ionizante (carga +2)

 poco penetrante (se detiene con papel o 10 cm de aire)  penetración relativa en los tejidos de 1

 desviadas por campos eléctricos y magnéticos

Ecuación nuclear (representa la desintegración radiactiva del nucleido). Genérica:

 Presentan este tipo de emisión los nucleidos con exceso de nucleones, o sea con Z > 83, que son los nucleidos ubicados por fuera y a la derecha del cinturón de estabilidad.

 Ejemplos: 238 U 222 Rn

Plantea las ecuaciones de desintegración radiactiva de los nucleidos mencionados.

¿Cuál es nucleido que forma Plomo-208 por desintegración ? Plantea la ecuación.

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EMISIÓN O desintegración





(BETA NEGATIVO)

 Características de la radiación :

 emisión de electrones (e-): n  p+ + e- +  + E (antineutrino) el e- es eyectado del núcleo

 masa = 0,00055 u.  poco ionizante (carga -1).

 penetrante (se detiene con aluminio, vidrio o acrílico).  penetración relativa en los tejidos de 100.

 desviadas por campos eléctricos y magnéticos.

 Presentan este tipo de emisión los nucleidos que se encuentran por encima del cinturón de estabilidad, nucleidos con exceso de neutrones.

 Ejemplos: 14C 32P

X

A

Z



Y

4 A

2 Z





+

42 + E

X

A

Z



Y

A

1

Z

+

01 +  + E

Plantea las ecuaciones de desintegración radiactiva de los nucleidos mencionados.

 Existen emisores - puros como 14C y 32P, y emisores -,  como 131I y 99Mo, en los casos en que el nucleido padre decae a un estado excitado del nucleido hijo.

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EMISIÓN O DESINTEGRACIÓN



(gama)

 Características de la radiación :

 es radiación electromagnética de longitud de onda pequeña y por lo tanto alta energía, son fotones de alta energía

 masa = 0

 no son ionizante (carga 0)

 muy penetrante (se detienen con 15 cm de plomo)  penetración relativa en los tejidos 10.000

 no se desvían ni por campos eléctricos ni magnéticos)

 Acompaña a la emisión α y β porque generalmente el nucleido hijo se forma en estado excitado (estado de mayor energía). El cambio del estado excitado al estado fundamental ocurre en un tiempo aproximado de 10-11 segundos.

 Casos especiales: Nucleidos en estado metaestable

(estado excitado t > 1seg), son emisores  únicamente.

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EMISIÓN O DESINTEGRACIÓN





(BETA POSITIVO)

 Características de la radiación :

 emisión de positrones(e+): p+  n + e+ +  (neutrino)  masa = 0,00055 u.

 poco ionizante (carga +1).

 penetrante (se detiene con aluminio, vidrio o acrílico).  penetración relativa en los tejidos de 100.

 desviadas por campos eléctricos y magnéticos.

 Presentan este tipo de emisión los nucleidos que se encuentran por debajo del cinturón de estabilidad, nucleidos con exceso de protones.

 Ejemplos: 11C 18F

Plantea las ecuaciones de desintegración radiactiva de los nucleidos mencionados. ¿Cuál es el nucleido que, por emisión de positrones, genera al cromo-50?

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captura electrónica c.e.

 En el proceso se genera un “hueco” en el nivel 1 de energía que es llenado por un electrón de un nivel de mayor energía, generándose en consecuencia emisión de rayos X.

p+ + e-  nº +  + E ( antineutrino)

ej: del nivel 1

 Este tipo de reacción se presenta en los nucleidos con

exceso de protones, o sea en los nucleidos que se encuentran por debajo del cinturón de estabilidad.

 Ej: 37Ar

Plantea las ecuaciones correspondientes a la CE del nucleido mencionado.

A partir de lo analizado en cada tipo de emisión, discute que propiedades del medio y de las emisiones determinan el poder de penetración y de ionización.

PON EN JUEGO TUS CONOCIMIENTOS ...

1. Escribe las ecuaciones correspondientes a los siguientes procesos nucleares, justificando en cada caso y explicando qué ocurre en el núcleo.

a) Emisión de un positrón por el 120

Sb

51

b) Emisión de un electrón por el 35

S

16

c) Emisión alfa por el 226

Ra

88

d) Captura electrónica por el 7

Be

4

X

A

Z



Y

A

1

Z

+

01 + 

neutrino

X

A

Z

+ e

- 

Y

A 1

Z +  + E

antineutrino

X

Am

Z



X

A

Z

+

 + E estado metaestable estado estable

En los nucleidos livianos es más común la emisión de positrones pero en la medida que Z aumenta, captura electrónica se hace más frecuente.

2. Identifica el tipo de emisión justificando en cada caso tu respuesta.

a) Un radionucleido decae produciéndose la transformación de un protón en un neutrón, un positrón y un neutrino.

b) El nucleido padre y el nucleido hijo son isómeros y la emisión presenta un elevado poder de penetración.

c) La emisión radiactiva puede ser frenada con una hoja de papel.

3. Plantea las ecuaciones de desintegración para las siguientes desintegraciones radiactivas:

a) El plutonio-242 se desintegra a uranio 238.

b) El xenón-131 se genera por desintegración _.

c) El hierro-55 experimenta una captura electrónica.

d) El fósforo-30 se desintegra por emisión de positrones.

4. a) Completa estas ecuaciones e indica cantidad de partículas subatómicas de cada nucleido.

22 _{Na  ____ +} 22 _Ne 22 _{Mg  }- _{+ ____}

210 _{Po   + ____   + ____}

b) Indica la ubicación de los nucleidos padre en la curva de estabilidad.

5. Tres de los isótopos del elemento Z=20 tienen las siguientes características:

Isótopo 1: número másico 35 Isótopo 2: número másico 40 Isótopo 3: número másico 49. Explica para cada uno de los isótopos si son estables o inestables. En caso de ser inestables, plantea un posible proceso de desintegración. Incluye las ecuaciones.

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Radiactividad artificial y radiactividad inducida.

En 1919, Ernest Rutherford, logró la primera conversión “artificial” de un núcleo en otro. Al bombardear nitrógeno con partículas  procedentes de una sustancia radiactiva, observó su conversión en un isótopo del oxígeno, el 17O. El N se transforma en O y emite un protón. A este tipo de reacciones se les denomina TRANSMUTACIONES.

Se pueden representar de 2 formas diferentes: desarrollada y abreviada. Tomando como ejemplo la primera transmutación:

FORMA DESARROLLADA: 14₇ N + 4₂  17₈ O + p1₁

FORMA ABREVIADA: 147

N

( , p )

O

17 8

En 1934, los esposos Irene Curie y Fréderic Joliot, estudiando la producción de neutrones al bombardear una lámina de aluminio con partículas alfa, descubrieron que se formaba un isótopo radiactivo del fósforo. Comprobaron que además de los neutrones aparecían positrones que no esperaban (ni cabía esperar) y que no cesaban de producirse al dejar de bombardear, tal como sucedía con los neutrones.

¿Cómo es esto posible?

En principio, el aluminio se transmuta en 30P (radiactivo): ₁₃27Al + 4₂  ₁₅30P + 1₀n Luego el 30P se desintegra a 30Si emitiendo positrones: 30₁₅P  ₁₄30Si + 0₁e

De esta forma lograron inestabilizar un nucleido estable (27Al), transformándolo en otro nuevo (30P), inestable y por lo tanto radiactivo, obteniendo el Premio Nóbel en 1935 por la síntesis de nuevos elementos radiactivos.

Plantea la reacción de transmutación del aluminio-27 en la forma abreviada.

¿Qué ocurre en el caso en que las partículas con las que se bombardea (proyectil) tiene carga eléctrica o el nucleido blanco tiene Z elevado?

En estos casos el proyectil debe tener una gran velocidad de forma que pueda vencer la repulsión electrostática. Para esto se han diseñado diferentes dispositivos que se denominan ACELERADORES DE PARTÍCULAS. Básicamente existen 2 tipos, el ciclotrón y el sincrotrón, que aparecen esquematizados en la figura debajo.

X ( Z , Z’ ) Y

Nucleido blanco Padre

Partícula emitida Partícula con la que

se bombardea

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Aplicaciones de los radioisótopos.



EN MEDICINA: Se utilizan como trazadores en técnicas de diagnóstico y también como fuente de radiación en terapias.

TRAZADOR: radioisótopo que se utiliza para trazar la ruta de los átomos de un elemento en un proceso químico. La técnica se basa en las propiedades químicas prácticamente iguales que presentan los isótopos radiactivos y estables de un elemento.

TIEMPO DE VIDA MEDIA O PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN: tiempo necesario para se desintegre la mitad de los núcleos

presentes inicialmente en la muestra. Es una propiedad característica de cada radionucleido.

RADIOISÓTOPO t1/2 USOS

11

C 20,3 m Exploraciones cerebrales, velocidad del metabolismo de la glucosa y oxígeno (PET: tomografía por emisión de positrones)

31

Cr 27,8 d Determinación del volumen sanguíneo

57

Co 270 d Medición de la incorporación del la vitamina B12 60

Co 5,26 a Terapia del cáncer por radiación

153

Gd 242 d Determinación de la densidad ósea

131

I 8,07 d Terapia de la tiroides

192

Ir 74 d Terapia del cáncer de mama

59

Fe 45 d Detección de anemia

238

Pu 86 a Suministra energía para marcapasos

226

Ra 1600 a Terapia del cáncer por radiación

24

Na 15 h Localización de obstrucciones en el flujo sanguíneo

99m

Tc 6 h Obtención de imágenes de cerebro, hígado, medula ósea, riñón o corazón

También se utiliza la irradiación para la esterilización del material médico (tijeras, catéteres, jeringas, DIU)

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EFECTO BIOLÓGICO



DOSIS ABSORBIDA (D

):

es la energía absorbida por unidad de masa de un material (o tejido).  La unidad de dosis absorbida, en el sistema internacional es el J / kg, denominada GRAY (Gy).

Esta unidad refiere a cualquier radiación en cualquier material. También se utiliza el RAD:

1 J/kg = 1 Gy = 100 Rad 

EFECTO BIOLÓGICO (E):

 La unidad utilizada es el SIEVERT (Sv), es una unidad derivada del SI que mide la dosis de radiación absorbida por la materia viva, corregida por los posibles efectos biológicos producidos.

 Aunque todas las radiaciones ionizantes son capaces de producir efectos biológicos similares, una cierta dosis absorbida puede producir efectos de magnitudes distintas, según el tipo de radiación de que se trate. Esta diferencia de comportamiento ha llevado a definir una cantidad llamada factor de calidad (Q) para cada tipo de radiación.

1 Sv= 1 Gy x Q

Así, por ejemplo, un Gray de partículas alfa produce efectos biológicos 20 veces más severos que un Gray de rayos 





EFECTOS FRENTE A LA EXPOSICIÓN A UNA DOSIS DE RADIACIÓN.

DOSIS RECIBIDA (Sv) EFECTO PROBABLE

0 - 0,25 Ningún efecto observable

0,25 - 0,50 Pequeña disminución del nº de glóbulos blancos 0,50 – 1 Lesiones, gran descenso glóbulos blancos

1 – 2 Náuseas, vómitos, pérdida de pelo 2 – 5 Hemorragias, úlceras, posible muerte

Mas de 5 Muerte (en un mes muere el 50% de los seres expuestos)

Tipo de radiación Q

Rayos X,  1

Electrones 1

Neutrones térmicos 2.3 Neutrones rápidos 10

Protones 10



FUENTES DE RADIACIÓN IONIZANTE.

En el cuadro se clasifican las fuentes de radiación ionizante a las que esta sometido el hombre, su origen y la dosis efectiva anual promedio (en milisievert) con la que contribuyen cada una de ellas.

PARA CONTINUAR PROFUNDIZANDO...

1. A nivel atmosférico y debido a los rayos cósmicos, continuamente nucleidos de 14_{N chocan con neutrones,}

transformándose en nucleidos de 14_{C, el cual vuelve a transformarse en} 14_N.

Plantea las ecuaciones correspondientes a los procesos descriptos y clasifícalos.

2. Completa las siguientes ecuaciones nucleares llenando los espacios en blanco. Represéntalas de manera abreviada

a) ___ + n  239_{Np + e} -b) 238_{U + ___ } 237_{Np + 2n}

c) 239_{Pu +   ____ + n} d) 14_{N + ___  p}+ ₊ 17_O

3. En la serie de desintegración natural del Torio, el 232

Th

_{emite en total 6 partícula}  _{y 4 partículas}  _{en un} proceso de 10 etapas. ¿Cuál es el isótopo final producido?

4. Completa las siguientes ecuaciones e identifica a que tipo de reacción nuclear corresponden:

a) 14

C

X 

N

X

X + 



b) 14

N

7 (,____)

O

17 8

c) 235

U

X +

n

1

0  x

n

1

0 +

X

94

36 +

X

139 X

d) 26

Mg

X +

X

1

0 

He

4

x +

X

X X

e) ____ (p,) ₁₁22Na

f) 2

X

1 +

X

2

X 

H

3

1 +

X

X 1

g) 37

X

X +

X

0

1

 

X

X 17

5. Busca información y responde: La fisión y la fusión son ambas reacciones nucleares,

a) ¿Por qué se requiere de una temperatura muy alta para la fusión pero no para la fisión?

b) ¿Por qué se emplean elementos que presentan numero atómico bajo como combustibles para la fusión y elementos que tienen número atómico alto como combustible para la fisión?

c) ¿Por qué la fisión es una reacción en cadena?

d) ¿Por qué los productos de fisión no pueden ser destruidos y descartados (de forma más o menos sencilla), como se hace con otros productos químicos nocivos?

ORIGEN DOSIS RECIBIDA ANUAL (mSv)

NATURALES (83%)

Terrestres: materiales radiactivos presentes en la corteza terrestre, 40K, 87Rb y los procedentes de la desintegración natural de 238U, 232Th.

1,66

Cósmicas: los rayos cósmicos irradian la tierra e interacciones con la atmósfera produciendo otros materiales radiactivos como el 14C.

0,34

ARTIFICIALES (17%)

Médicas 0,4

Depósitos radiactivos 0,02

CUADRO COMPARATIVO

6.

Completa el cuadro:

REACCIÓN _{(QUÍMICA O NUCLEAR)} TIPO DE REACCIÓN TIPO DE REACCIÓN _NUCLEAR

U

235

+ n  160

Sm

+ ____ + 4 n

Rn

222

 218

Po

+ ____

H

2

+ ____  4

He

+ n

La2O3 + H2O  La(OH)3

Pb

212

 ____ + 212

Bi

B

10

(n,) ____

Material basado en ficha elaborada por la Prof. Maite Benvenuto

REACCIONES QUÍMICAS

REACCIONES NUCLEARES

Implican cambios en la estructura electrónica de átomos o moléculas.

Dependen de cambios en el interior de los núcleos.

Los isótopos de los elementos muestran similar comportamiento químico.

Los isótopos se comportan diferentes.

El estado de combinación condiciona el comportamiento. Ej: Ra y Ra2+ se comportan diferente porque tienen estructuras electrónicas diferentes

La reactividad nuclear es independiente del estado de combinación. Ra y Ra 2+ tienen núcleos iguales.

Los elementos conservan su identidad Implican la conversión de un elemento en otro siempre que cambie Z

Efectos energéticos muy distintos:

U(s) + 3 F2 (g)  UF6 (g) ΔH = -505 kcal/mol

Efectos energéticos muy distintos:

238 92 U +

1 0 n 

239

92 U ΔH = - 1,7. 10 6