Parte uno
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Química Nuclear
Prof. Sergio Casas-Cordero E.
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Los átomos tienen un diámetro de 0.1-1.0 nm (1x10-9 m) El núcleo (donde están lo protones y neutrones) tiene un
diámetro de alrededor de 10-15 m.
Tamaño del átomo
Relación núcleo/átomo = 1x10-9m/1x10-15m = 1x106 m
El núcleo; un millón de veces más chico que el átomo
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Isótopos:Son átomos del mismo elemento que difieren únicamente en el número de neutrones en el núcleo.
Masa atómica:También se conoce con el nombre de peso atómico. Es una masa relativa promedio de los isótopos de un elemento, basados en un valor de la masa atómica del C-12 exactamente igual a 12 uma.
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1469223892Uranio
238
1439223592Uranio
235
Nº Neutrones
Nº Protones
AZIsótopo
Ejemplos de dos Isótopos del Uranio
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Notación isotópica
XA
Z
C
protonesAneutrones
neutronesprotonesA
−=+=
Nº másico
Nº atómico
Carga del ión
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En la notación
El número atómico, Z es 6 El número de masa, A es 14 El número de protones es 6. El número de neutrones puede ser calculado de la
fórmula
C146
A = p + n; n = A – p
n = 14 - 6 = 8 neutrones
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Ejemplo de isótopos del Hidrógeno:
211Tritio
111Deuterio
011Protio
Nº de neutronesNº de electronesNº de
protonesIsótopo
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Prof. S. Casas-Cordero E. 9
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Peso Atómico
Es el peso promedio de todos los isótopos de un elemento en relación con el peso de un átomo del isótopo más común del carbono (12C) al cual, por convención, se le asigna el valor entero de 12; iguala aproximadamente al número de protones más neutrones del núcleo de un átomo.
1 2
% ab x masa % ab x masa peso atómico = ...
100 100is is
+
∑
=
i100
masa x abundancia %atómico peso
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Ejemplo: El Silicio existe en la naturaleza, como tres isótopos medianamente estables;
+
+
=
100
3.09x29.97
100
4.70x28.98
100
892.21x27.9PA
29,973.0930Si
28,984,7029Si
27,9892,2128Si
Masa (uma)% de Abisótopo
uma 28.09 PA =
¿cuánto es su peso atómico?
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Símbolos de Seguridad
Producto agrícola irradiado Producto radiactivo
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Áreas de Aplicación de la energía Nuclear
Medicina Agricultura Control de Calidad Arqueología Geología Espacio
Energía Eléctrica Industria química aeronáutica Minería Industria Militar otros
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1896 primer RX humano
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Partículas radiantes
Nombre Símbolo Naturaleza Carga Masa velocidad
Alfa α Núcleos de Helio
+2 4 1/10 de c
Beta β Electrones -1 0,00005próxima a
c
Gamma γRadiación
electromagnética
0 0 c
Recuerde que c, velocidad de la luz, es 300.000 km/s
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Balance de las ecuaciones nucleares
1. Conservar el número de masa (A).
La suma de protones más neutrones en los productos debe igualar la suma de protones más neutrones en los reactantes
1n0U23592 + Cs138
55 Rb9637
1n0+ + 2
235 + 1 = 138 + 96 + 2x1
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1. Conservar el número atómico (Z) o carga nuclear.
La suma de las cargas nucleares de los productos debe igualar la suma de las cargas nucleares de los reactantes
1n0U23592 + Cs138
55 Rb9637
1n0+ + 2
92 + 0 = 55 + 37 + 2x0
![Page 19: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/19.jpg)
Utilizando la Tabla periódica;¿A qué debe corresponder X, Y, Z y J?
Respuesta: X = He-4 Y = beta Z = gamma J = Pb-206
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Comparación de las reacciones químicas con las reacciones nucleares
4. Las velocidades de reacción, por lo general, no se ven afectadas por la temperatura, la presión o los catalizadores.
4. Las velocidades de reacción se ven afectadas por la temperatura, presión, concentración y catalizadores.
3. Las reacciones van acompañadas por la absorción o liberación de cantidades enormes de energía
3. Las reacciones se acompañan por la absorción o liberación de cantidades de energía relativamente pequeñas.
2. Pueden participar protones, neutrones, electrones y otras partículas elementales.
2. Sólo los electrones de los orbitales atómicos o moleculares participan en la ruptura y formación de enlaces.
1. Los elementos (o los isótopos de los mismos elementos) se convierten entre sí.
1. Los átomos se organizan por la ruptura y formación de enlaces químicos.
Reacciones nuclearesReacciones químicas
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AlbertEinstein
y la EnergíaNuclear
![Page 22: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/22.jpg)
La Energía Radiante
El orden de magnitud de la energía emitida viene dada por la Ecuación de Albert Einstein
E = ∆mc2
Energía = masa x velocidad de la luz al cuadrado
Todas las reacciones nucleares, emiten o liberan grandes cantidades de energía
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La variación de sólo 1,0 gramo de masa de material radiactivo supone Energías del orden de 9x1010 KJ
Esta cantidad es casi el triple de la Energía que liberan la combustión de 1000 toneladas de Carbón,
C(s) + O2(g) CO2(g) ΔH° = -393,5 KJ/mol
Comparando una reacción nuclear con una combustión:
90.000.000.000 KJ
3,27x1010 KJ 32.700.000.000 KJ
![Page 24: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/24.jpg)
¿Qué energía se libera desde un mol de U-235, en la siguiente reacción nuclear?
masas atómicas (uma):U-235 = 235,0439; Sr-94 = 93,9154; Xe-139 = 138,9179; n = 1,0087
n3 Xe Sr n U 10
13954
9438
10
23592 ++→+
Masa productos = 93,9154 + 138,9179 + 3 x 1,0087 = 235,8594
Masa reactantes = 235,0439 + 1,0087 = 236,0526
∆m = (235,8594 – 236,0526) = - 0,1932
2sm8-32 )(3x10 x Kg 0,1932x10 c x m E =∆=
KJ 1,74x10 )( x Kg 1,7388x10 E 102sm13 ==
![Page 25: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/25.jpg)
¿Cómo se logra esta Energía?
![Page 26: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/26.jpg)
Reacción de Fisión
![Page 27: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/27.jpg)
Reacción de Fusión
eHeHHe
HeHH
eHHH
01
42
11
32
32
21
11
01
21
11
11
+→+
→+
+→+
![Page 28: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/28.jpg)
La búsqueda de Estabilidad
![Page 29: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/29.jpg)
Franja de Estabilidad
![Page 30: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/30.jpg)
REGLAS DE ESTABILIDAD
No existen reglas precisas que permitan predecir si un núcleo particular es radiactivo o no y el modo en que se desintegraría. Todo lo que hay son observaciones empíricas que las podemos resumir de la siguiente forma.
![Page 31: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/31.jpg)
1. Todo núcleo con más de 84 protones (Z > 84) es inestable. Por ejemplo, 92U238 es inestable, todos sus isótopos son inestables, todos son radiactivos como se ha comprobado experimentalmente. Se desintegran de manera espontánea y con diferente rapidez.
2. Núcleos de isótopos con un total de 2, 8, 20, 50, 82, 126 protones o neutrones, son generalmente más estables que sus vecinos de la Tabla Periódica. (NÚMEROS MÁGICOS)
![Page 32: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/32.jpg)
Estabilidad de isótopos
Nº atómico isótopos estables
18 3
19 2
20 20
21 No hay
![Page 33: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/33.jpg)
3. Núcleos con número par de protones y par de neutrones son más estables que los asociados con impares.
Cantidad de isótopos estables en la TP.
Protones Neutrones
157 Par Par
52 Par Impar
50 impar Par
5 impar Impar
![Page 34: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/34.jpg)
Esta observación experimental proviene del hecho que los átomos no poseen una relación 1:1 para n/p sino que:a) Para los elementos livianos (desde Z = 1 a 10) se cumple n/p = 1
b) Para elementos pesados (Z alrededor de 83) se cumple n/p = 1,53
4. La estabilidad de un núcleo puede correlacionarse perfectamente con la cantidad de protones y neutrones, según la razón neutrones / protones en cada átomo.
![Page 35: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/35.jpg)
![Page 36: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/36.jpg)
La estabilidad de cualquier núcleo, se logra por la emisión de partículas.
Aquellos núcleos que poseen una relación neutrón/protón mayor que 1, transforman un neutrón según el siguiente proceso
β01
11
10 −+→ pn
![Page 37: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/37.jpg)
Si la relación neutrón/protón es menor que 1, la estabilidad se logra por;
β01
10
11 ++→ np
![Page 38: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/38.jpg)
¿Esperaría usted que los núcleos de
2He4, 20Ca39, 85At210
fuesen radiactivos?
![Page 39: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/39.jpg)
Aplicando las ReglasHe : Nº mágico 2, ambos son par, razón n/p = 1 entonces debe ser ESTABLE
Ca: Nº mágico 20 y con cantidad par de p e impar para n, razón n/p = 0,95 entonces se debe SOSPECHAR INESTABLE
At : sin Nº mágico, cantidad impar- impar para n-p, Z > 83, razón n/p = 1,47 entonces debe ser RADIACTIVO
![Page 40: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/40.jpg)
SERIES RADIACTIVAS
Algunos núcleos como U-238 no logran ingresar a la Franja de Estabilidad por una sola emisión, sino después de una serie de emisiones sucesivas.La figura siguiente muestra la manera como esto ocurre, partiendo por U-238
![Page 41: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/41.jpg)
![Page 42: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/42.jpg)
Serie del Radio
![Page 43: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/43.jpg)
TIEMPOS DE VIDA MEDIA t½
Se entiende por tiempo de vida media lo que demora una muestra radiactiva en tener la mitad de su radiación inicial. Claramente, estos valores no tienen que ser similares. Ej. En las series radiactivas que terminan en Pb - 206, hay valores que abarcan desde millones de años hasta varios segundos.
![Page 44: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/44.jpg)
t ½ para Estroncio - 90
![Page 45: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/45.jpg)
t½ para Molibdeno - 99
![Page 46: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/46.jpg)
t ½ para Uranio - 238
![Page 47: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/47.jpg)
Ecuación de relación t ½
ln(No/N) = 0,693 t / t ½ donde
t ½ : es el tiempo de vida media No : cantidad inicial de muestra N : cantidad que permanece a tiempo t 0,693: es logaritmo natural de 0,5
![Page 48: Parte uno](https://reader033.fdocuments.mx/reader033/viewer/2022060200/55987ce61a28ab6e638b46af/html5/thumbnails/48.jpg)