Serie radiactiva

Los núcleos radiactivos sufren desintegraciones en etapas sucesivas, a través de emisiones alfa y beta, hasta lograr un núcleo estable.

Serie radiactiva es un conjunto secuenciado de reacciones nucleares que comienza con el núcleo radiactivo y termina con el núcleo estable.

Una de las series radiactivas es la del Uranio. Comienza con el U-238 y termina con el Pb-206, después de 14 desintegraciones sucesivas. Primero U-238 emite alfa para dar Th-234. Este emite beta para dar Pa-234. Luego Pa-234 emite otra beta para continuar la serie que termina en Pb-206 (ver foto).

Es oportuno aclarar que las emisines alfa o beta van acompañadas por radiaciones gamma. Como liberan energía, los procesos de desintegración nuclear son exergonicos y comprenden una o más desintegraciones sucesivas, las necesarias hasta alcanzae un núcleo estable.

En la foto, las flechas hacia la derecha indican emisión beta y flechas hacia abajo indican emisión alfa.

Captura electrónica

Este es un proceso relacionado con la reacción partícula-antipartícula, ya que produce un efecto similar:

p (1,+1) + e(0, -1) ------- n(1, 0) + nu (neutrino)

Ejemplo:

Ar (A=37,Z=18) + e(0,-1) ------- Cl(A=37,Z=17) + nu (neutrino)

Antipartículas y aniquilación

Se considera que el positrón (masa igual al de un electrón y carga +1) es la antipartícula del electrón (carga -1). Un eventual choque entre un positrón y un electrón produce una transformación de partículas en fotones (radiación electromagnética) de alta energía (rayos gamma).

e(o, -1) + e(o, +1) -------- Gamma (proceso llamado aniquilación)

La aniquilación es característica de las colisiones materia-antimetaria y es una de las fuentes de energía del Sol.

Decaimiento radiactivo

El decaimiento radiactivo se caracteriza por la descomposición espontánea de un núcleo, generando nucleos de menor masa, partículas pequeñas y energía. Los nucleos que experimentan desintegración poseen una razón por sobre o por debajo del cinturón de estabilidad del gráfico "estabilidad isotopica". El fenómeno radiactivo no significa que todos los núcleos de un determinado elemento liberan partículas simultáneamente, sino que es un proceso paulatino, lento o muy rápido, dependiendo del isótopo.

Ecuaciones nucleares:
El decaimiento radiactivo se representa por la ecuación:
X (A,Z) ------>Y (A,Z) + emisión radiactiva

Cuando se emite radiación alfa (He, A=4,Z=2), se obtiene un núcleo cuyo Z es 2 unidades menor y su A es cuatro unidades menor. X(A,Z)------>Y(A-4, Z-2) + He (A=4,Z=2)
Ejemplo: U (A=238, Z=92) -------> Th (A=234, Z=90) + He (A=4, Z=2)

Cuando se emite una partícula beta negativa, se obtiene un núcleo cuyo Z es una unidad mayor y no varía su A: X(A,Z) ------- Y (A, Z+1) + e(0,-1)
Ejemplo: I (A=131,Z=53) -------> Xe (A=131, Z=45) + e (A=0, Z=-1)

Cuando hay emisión de un positrón (beta positivo), su Z es una unidad menor y no varía su A:
X (A,Z) -------- Y (A, Z-1) + e(0, +1)
Ejemplo: Na (A=22, Z=11) -------> Ne (A=22, Z=10) + e (A=0, Z=1)

Cuando un núcleo se convierte en otro, la masa del proceso debe ser la misma antes y después de la desintegración. Por lo tanto, la suma de A y Z debe ser igual en ambos lados de la ecuación.
Ejemplo:
a) Escribamos la ecuación con emisión de alfa:
Ra (A=226,Z=88) --------- Y (A-4, Z-2) + He (A=4,Z=2) + energía

b) Calculamos los valores de Z y A del núcleo formado.
Z = 88-2 = 86; A = 226-4; por lo tanto A = 222

c) Buscamos en la tabla periodica el elemento Y calculado:
Rn (A=222, Z=86)

Núcleo padre, núcleo hijo

En las reacciones nucleares, un nucleo inestable, llamado nucleo Padre, emite radiaciones en forma espontánea y se convierte en un núcleo más estable de un elemento diferente, llamado núcleo hijo. Las reacciones nucleares están determinadas por la proporción de protones y neutrones de un núcleo y se deben a la transformación mutua entre las partículas nucleares.

En los nucleos de gran masa (Z>83), la fuerza de repulsión entre los protones supera a la fuerza que los mantiene unidos. Para estabilizarse emiten radiación alfa (He =A:4 y Z:2), transformandose en núcleos de menor masa.

Si un núcleo tiene un exceso de neutrones respecto a los protones, necesta aumentar su cantidad de protones para estabilizarse. Esto lo consigue transformando algunos neutrones en protones, por medio de la emisión de electrones o beta negativo.
N° ----- p+ + e-
Se postula que un neutrón está formado por un protón y un electrón, quedando una partícula neutra.

Los núcleos con exceso de protones se estabilizan transformando los protones en neutrones; así, en tanto que la cantidad de protones disminuye, la cantidad de neutrones aumenta proporcionalmente.
p+ ------ N° + e +
Se postula que para que un protón se transforme en un neutrón, se debe desprender de su carga positiva, emitiendo positrones (de masa igual a la de un electrón, pero con carga positiva). Un haz de positrones corresponde a radiación beta positiva.

Reacciones nucleares

Son procesos de conversión de unos elementos en otros diferentes. Pueden consistir en:

1. La reacción de un núcleo con algún tipo de partícula.

2. La fragmentación nuclear originando núcleos más livianos

3. La liberación de partículas subatómicas.

4- La absorción o liberación de radiación electromagnetica altamente energética.

En la foto: La ecuación debe cumplir que: " la suma de los números másicos (número superior A) y de los números atómicos (número inferior Z) o carga, en el caso del electrón y positrón, debe ser igual en ambos lados de la ecuación".

Ejemplo en la ecuacion superior: A= 7+0= 7; Z=4 -1= 3

Ejemplo en la ecuación inferior: A=13 + 0 = 13; Z= 7-1=6

Otro ejemplo es: I (A=131, Z=53) ------> Xe (A=131,Z=54) + e (A=0, Z=-1)

Otro ejemplo es: N (A=14, Z=7) + He (A=4, Z=2) ------> O (A=17, Z=8) + H (A=1, Z =1)

Energía de enlace o de ligadura ligadura

En la foto se grafica como cambia la energía de enlace en función del número masico A. Por razones lógicas, para el H-1 la energía es cero. Esta energía aumenta rapidamente hasta alcanzar un máximo ancho y plano entre A=50 a 90. Luego decae levemente hacia núcleos pesados.

Llaman la atención los nucleos de He, C y O alcanzan valores superiores a sus nuclidos vecinos, hecho que explica su gran estabilidad en la naturaleza. La energía máxima se observa para Fe.

Una conclusión que se extrae es que los nucleos de mayor estabilidad deben ser aquellos que posean los más altos valores de energía de enlace nuclear.

Defecto de masa

En los años 30, los fisicos descubrieron que la masa de los núcleos es siempre menor que la suma de las masas de los nucleones que la componen. Veamos:
a) Ecuación nuclear: 2 (masa del protón) + 2 (masa del neutrón) = masa del nucleo de He

b) Masa efectiva del núcleo de He-4: masa (nucleo Helio)=masa(átomo Helio)-2(masa electrón)
es decir, 4,00260u- 2*5,486x10(-4)u = 4,00150

c) Defecto de masa (dM): 2 (masa protón) + 2 (masa neutrón) = 2*1,00728u + 2*1,00866u=4,03188u

Luego 4,03188u > 4,00150u
Efectivamente, la masa de protones y neutrones superan levemente a la masa del núcleo de He. La cantidad de masa que falta es llamada defecto de masa = 0,03038u
¿Qué paso con la masa faltante? Esta es la energía liberada (exotermica) en el proceso de unir protones y neutrones para formar un núcleo de Helio.

d) Relación entre masa y energía
La equivalencia esta dada por E=mC(2), la ecuación de Einstein de la Teoría Especial de Relatividad.
Así, 1u = 1,66054x10 (-27) Kg, luego dE= dMC(2)= (1,66054x10(-27) Kg/u) (2,998x10 (8) m/s2) = 1,4925x10 (-10) J/u; 1J= 1Kg(m2/s2)

Si 1MeV = 1,602x10 (-13) J, se puede comprobar que 1u = 931,5 MeV (relación masa Energía)

e) Energía liberada en la formación de He-4
dE = (0,03038 u) (931,5 MeV/u) = 28,30 MeV

Radiactividad

Radiactividad es la emisión de radiaciones que se generan espontáneamente en los núclidos inestables.

En 1896, Henri Becquerel observó este fenómeno por primera vez. Descubrió que los minerales de Uranio (Pechblenda, U-92), eran capaces de velar una placa fotográfica en ausencia de luz externa, por lo que concluyó que poseían la propiedad de emitir radiaciones en forma espontánea. Poco despues, la quimica Polaca Marie Shklodowska y su esposo, el fisico Frances Pierre Curie, comenzaron una busqueda sistematica de otras sustancias que emitieran radiaciones. Comprobaron que todos los minerales de Uranio las emitían y además aislaron otros dos elementos con identicas propiedades: el polonio (Z=84) y el radio (Z=88), a los que llamaron elementos radiactivos.
Para detectar la radiación se usa el contador Geiger: En presencia de emisiones radiactivas, el gas que se encuentra dentro del tubo metálico del contador Geiger, se ioniza produciendo una corriente eléctrica. Esta se amplifica en pequeñas pulsaciones electricas que pueden escucharse sin dificultad. La cantidad de radiación se mide de acuerdo a la frecuencia de las pulsaciones.

No todos loe elementos radiactivos emiten las mismas radiaciones. Algunos emiten radiación más potente que otros, cada una de las cuales transforma el núcleo de distinta manera.
El radio emite una radiación de tres tipos:
1. partículas alfa: núcleos de Helio, de carga positiva +2, masa u=4 y velocidad 1/10 c
2. partículas beta: electrones, carga negativa, carga -1, masa u=0,00005, velocidad cercana a c
3. rayos gamma: radiación de muy alta frecuencia y no es afectado por el campo magnético, carga 0, masa 0 y velocidad c

La radiación alfa es detenida por un pedazo de papel y su recorrido máximo en el aire es de unos centimetros.

La radiación beta atravieza láminas de Aluminio de 1mm y en el aire alcanza a viajar 2m

La radiación gamma es muy penetrante, viaja a través del aire grandes distancias y para detenerla se necesita un bloque de Plomo de 22 cm o una pared de concreto de varios metros de espesor.

Estabilidad nuclear

Dentro de los elementos hay algunos que son estables y otros que son inestables. Algunos nucleos de alto peso molecular pierden o liberan partículas y nergía nuclear, lo que conocemos como radiactividad.
En la Tierra existen de manera natural un poco mas de 90 elementos, algunos en grandes cantidades y otros en niveles trazas. Todos los elementos poseen isotopos estables e inestables (radiactivos), siendo los estables aprox. 284, es decir alrededor de 3 isotopos en promedio por elemento. El Hidrógeno, el más liviano de los elementos, posee dos isotopos estables el protio H-1 y el deuterio H-2, y otro isotopo radiactivo Tritio H-3.
Veinte elementos consisten en una sola especie atómica (Ej. Be, F, Na, Al, P) y el resto tiene 2 o más isotopos.

La estabilidad nuclear (FOTO) esta relacionada con la cantidad relativa de protones y neutrones que pose un núcleo. Aquellas especies con Z par son más numerosas que las de Z impar. Los puntos negros son los isotopos estables y la franja ascendente es la franja de estabilidad nuclear. Observe que para Z>20, los que son estables tienen más neutrones que protones. Para un elemento dado, en la parte central están los isotopos estables y hacia arriba y hacia abajo los isotopos radiactivos. Si un núcleo con Z protones tiene exceso o deficiencia de neutrones es inestable. La línea recta (Z=N) es la condición ideal de estabilidad.

¿Porque los protones no se repelen entre sí, desintegrando el nucleo?

En el núcleo no operan las fuerzas de atracción y repulsión coulombicas que se usan para explicar las interacciones entre iones positivos y negativos. En el núcleo operan las interacciones fuertes, que son unas 100 veces mayores que las coulombicas y que operan sólo en distancias extremadamente cortas al interior del núcleo.

Existen algunas regularidades que definen a los isotopos estables si los valores de Z y N son pares o impares:

a) Los isotopos estables con Z par son mas numerosos que los isotopos con Z impar.

b) El 60% de los núclidos estables tienen Z y N par.

c) Son estables sólo 4 núclidos con Z y N impar.

d) Son núclidos extremadamente estables los que poseen Z o N: 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126. A estos números se les conoce como "numeros mágicos".

Propiedades del núcleo

Isótopos = son los elementos que poseen igual cantidad de protones (son el mismo elemento), pero difieren en el número de neutrones en el núcleo. 16O

Los protones y neutrones en el núcleo reciben el nombre de "nucleones".

Al numero de protones se le denomina número atómico o Z y la suma de protones más neutrones se conoce como número másico o A. Es decir: A = Z + N; siendo N el número de neutrones.

El número másico sólo es un número, en cambio la masa atómica se expresa en "unidades de masa atómica u o u.m.a.". La masa de un átomo se determina en relación a la de otro que se utiliza como patrón. Se ha establecido que el carbono-12 tiene exactamente una masa de 12 unidades de masa atómica:

1 proton pesa 1,673x10 (-27) y 6 protones + 6 neutrones pesan 2x10 (-26).

Por lo tanto la unidad de masa atómica corresponde a la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12., es decir 2x10(-26)/12 = 1,673x10 (-27).

Almidón

Es un polisacarido producido por los vegetales a partir del CO2 y del agua. Esta constituido por dos polimeros, la amilosa (25%) que es un polimero lineal formado por 250-300 moléculas de alfa-D-glucosa, unidas sólo por enlaces alfa 1-4, y la amilopectina (75%), polimero ramificado formado por aprox. 1000 moleculas de alfa-D-glucosa, unidas por enlaces alfa 1-4 y alfa 1-6.

D y L glucosas

La glucosa se numera desde el grupo funcional aldehído y se encuentran en forma cíclica. Existen dos tipos de estructuras o series: D y L
La serie D indica que el grupo OH del carbono 5 se encuentra a la derecha.

La serie L indica que el grupo OH del carbono 5 se encuentra a la izquierda.