reacciones nucleares

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By: Hephaistos (47 month(s) ago)

Hola mbelbruno, soy Senén Riquelme M. de la octava región de Chile, te saludo cordialmente y te deseo un buen pasar a ti y a tus seres queridos. Estoy preparando mis clases para el nuevo año lectivo y me encontré con la diapositiva "Reacciones Nucleares", LA ENCONTRE COMPLETA Y ORDENADA sobre los temas que tengo abordar dado que soy profesor de Química de la que aquí en Chile le llamamos Enseñanza Media. Por lo que estaré muy agradecido me la compartas así complementar mis conocimientos y ahorrar tiempos de elaboración. Humildemente también haré mi aporte a esta página, en seguida con ppt elaborados y/o complementados. Mi correo es senencl@yahoo.es Desde ya muchas gracias.

Presentation Transcript

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REACCIONES NUCLEARES Son las transformaciones la estructura de un núcleo atómico INESTABLE de un elemento en otro elemento, emitiendo RADIACTIVIDAD

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Partículas fundamentales del núcleo. (los llamaremos nucleones) protones neutrones es la energía obtenida de una reacción nuclear La energía nuclear Partículas sub atómicas, Electrones del núcleo y además se forman nuevas partículas. Radiación electromagnética La radiación gamma, radiación electromagnética de alta energía. RADIACTIVIDAD EMISIÓN espontánea de PARTÍCULAS o RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS o ambas, de un núcleo inestable. La radiactividad de un elemento no es afectada por estar formando parte de un compuesto químico. La radiactividad se clasifica: RADIACTIVIDAD

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Radiactividad natural: Emisión espontánea de partículas o ra-diación, o ambas, por un nú-cleo inestable de isótopos que existen en la naturaleza para obtener un isótopo más estable. Radiactividad inducida: Generación de núcleos ines-tables (no existen en la natura-leza) bombardeando un ele-mento estable con partículas de energía suficiente como para penetrar en él e incorporarse a su estructura. En 1896 el físico A. Henry Becquerel descubrió que un mineral de uranio, denoninado pechblenda era capaz de revelar placas fotográficas protegidas de la luz solar al (igual que los rayos X) NÚCLEO INESTABLE PARTÍCULAS (α y β) Radiación (γ) NÚCLEO ESTABLE NÚCLEO INESTABLE Nuevos núcleos, partículas y radiación PRODUCIDOS por la DESINTEGRACIÓN Bombardeo con partícula

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Radiactividad natural: Radiactividad inducida: Rutherford los identificó como núcleos de helio (dos cargas +) Bequerel los identificó como rayos catódicos (electrones del núcleo) Identificados como radiación electromagnética (parecida a los rayos X pero de mayor energía) La emisión de partículas SIEMPRE está acompañada de la emisión de rayos gama Radiacion (γ) PARTÍCULAS Otras partículas que puede emitir el núcleo: positrones, neutrones, antineutrinos, etc

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El decaimiento de un átomo radiactivo (inestable) se expresa como una reacción química: REACCIÓN NUCLEAR indicando número atómico y másico de cada una de las especies de la reacción. Para escribir la ecuación que representa la REACCIÓN NUCLEAR, se usan los símbolos atómicos ISÓTOPOS PADRES ISÓTOPOS HIJOS + PARTICULAS EMITIDAS + RADIACION

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Reacciones nucleares pueden clasificarse: A) Por ALTERACION de su ESTRUCTURA NUCLEAR B) Por DESEXITACION NUCLEAR a.Transformaciones NO isobáricas b.Transformaciones isobáricas La emisión alfa α. 1. Desintegración Partículas beta negativas 2. Desintegración Partículas beta positivas 3- La captura electrónica CE o captura K

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Se produce una transformación de la estructura del núcleo Esta categoría se puede subdividir: a.Transformaciones NO isobáricas b.Transformaciones isobáricas A: pérdida o ganancia de protones y/o neutrones Z: pérdida o ganancia de protones y /o electrones del núcleo y /o SI cambia NO cambia A Se evidencia en cambio en los números:. A) Por ALTERACION de su ESTRUCTURA NUCLEAR

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La emisión alfa α. Las Partículas alfa: dos protones dos neutrones su masa, A= Número atómico Z= carga eléctrica Son Núcleos de He-4 o catión He Están constituidos por Se simbolizan ó a. Transformaciones NO isobáricas Continúa Transformaciones NO isobáricas

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= 93 + 2 La suma de los Z debe ser igual a ambos lados. Escribe los símbolos atómicos de todos los elementos verifica que: La suma de A debe ser igual a ambos lados. 241 = 237 + 4 acompañada de radiación. La emisión de partículas α es un proceso en el que un núcleo radiactivo Emite par-tículas 42 α Produce un núcleo de otro elemento que: Z disminuye en 2 y A en 4. Americio Neptunio Reglas para escribir ecuaciones nucleares Núcleos reactivos Núcleos padres Núcleos productos Núcleos hijos Continúa Transformaciones NO isobáricas

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Otros ejemplos: Americio Neptunio Rutherforio Seaborgio

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Se conocen tres tipos: 1. Desintegración Partículas beta negativas: Emisión de electrones del núcleo. masa, A= Número atómico Z= ¯ carga eléctrica b. Transformaciones Isobáricas Están constituidos por Se simbolizan ó Continúa Transformaciones isobáricas A no varia

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→ + Continúa Transformaciones isobáricas Aumenta Z n p+ Se emite El protón queda en el núcleo e- Un neutrón es suma de protón más electrón neutralidad. A no varía ¿Cómo se originan los electrones del núcleo? Podemos resumirlo diciendo: un neutrón del núcleo se convierte en un protón y un electrón e- p+

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Otros ejemplos: Continúa Transformaciones isobáricas Protactinio

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2. Desintegración Partículas beta positivas: Emisión de positrones del núcleo. masa, A= + = carga eléctrica tiene propiedades similares a la partícula excepto la carga positiva. Están constituidos por Se simbolizan Número atómico Z= Continúa Transformaciones isobáricas

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n β+ Se emite El neutrón queda en el núcleo A no varía p n β+ Un protón se convierte en un neutrón y un positrón. Podemos resumirlo diciendo: un protón del núcleo se convierte en un neutrón y un positrón Continúa Transformaciones isobáricas → + habitualmente en los núcleos radiactivos más ligeros. Disminuye Z

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Otros ejemplos: Continúa Transformaciones isobáricas

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3- La captura electrónica CE o captura K Un electrón de n = 1 es absorbido por el núcleo convierte un protón en un neutrón emite radiación X. Un electrón de un nivel cuántico más alto cae al nivel de energía dejado por el electrón capturado Disminuye Z Podemos resumirlo diciendo: Produce el mismo efecto que la emisión de positrones Continúa Transformaciones isobáricas n e- e- p e-

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Continúa Transformaciones isobáricas Otros ejemplos:

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Las desintegraciones radiactivas que producen partículas α o β- dejan el núcleo en un estado excitado, se desexcita emitiendo el exceso de energía en forma de radiación electromagnética, rayos γ (gamma). con energías de 4,13 MeV. queda con un exceso de energía de 0,05 MeV, que se emite como rayos γ. La radiación gamma consiste en un cuanto de energía electromagnética, llamado fotón gamma. B) Por DESEXITACION NUCLEAR Disprosio

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El decaimiento de un átomo radiactivo (inestable) se expresa como una reacción química: REACCIÓN NUCLEAR indicando número atómico y másico de cada una de las especies de la reacción.

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Símbolos de otras partículas que partículas elementales radiactivas:

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CARACTERÍSTICAS DE LAS PRINCIPALES PARTÍCULAS Naturaleza Velocidad

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Continúa Masa Carga e interac-ción con cam-pos eléctricos y magnéticos

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Penetración y Alcance Alcance e interacción con la materia orgánica Penetración

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EJEMPLO 1 Escriba las ecuaciones nucleares que representen (a) la emisión de partículas α por 222Rn y (b) la desintegración radiactiva de Bi-215 a Po-2l5. Solución: (a) Identificamos dos de las especies implicadas en el proceso a partir de los datos. El núcleo de emite una partícula α, , como se muestra en la ecuación nuclear La partícula α emitida tiene dos protones, el producto desconocido tiene dos protones menos que Este es el Z del polonio, 84Po. El A del producto se obtiene restando el A de la partícula α a la del isótopo del radón: Adesconocido = 222 - 4 = 218. La ecuación nuclear es: Zdesconocido = 86-2 = 84.

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(b) El bismuto tiene Z= 83 y el polonio 84. se ajusta a estos parámetros:la emisión beta (-) es el único tipo de emisión que conduce a un aumento de una unidad en el número atómico sin cambio en el número de masa. No hay cambio en el número de masa de forma que la partícula debe tener masa cero. El número atómico debe ser Z = 83 — 84 = -1. Sólo una partícula Ejercicio 1: Escriba una ecuación nuclear que represente la emisión de partículas β- por el Solución:

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Ejercicio 3: Escriba las reacciones nucleares, ajustándolas de: (a) Emisión  del (b) Emisión - del (c) Emisión del positrón del Ejercicio 2: Escriba una ecuación nuclear que represente la desintegración de un núcleo radiactivo para producir 58Ni y un positrón. Solución: (a) (b) (c)

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Radiactividad inducida EJEMPLO 2 Escriba una ecuación nuclear para la obtención de 56Mn por bombardeo de 59Co con neutrones. Solución: Se advierte que se produce una partícula junto con el 56Mn. Para encontrar A de una partícula desconocida, debemos restar a la suma de A del primer miembro(60), el A del átomo de Mn . Para la partícula desconocida, A = 59 + 1- 56 = 4. Restando Z del Mn del Z del Co, se obtiene el Z de la partícula desconocida: Z = 27- 25 =2. La partícula desconocida debe tener A = 4 y Z = 2; es una partícula α. Ejercicio 4: Escriba una ecuación nuclear para la obtención de 147Eu por bombardeo de 139La con 12C.

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Ejercicio 5: Escriba una ecuación nuclear para la obtención de 124I por bombardeo de 121Sb con partículas α. También escriba una ecuación para la subsiguiente desintegración de 124I por emisión de un positrón. +  +  +

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Ejercicio 6: Complete cada una de las siguientes ecuaciones nucleares. 74 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) 72 176 17 32 18 38 84 214 83 Bi S Hafnio Plutonio Curio Nobelio Einstenio

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Abundancia natural de los isótopos radiactivos. Todos los isótopos radiactivos naturales de número atómico alto pertenecen a una de las tres series de desintegración radiactiva: Series radiactivas radionuclidios otro elemento Se desintegran No radiactivo Puede ser Radiactivo No sigue desintegrando Se desintegra otro nuclidio que su vez puede volver a emitir y así sucesivamente hasta que se forme un nuclidio que sea estable serie del uranio serie del torio serie del actinio. (La serie del actinio-uranio empieza con el U-235.)

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La cadena de desintegración empieza con hasta que termina con un isótopo estable de plomo, a través de una serie de etapas de emisión α y β- Tarda miles de millones de años

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Serie del U-238 Serie del U-235 Algunos hijos en el esquema de la se-rie radiactiva tienen vidas medias muy cortas, todas están presentes, porque se están formando y descomponiendo constantemente. Probable que en el descubrimiento del radio por Marie Curie en 1898, sólo estuviera presente 1 gramo de Ra-226 en varias toneladas de mineral de U procesado. El mineral también contenía 1 mg de Po, que se detectó pero no se aisló. Los esquemas de desintegración radiactiva pueden usarse para determinar la edad de las rocas (edad de la Tierra). o por captura de electrones Cuando la Tierra se formó, el 40K era más abundante que ahora. Se cree que el alto contenido de argón en la atmósfera (0,934 % en volumen y casi todo como 40Ar) procede de la desintegración radiactiva del 40K. Explican la aparición de algunas sustancias radiactivas en el medio ambiente: se han detectado los isótopos 210Po y en el humo de los cigarrillos. Estos isótopos radiactivos proceden del 238U, se encuentra trazas en los fertilizantes fosfatados. El 40K se descompone por emisión β-

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Ejercicio Nº7:El siguiente paso de la serie es el , emite partícula . Escriba y ajuste la ecuación . Ejercicio Nº8: Las tres últimas etapas de la desintegración del U-235 a Pb-207 están escritas parcialmente a continuación. Complételas Solución: Solución:

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Velocidad de desintegración radiactiva TODAS las reacciones de desintegraciones radiactivas son de primer orden. A = λ N v = k [B] Equivale a A se expresa en átomos desintegrados por unidad de tiempo, Curio (Ci) =Curie= 3,7*1010 emisiones por segundo equivale a 1 gr de Radio La ACTIVIDAD es directamente proporcional a al masa de nuclidio radiactivo. inversamente proporcional al tiempo Becquerelio (Bq) = una emisión por segundo, átomos por segundo o desintegraciones por segundo (des/s) Sus unidades son: 1 Ci = 3,7* 10 10 des por segundo = 3,7* 10 10 Bq Equivalencia de unidades

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Velocidad de desintegración radiactiva Reacción nuclear Reacción química A: actividad = velocidad de desintegración, Equivale v = velocidad de reacción; N es el número de átomos en una muestra; [B]: concentración de reactivo λ: constante de desintegración o constante radiactiva, tiempo -1 k la constante específica de velocidad.

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Ejemplo Una muestra de 106 átomos que se desintegra a la velocidad de 100 átomos por segundo. Calcule λ Datos: N = 1,0*106 y A = 1*102 atomos*seg-1 Ecuación integrada: muestra la variación de los núcleos radiactivos en función del tiempo, es N = N0*e-λt → Despejo N: número de átomos que queda sin desintegrar N0: numero de átomos iniciales (t=0) t: tiempo transcurrido o edad del mineral desde N0 a N

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Ejemplo Una muestra de 106 átomos que se desintegra a la velocidad de 100 átomos por segundo. Calcule λ Datos: N = 1,0*106 y A = 1*102 atomos*seg-1 Ecuación integrada: muestra la variación de los núcleos radiactivos en función del tiempo, es N = N0*e-λt → Despejo N: número de átomos que queda sin desintegrar N0: numero de átomos iniciales (t=0) t: tiempo transcurrido o edad del mineral desde N0 a N

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Tiempo o período de semidesintegración (τ) Tiempo transcurrido para que la cantidad inicial de núcleos se reduce a la mitad Matemáticamente τ es el tiempo transcurrido para N= N0/2 Para calcularlo, en reemplazamos simplificamos resolvemos Despejamos τ τ sólo depende de λ No depende de N Para todas las reacciones de primer orden τ es constante mientras transcurre la reacción

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Cada sustancia radiactiva tiene un periodo de semidesintegración, τ.

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Para entender el concepto de vida media consideremos la gráfica del decaimiento del Sr-90. De la tabla τSr= 27,7 años . La otra mitad (5 g)del Sr-90 se ha convertido: Después de otro período 27,7 a Partimos de 10,0 g de Sr-90 Después de 27,7 a Quedan 5 g de Sr -90 Quedan 2,5 g de Sr-90 ½*5 g decaerán en forma similar. Quedan 1,25 g de Sr-90 50 % 25 % 12,5 % 6,25 % Quedan 0,625 g de Sr-90 Después de otro período 27,7 a

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EJEMPLO 3 El isótopo de fósforo 32P se usa para determinar los caminos seguidos por los átomos de fósforo en los organismos vivos. Su presencia se detecta mediante su emisión de partículas β (a) ¿Cuál es la constante de desintegración para el 32P, en s-1 (b) ¿Cuál es la actividad de una muestra de 1,00 mg de 32P? (c) ¿qué masa de la muestra original de 1,00 mg de 32P quedará después de 57 días? (d) ¿Cuál será la velocidad de desintegración radiactiva después de 57 días? Solución: (a) Para determinar λ busco en la bibliografia o apuntes la ecuación que me permita calcularla en función de los datos que tengo: τ Despejo λ Debo reducir τ de días a segundos: τ = 14,3 días de tabla 1 d = 24 h → 1 h = 60 min → 1 min = 60 seg → Para reducir de días a horas, que fracción debo usar?: Para reducir de horas a minutos, que fracción debo usar?: Para reducir de minutos a segundos, que fracción debo usar?: 1235520 s Continúa Ejemplo Nº3

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(b) Para determinar A busco en la bibliografia o apuntes la ecuación que me permita calcularla en función de los datos que tengo: m= 1 mg de 32P y λ calculada en el punto (a) A = λ N No tengo N. Pero tengo la masa (1*10-3 g) de 32P y puedo calcular N (Nº de átomos) usando el número de Avogadro 1 mol de 32P 6,02 *1023 átomos de 32P 32 g 32P 1*10-3 g 32P X átomos de 32P X =Número de átomos 32P = 0,00100 g * =1,88 * 1019 atomos 32P Reemplazo A = 5,61 * 10-7 s-1 * 1,88 * 1019 átomos =1,05 * 1013 átomos/s A0 = 1,05 * 1013 átomos/s Continúa Ejemplo Nº3 Esta es la actividad inicial o sea

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Continúa Ejemplo Nº3 (c) Este punto puede resolverse de dos modos: Gráfica Analítica Si divido 57 días en τ, encuentro cuantas vidas medias (VM) transcurren en ese tiempo: 57/14,3 = 4,0 vidas medias. (VM) (VM) (VM) (VM) La cantidad que queda luego de 4 VM es (1/2)4 de la cantidad original. ? mg 32P=1,00 mg *(1/2)4 = 1,00 mg*(1/16) = 0,063 mg 32P m es lo que me preguntan: cantidad a los 57 días (4,925*106 s) m0 es la cantidad inicial = 1 mg t = 57 días λ= lo calculamos en (a) = - 2,763 m = 1 mg* anti ln(- 2,763) m= 6,3*10-2 mg de 32P m OBTUVIMOS EL MISMO RESULTADO

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d) A N (A = λ*N), a la masa de 32P. Transcurridos 57 días la masa 32P es dieciséis veces menor En el punto (b) calculamos A0 = 1,05 * 1013 átomos/s A = 6,56 * 1011 átomos/s (VM) (VM) (VM) (VM) N (VM) (VM) (VM) (VM) A A y N dismi-nuyen lo mismo al cabo de cada VM Continúa Ejemplo Nº3

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d) Otra forma de resolverlo Analítica A0 = lo calculamos en (b) t = 57 días λ= lo calculamos en (a) N = 1,05*1013atomo * 6,3*10-2 A = λ*N Si multiplico numerador y denominador del argumento del ln por λ la igualdad no varía La ecuación anterior queda A es la actividad al tiempo t (en este caso 57 días). La despejo de la ecuación anterior A = 6,56 * 1011 átomos/s es la actividad a los 57 días 57 días) Continúa Ejemplo Nº3

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Ejercicio 9: El 131I se usa como marcador en ensayos inmunoradiológicos en sistemas biológicos. Use la información de la Tabla para determinar: (a) la constante de desintegración en s-1; (b) la A de una muestra de 2,05 mg de 131I (c) el porcentaje de 131I que queda después de 16 días; y (d) la velocidad de emisión β- después de 16 días. Puedes realizarlo rápido y sin problemas ¡¡¡¡¡¡ ES IDÉNTICO AL EJEMPLO RESUELTO!!!!!!!!!!!!!!!!!! Ejercicio 10: El 223Ra tiene una vida media de 11,4 días. ¿Cuánto tiempo tardará una muestra de 223Ra en disminuir su actividad hasta el 1,0 % de su valor actual? Gráfica Analítica (VM) (VM) (VM) (VM) QUE SE DEBE DESPEJAR? Lo MISMO que inicial Una pista: ¡¡¡¡LA RESOLUCION PUEDE SER !!!

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Una de las principales aplicaciones cinética de las reacciones nucleares DATACION DETERMINAR LA EDAD Fósiles Rocas (la tierra) Datación con carbono radiactivo En la alta atmósfera Rayos cósmicos Nitrógeno-14 Pierde 1 protón Captura neutrón Carbono-14 Los tres isótopos de carbono: C-12; C-13; C-14 (radiactivo) son absorbidos por los seres vivos Suelo Luego de la muerte, tejidos y huesos pierden C-14 , que cambia a N-14, por desintegración β La actividad del 14C de un ser muerto (interrumpe el equilibrio con el medio ambiente) y la A de C-14 disminuye La actividad del 14C de un ser vi-vo (en equilibrio con el medio am-biente) es constante e igual a 15 des/(min*g C)

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Reacción de formación del C-14 Reacción de desintegración del C-14 La concentración de C-14 en la atmósfera es constante e igual a un átomo de C-14 por cada 1012 átomos de C-12 Le corresponden una actividad de 15 des/min* g C Los seres vivos mantienen esta concentración hasta el momento de su muerte, cuando interrumpe su intercambio con su entorno A0 = 15 des/min

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EJEMPLO 4: Un objeto de madera encontrado en un enterramiento indio se somete a la datación con C-14. La actividad es 10 des min-1 g-1, ¿Cuál es la edad del objeto, (el tiempo transcurrido desde que el árbol fue cortado)? Solución: necesitas λ, ya aprendiste a calcularlo en el ejemplo Nº 3 λ= 0,693/5730 a = 1,21 *10-4 a-1 Para determinar la edad, busco en la bibliografia o apuntes la ecuación que vincule mis datos (las actividades) con el tiempo muerte del ser vivo Edad: tiempo transcurrido desde hasta Momento en que se extrae y analiza el fósil — 0,41 = —(1,21 *10-4 a-1)*t

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Recuerdo lo aprendido de vida media (τ), sabiendo que τ del C-14 es 5730 años Limite de detección Máxima edad registrable por C-14 Para determinar edades mayores (edad de las rocas) debo usar un isótopo cuyo τ sea mayor

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Ejercicio 11: ¿Cuál es la edad de una momia, sabiendo que la actividad del 14C es 8,5 des min-1 g-1? necesitas λ, ya aprendiste a calcularlo en el ejemplo Nº 3 λ= 0,693/5730 a = 1,21 *10-4 a-1 muerte del ser vivo Edad: tiempo transcurrido desde hasta Momento en que se extrae y analiza el fósil — 0,568 = —(1,21 *10-4 a-1)*t A0 = 15 des/(min*gC)

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Ejercicio 12: ¿Cuál es la actividad actual, en des min-1 g-1 de un objeto de madera de 1100 años de edad? necesitas λ, ya aprendiste a calcularlo en el ejemplo Nº 3 λ= 0,693/5730 a = 1,21 *10-4 a-1 muerte del ser vivo Edad: 1100 anos desde hasta Momento en que se extrae y analiza el fósil A = 0,875* 15 des*min-1*g-1 =13,131 des*min-1*g-1 A0 = 15 des/(min*gC)

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Energías implicadas en las reacciones nucleares Las masas de los núcleos son siempre menores que la suma de las masas de los nucleones individuales de los componen. Ejemplo. el núcleo de He tiene una masa de 4,00150 umas. La suma de los nucleones que componen el núcleo Dos protones (2 x 1,00728) Dos neutrones (2 x 1,00867) Masa total de los nucleones del He2+ 4,03190 umas + Masa total de los nucleones individuales del He2+ > La masa del núcleo de He armado 4,03190 umas > 4,00150 umas. El núcleo de He-4 acusa un defecto de masa (∆m) Δm = (4,03190 - 4,00150)= 0,03040 umas

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Defecto de masa es la cantidad de materia que se convierte en energía cuando a partir de las partículas subatómicas elementales se forma el átomo. Se calcula: la diferencia entre la masa del átomo y la suma de las masas de sus protones, neutrones y electrones. Esta masa se convirtió en ENERGÍA de acuerdo a la ecuación de Einstein. Δm (umas) = masa de la suma de partículas individuales masa del núcleo armado -

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∆E: energía que mantiene unidos a los nucleones, en particular los protones que por tener cargas eléctricas del igual signo y a distancia tan cercana, se repelen. Es la energía que cuesta armar un átomo. Se mide en Joules y megaelectronvoltio (MeV), ∆m es el defecto de masa en Kg y c es la velocidad de la luz, c = 2,9979 * 108 m/s. Ecuación de Einstein (1 eV = 1,6022 *10-19 J) 1 MeV = 1,6022 *10-13 J

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Es útil la equivalencia entre unidades de masa atómica (uma) y julios (J). Basamos el cálculo en el carbono-12 Calculamos la masa, en g, de 1 uma: 6,02*1023 átomos de 12C 12 g 1 átomos de 12C x g x = = 1,9933*10-23 g 1 átomo de 12C pesa 12 umas 1,9933*10-23 g 1 uma x g x = = 1,6606 * 10-24 g Convirtiendo este valor de m en kilogramos y usándola en la Ecuación de Einstein equivalente de energía de 1 uma es: 1 (uma) = 1,4924 *10-10 J

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En MeV, 1 (uma) = 1,4924 *10-10 J * = 931,5 MeV (16) el equivalente de energía de 1 uma es: 1 (uma) = 1,4924 *10-10 J EJEMPLO 5: ¿Cuál es la energía, en J y en megaelectronvoltios, asociada con la emisión α del 238U? → + Las masas (atómicas) de los nuclidos en unidades de masa atómica (uma) se obtienen de la tabla del final: 238,0508 uma 234,0437 uma 4,0026 uma Solución: El defecto de masa que acompaña a la desintegración de un único núcleo de 238U es. ∆m = masa nuclear de + masa nuclear de — masa nuclear de = ∆m = [234,0437 uma] + [4,0026 uma ] – [238,0508 uma ] = -0,0045 uma

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Podemos utilizar esta pérdida de masa y los factores de conversión ∆E = —0,0045 uma * [(1,49 * 10-10 J)/uma] = - 6,7 * 10-13 J ∆E= —0,0045 uma * (931,5 MeV/u) = —4,2 MeV El signo negativo indica que la reacción nuclear desprende energía: la energía cinética de la partícula α emitida

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Ejercicio 13: ¿Cuál es la energía asociada con la emisión α del 146Sm (145,913053 uma) a 142Nd (141,907719 uma)? Utilice 4,002603 uma como la masa atómica de 4He. Ejercicio 14: La desintegración del 222Rn por emisión de partículas α va acompañada por la pérdida de 5,590 MeV de energía. ¿Qué masa, en unidades de masa atómica (uma), se convierte en energía en este proceso?

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ENERGÍA DE ENLACE. En el proceso de formación de un átomo de He, hay un defecto de masa de 0,0305 uma: la masa de un núcleo de determinada experimentalmente es 0,0305 uma menor que la masa total de dos protones y dos neutrones. Se calcula que 0,0305 uma equivale a 28,4 MeV. Ésta es la energía liberada al formarse un núcleo de tendría que absorber 28,4 MeV para la separación de sus protones y neutrones. Se llama energía de enlace nuclear. La energía de enlace por cada nucleón =28,4 MeV/4=7,10 MeV. Cálculos semejantes para otros núcleos dan lugar a los datos necesarios para representar el gráfico que se muestra en la Fig La energía de enlace nuclear está repartida igualmente en los dos protones y los dos neutrones del

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Conclusiones: (1) si núcleos pequeños se combinan para dar un núcleo más pesado (hasta alrededor de A = 60), la energía de enlace por nucleón aumenta y cierta cantidad de masa se convierte en energía. (2) Los núcleos con A > 60, la desintegración de los núcleos más pesados en otros más ligeros, va acompañada por un aumento de energía de enlace por nucleón, produciendo núcleos mas estables. La energía de enlace aumenta al aumentar A, cuando A pasa de 60 la energía de enlace por nucleón decrece. La fuerza nuclear atractiva es de corto alcance, una vez que se supera ese alcance domina la fuerza electrostática repulsiva y en consecuencia la energía de enlace nos permite predecir si producimos la fusión o la fisión nuclear.

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Estabilidad nuclear Para que el núcleo sea estable se requiere algún tipo de atracción que de lugar a una fuerza entre sus partículas constituyentes que supere la fuerza de repulsión eléctrica entre sus protones. Fuerza nuclear fuerte Es la interacción que se establece entre los nucleones Es de muy corto alcance, sólo se nota a distancia de unos 10-15 m o menores (del tamaño del núcleo). No depende de la carga eléctrica, se presenta tanto entre protones como neutrones o protón neutrón. Es una fuerza atractiva, aunque a distancias mucho más pequeñas que su alcance resulta repulsiva. Es una fuerza de gran intensidad, mayor que la electromagnética. Fuerza nuclear débil Es la interacción que interviene en los procesos de desintegración de partículas elementales (como la del neutrón en la desintegración beta). Es de alcance más corto que la fuerza nuclear fuerte, unas 1013 veces menor.

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Estabilidad nuclear El núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumen total de un átomo, pero contiene la mayor parte de la masa del mismo porque tanto los protones como los neutrones se encuentran allí. La estabilidad de los núcleos atómicos queda determinada por su densidad, que informa acerca de la fuerza de unión de las partículas. La densidad del núcleo es tan grande que obliga a pensar que las partículas se encuentran extremadamente juntas. Son importantes las fuerzas de repulsión de tipo coulombiana que operan entre las partículas de igual signo, como son los protones. Sin embargo, además de la repulsión, existen también atracciones de corto alcance entre protón-protón, protón-neutrón, neutrón-neutrón. La estabilidad de cualquier núcleo está determinada por la diferencia entre la repulsión coulombiana y las atracciones de corta distancia. Si la repulsión sobrepasa la atracción, el núcleo se desintegra, emitiendo partículas y/o radiación. Si la atracción prevalece, el núcleo es estable.

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Continúa Factores que influyen en la estabilidad de un núclido Los isótopos de los elementos que tienen número atómico mayor de 83 son radiactivos, como también lo son los isótopos del tecnecio (z=43) y del prometio (z=61). Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 ó 126 protones o neutrones en general son estables. Estos números se llaman números mágicos. La importancia de estos para la estabilidad nuclear es similar a la que presentan los gases nobles en su casi nula reactividad química. Los núcleos con número par de protones y neutrones son, por lo general, más estables que los que tienen números nones de estas partículas. Un factor importante para determinar si el núcleo es estable es la relación neutrón - protón (n/p). Para átomos estables de elementos de bajo número atómico, el valor de n/p es cercano a 1. A medida que el número atómico aumenta, la relación n/p también aumenta y, por supuesto, es superior a 1. Esta desviación se da en los elementos de números atómicos altos porque se necesita un mayor número de neutrones para estabilizar al núcleo, contrarrestando la fuerte repulsión entre los protones. Los elementos más estables se encuentran en el área que se denomina el cinturón de estabilidad. Cabe notar que los elementos de bajo número atómico, (donde la relación de n/p es 1) caen en el cinturón de estabilidad, comprobando lo que se había asegurado anteriormente. La mayor parte de los núcleos radiactivos se encuentran fuera de este cinturón. El gráfico del número de neutrones (en la ordenada) contra el número de protones (en la abscisa) de varios isótopos, muestra la ubicación de los elementos y permite observar qué núclidos son integrantes del cinturón de estabilidad.

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Arriba del cinturón de estabilidad el núcleo tiene una relación n/p mayor que en aquellos que se encuentran dentro del cinturón. Para disminuir esta relación y de esta manera descender al cinturón de estabilidad, estos núcleos deberán emitir partículas beta. Los núcleos que se encuentran bajo el cinturón de estabilidad tienen una relación n/p menor que los que están en el cinturón, y para incrementar dicha relación, estos núcleos deberán emitir un positrón o bien capturar electrones.

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TIPOS DE REACCIONES NUCLEARES: REACCIÓN DE FISIÓN Es el proceso por el cual un núcleo pesado (A > 200), se divide para formar núcleos más pequeños de masa intermedia (más estables) y uno o más neutrones. Los núcleos pesados son menos estables que sus productos, este proceso libera gran cantidad de energía. La fisión del U-235: cuando un núcleo de U-235 captura un neutrón sufre fisión para dar lugar a dos núcleos más pequeños. En promedio se emiten 3 neutrones por cada átomo de U-235:

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La fisión del U-235: cuando un núcleo de U-235 captura un neutrón sufre fisión para dar lugar a dos núcleos más pequeños. En promedio se emiten 3 neutrones por cada átomo de U-235: La energía equivalente a la masa destruida en una fisión es variable, pero la energía media es aproximadamente 3,20 *10-11 J (200 MeV) por cada núcleo. Si calculamos la energía para la fisión de 1,00 g de 1 mol de 235U pesa 235 g 1,93*1011 kJ 1 g x kJ x = = 8,2*109 kJ ¡Esta es una cantidad de energía enorme! Para desprender la misma cantidad de energía se necesita la combustión completa de casi tres toneladas de carbón. Como la energía de enlace por nucleón para el U-235 es menor que la suma que las energías de enlace del Sr-90 y Xe-143, cuando un núcleo de U- 235 se divide en dos núcleos más pequeños, se libera cierta cantidad de energía.

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Reacciones en Cadena: Se produce una reacción en cadena cuando el material o energía que inicia la reacción es también uno de sus productos. Un neutrón inicia la fisión de un primer núcleo de U-235, y cuando esa fisión ocurre se liberan 2 o 3 neutrones, que pueden a su vez ser iniciadores de la fisión de otros núcleos de U-235. Estos vuelven a emitir neutrones que causan fisión a más núcleos de uranio, esta es una reacción en cadena que continuará hasta que todos los átomos de U-235 se hayan fisionado o hasta que los neutrones dejen de impactar en núcleos de uranio. La fisión conduce a una explosión incontrolada solamente si la cantidad de 235U supera la masa crítica. Este es el fundamento de la bomba atómica. La masa crítica es la cantidad de material radiactivo suficientemente grande como para retener los neutrones necesarios que mantengan la reacción en cadena.

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a) Si la masa del U-235 es subcrítica, cantidades menores a la masa crítica. No se produce reacción en cadena. Muchos de los neutrones producidos se escaparán hacia los alrededores a velocidad demasiado grande para producir la reacción en cadena b) Si la masa es critica, muchos de los neutrones serán capturados por los núcleos de U-235 y se presenta una reacción en cadena sin control. La presencia de neutrones extraviados en la atmósfera hace imposible evitar la reacción en cadena de una masa de material fisionable cuyo tamaño exceda la masa crítica. Una vez que se tiene la masa crítica el proceso no puede volver atrás. .

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2) REACCIÓN DE FUSIÓN: Núcleos livianos se unen para formar núcleos más pesados y estables. La energía de enlace por nucleón aumenta para elementos livianos, la estabilidad nuclear aumenta al aumentar el número de masa, se liberará una cantidad apreciable de energía en el proceso. En el sol (compuesto de hidrógeno y helio) se llevan a cabo reacciones de fusión: La base de la bomba de hidrógeno es la reacción de fusión no controlada. Una reacción de fusión controlada, podría proporcionar una fuente casi ilimitada de energía. La reacción nuclear que constituye la promesa más inmediata es la reacción del deuterio-tritio. + → +

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ESTABILIDAD NUCLEAR Un núcleo se considera estable si no se transmuta en 1021años, si bien puede transmutarse en otros núcleos bajo ciertas condiciones. Hay 115 elementos químicos conocidos, de los cuales, 92 existen en la naturaleza y el resto ha sido obtenido artificialmente. Se conocen hoy en día unos 2000 nucleidos, de los cuales son estables 274. Unos 340 existen en la Naturaleza y el resto se han producido en el laboratorio. Por tanto, la mayoría de los nucleidos son radiactivos. Los nucleidos radiactivos son inestables y se transforman espontáneamente con el tiempo formando otros nucleidos. Se presenta a continuación una clasificación de los nucleidos estables atendiendo al número par o impar de sus nucleones: TABLA DE NUCLEIDOS ESTABLES Solo hay cuatro nucleidos estables con Z y N impar, mientras que hay 165 nucleidos estables con Z y N par lo que hace suponer que: Puesto que el número de nucleidos estables es máximo cuando Z y N son pares, debe haber una tendencia a formar pares protón-protón y neutrón-neutrón y puesto que solo hay cuatro nucleidos estables con Z y N impares, un protón no tiende a parearse con un neutrón. El número de nucleidos estables con Z o N impar es la tercera parte de los nucleidos con Z y N pares, lo que indica la posibilidad de que el comportamiento de los neutrones y protones sea similar y que la naturaleza de la carga de los nucleones sea independiente de la estabilidad.

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PORQUE LOS NÚCLEOS SON INESTABLES CRITERIOS DE ESTABILIDAD Los elementos de Z mayor de 83, tienen núcleos inestables, es decir, son radiactivos. Sus núcleos inestables emiten espontáneamente radiación de naturaleza penetrante, por ello se denominan elementos radiactivos. Ejemplos torio y radio Algunos isótopos de elementos ligeros son radiactivos: carbono-l4, mientras carbono- 12 y carbono-l3, no son radiactivos

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(radiactivo) bombardeo forma rayos cósmicos

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Una de las principales aplicaciones cinética de las reacciones nucleares DATACION DETERMINAR LA EDAD Fósiles Rocas (la tierra) En la alta atmósfera La concentración de C-14 en la atmósfera es constante e igual a un átomo de C-14 por cada 1012 átomos de C-12 La actividad del 14C de un ser vi-vo (en equilibrio con el medio am-biente) es constante e igual a 15 des/(min*g C) La actividad del 14C de un ser muerto (interrumpe el equilibrio con el medio ambiente) y la A de C-14 disminuye Datación con carbono radiactivo A0 = 15 des/(min*gC)

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