Nucleos Atómicos y Radiactividad: Propiedades, Tipos y Aplicaciones, Resúmenes de Química

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Nociones básicas El núcleo atómico Radiactividad ‐   :      XA Z Z : Número atómico (protones) en el núcleo N : Número de neutrones en el núcleo partícula Masa (uma) Energía (MeV) Carga (C)               A = Z + N: Número másico protón 1,00728 938,259 +1,6×10-19 neutrón 1,00867 938,553 0 electrón 5,486×10-4 0,511 - 1,6×10-19 1 uma = 1 66×10‐27 kg = 931 5 MeV/c2 (E =mc2) Isótopos: igual Z, ejemplos: 1H, 2H y 3H Isótonos: igual N ejemplos: 10Be 11B y 12C     ,     ,         ,    ,      Isóbaros: igual A, ejemplos: 40K y 40Ca  Estabilidad nuclear La masa de un núcleo X(Z A) es siempre menor que la Radiactividad   .          ,  ,  ,            suma de las masas de los nucleones (protones y neutrones) que lo forman:  ),(),( b 2 n 2 p 2 nuc AZEcmNcmZcAZM −+= Energía de enlace nuclear Eb (Z ,A) es la energía que hay que suministrar para ),()( b 2 n 2 p AZEcmZAcmZ −−+=                         separar el núcleo en Z protones y N neutrones libres. 2 nucn 2 pb ))(( cMmZAcmZE −−+= A ≥ 20:  Función suave ∼ constante de  la energía de enlace por nucleón Eb/A A < 20: incremento brusco de Eb/A O y C Be, He, :picos 16 8 12 6 8 4 4 2 Valor máximo Eb/A alrededor de A =  60 (8,7 MeV/nuc para el Fe) Masa atómica y masa nuclear Si t t l ú l t d l Radiactividad )e (),(),( - elec 2 e 2 nuc 2 at - ZEcmZcAZMcAZM −+= ‐         :    enemos en cuen a que e  n c eo es una par e  e   átomo: Eelec (Z e ‐) : energía de enlace de los electrones (del orden de eV) Eelec (Z e ‐) << Eb (Z ,A) por lo tanto es despreciable )()( ),()(),( 22 b 2 n 2 e 2 p 2 at - AZEcmZAcMZ AZEcmZAcmZcmZcAZM + −−++= ,bnH −−= :HM masa atómica del hidrogeno D f t d )()( ZAMZAZMΔ 2 atn 2 Hb ))(( cMmZAcMZE −−+= e ec o e masa: nHat , mm −−−= 2)( AZE Δb , cm−= Radiactividad Ejemplo: Sabiendo que la masa atómica de helio, , es de 4.0026 uma, calcular su defecto de masa y energía de enlace. He4 2 nHat )(),( mZAMZAZMm −−−=Δ uma)00867.1200783.12(uma0026.4 ×+×−=Δm uma03040=Δm .− 2)( cmAZE Δ MeV 5931uma03040)( ×AZEb , −= uma . .,b = MeV32.28),(b =AZE La energía de enlace por nucleón será: MeV087 ),(b = AZE . A D i t ió lf ( ) i ió d l ú l 4H Radiactividad ‐ es n egrac n a a α o em s n e n c eo e: α+→ − YX 4 2 A Z A Z − Energía liberada: [ ] 24 2at 4 2atat He)(Y)()X( cMMMQ A Z A Z −−= − − totp r se conserva α−== PPP YX 0 αPP Y = m P E 2 2 c =Energía cinética: YE m E Yα YE A E 4− ≈α m cc α = cc 4 D i t ió lf ( ) i ió d l ú l 4H Radiactividad ‐ es n egrac n a a α o em s n e n c eo e: ⎪⎪ ⎧ − ≈ Q A E 4αConservación de la energía: ⎪ ⎪ ⎩ ⎨ ≈ Q A E A Y 4 c c YEEQ cc += α la dedel y partícula la decinética energía laDeterminar 234α ThEjemplo: .ThUción desintegra 234 90 238 92 α+→ Datos: MU‐238= 238.0508 uma, MTh‐234= 234.0436 uma y Mα= 4.0026 uma. MeV285.4 uma MeV 5.931uma)0026.40436.2340508.238( =×−−=Q ⎪⎪ ⎨ ⎧ ≈≈ MeV213.4 238 234 c QEα ⎪ ⎪ ⎩ ≈≈ keV 72 238 4 c QEY ó β Radiactividad ‐ Desintegraci n ‐: υβ ++→ −pn proviene de la transformación de un neutrón en un protón νβ ++→ −YX AAEl proceso es: antineutrino +1ZZ [ ] 2AA 1atat Y)()X( cMMQ ZZ +−=Energía liberada: νβ ++→ −PaTh 234 91 234 90 Ejemplo: uma MeV 5.931uma)0433.2340436.234( ×−=Q keV 280=Q Di t ib i éti d l tí l β Radiactividad ‐ s r uc ones energ cas e as par cu as ‐ maxcE E El hecho de que la energía cinética de los β‐ sea inferior a EC max sugiere la existencia de otra partícula que se emite junto con el electrón y se lleva parte c de la energía. D i t ió β+ i d l t f ió d tó t ó Radiactividad ‐ es n egrac n : υβ ++→ +np prov ene  e  a  rans ormac n  e un pro n en un neu r n neutrino νβ ++→ +YX 1 A Z A Z El proceso es: − [ ] MeV022.1Y)()X( 2 1atat −−= − cMMQ A Z A Z Energía liberada: νβ ++→ +BC 11 5 11 6 Ejemplo: MeV1.022 - uma MeV 5.931uma)0093.110114.11( ×−=Q keV 934=Q D i t ió d l f ó d ú l d é Radiactividad ‐ es n egrac n γ: proviene e a trans ormaci n e un n c eo en esta o energ tico excitado (o metaestable) hacia otro estado menos excitado o hacia su estado fundamental. El 60Co es un emisor β‐        El 210Bi es un emisor α Radiactividad ‐Reacciones nucleares: proporcionan información sobre los núcleos. Notación: a + X → Y + b   o bien: X(a,b)Y En 1919 Rutherford utilizando partículas alfa transmutó por primera vez el nitrógeno  en oxígeno: pON +→+ 1714 α OpN 1714 ),(α Muy importante: En las reacciones nucleares se tienen que cumplir las leyes de  conservación de carga, cantidad de movimiento, número másico, energía…  La cantidad de energía absorbida o emitida en una reacción se llama Q de la reacción: Q = (mX + ma −mY −mb) c 2 Q > 0 : reacción exoenergética, se libera energía. Q < 0 : reacción endoenergética, hay que aportar energía para que ocurra.   No puede tener lugar por debajo de una determinada energía umbral                    . Radiactividad ‐Datación por 14C : es una técnica para conocer la edad de muestras orgánicas de menos de 60.000 años. El 14C se produce a un ritmo casi constante en la atmósfera debida a la interacción de neutrones cósmicos con el nitrógeno: pCNn +→+ 14 6 14 7 El 14C se comporta químicamente igual que el 12C, puede formar parte del CO2 que respiran los seres vivos y que las plantas utilizan para realizar la fotosíntesis en una proporción: 121214 10)/( −≈CC Cuando los organismos vegetales o animales mueren, cesa el reemplazo del carbono de sus tejidos. 66 inicial añosTNC 5730, 2/1 14 7 14 6 =++→ − νβ ) )2ln( exp()/()/( 2/1 12 6 14 6 12 6 14 6 T t CCCC inicial −= 2ln)/( )/( ln 2/1 12 6 14 6 12 6 14 6 T CC CC t inicial ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ = i ió l Radiactividad ‐F s n nuc ear: En la fisión del 235U se libera ~ 1 MeV/nuc, por ejemplo en la reacción: Q 200 MeVnKrBaUUn 392141236235 ++→→+     Distribución de los      productos de fisión del   235U i ió l Radiactividad ‐F s n nuc ear: para mantener una reacción en cadena en un reactor alguno de los neutrones emitidos en la fisión debe ser capturado por otro núcleo fisionable. La constante de reproducción k de un reactor se define como el número medio de neutrones de cada fisión que producen una fisión posterior. ‐ k < 1 no hay reacción en cadena ‐ k = 1 reacción autosostenida k 1 ió f d l‐ > reacc n uera e contro Para regular k se añade en el núcleo del reactor un moderador (como agua o b )car ono . l Radiactividad ‐ Reactores nuc eares: reactores de agua a presión. Barras de control de Cd l Radiactividad ‐ Reactores nuc eares: