Física nuclear. Núcleo atómico

Transcripción

1 Física nuclear La configuración de los electrones de un átomo determina si este puede unirse a otros para formar compuestos y la manera para hacerlo. Además, los electrones causan efectos tales como la emisión y absorción de fotones, efecto fotoeléctrico, Compton, etc. Pero qué nos dice el núcleo atómico? Núcleo atómico Si comparáramos a un átomo con un estadio de futbol, el núcleo sería la pelota. El núcleo atómico fue descubierto por Rutherford en el año de 1911, cuando se reemplazó el modelo del panqué con pasas de Thomson. Aun así, Rutherford propone un núcleo como solo una partícula positiva. Años después se descubrieron los nucleones, que son las partículas que forman a los núcleos atómicos, y no son otra cosa más que los protones y los neutrones. Ahora sabemos que estas mismas partículas son también compuestas y su estructura es de quarks (de hecho, combinaciones de up y down). Además, el núcleo tiene las siguientes características: La masa de un neutrón es aproximadamente la de un protón, por lo que decimos que los nucleones tienen la misma masa. Aun así, la masa del neutrón es ligeramente mayor a la del protón, numéricamente son kg y kg, respectivamente. Comparando con la masa del electrón, kg, es justo decir que los nucleones tienen casi 2000 veces la masa de un electrón. Esto nos lleva a la conclusión de que la masa de un átomo es, aproximadamente, la masa del núcleo.

2 Los núcleos tienen carga positiva la cual es completamente debida a los protones cuya carga es +e, es decir, de igual magnitud que la del electrón pero de signo contrario. Los neutrones son neutros, esto es que no tienen carga eléctrica. De esta forma, dado a que los átomos son generalmente neutros en la naturaleza, el número de electrones de un átomo debe ser igual al número de protones de su núcleo. Si el núcleo está compuesto de partículas positivas y neutras, es natural preguntarse por qué no se repelen eléctricamente? La razón es que estas partículas están unidas por una fuerza de mayor magnitud que la eléctrica: la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza tiene las siguientes características: Al igual que en la fuerza eléctrica, esta interacción también se da entre partículas cargadas solo que de un tipo de carga diferente que es llamada carga de color. Los objetos son neutros en la naturaleza pero nos referimos a ellos como blancos. Esta fuerza es de corto alcance, esto significa que solo existe a distancias muy cortas, como las del tamaño del núcleo atómico o menores, a diferencia de la fuerza eléctrica cuyo alcance es infinito. Por otro lado, los protones definen al átomo. Esto significa que el número de protones en el núcleo es el que determina qué clase de elemento es. Por ejemplo, el hidrógeno tiene solo un protón y todos los átomos que tengan solo un protón serán hidrógeno; todos los átomos con 6 protones siempre serán carbono y así para todos. Aquí quizá notamos algo: el número de protones coincide con el número atómico Z que es el número que identifica a los elementos en la tabla periódica. Entonces el número de protones en el núcleo determina la clase de átomo y se identifica como el número atómico de ese elemento. El número de neutrones que hay en el núcleo no tiene un efecto directo en la estructura electrónica y, por ello, no afecta a la química del átomo. La función principal de los neutrones tiene que ver con mantener al núcleo junto o la desintegración nuclear. Podemos asociar el número de neutrones en el núcleo con el número de masa o número másico A que se define de la siguiente forma A = Z + número de neutrones y este número de masa es aproximadamente igual a la masa atómica de las tablas periódicas. Cabe mencionar que el primer elemento de la tabla periódica, el hidrógeno, no tiene neutrones mientras que, a partir del helio, Z = 2 tiene igual número de neutrones que de protones hasta el plomo, Z = 82. En otras palabras, desde el helio hasta el plomo se cumple que A = 2Z. A partir del bismuto, Z = 83, el número de neutrones es mayor que el de protones. Esto se debe a que, entre más protones se quiera tener en el núcleo, se necesita más fuerza para mantenerlo unido, por eso es necesario más neutrones.

3 Isótopos Cuando un átomo no es neutro, esto significa que tiene mayor o menor número de electrones que en su estado natural (los protones no pueden variar dado a que sería un elemento diferente), se le denomina ión. Si un átomo tiene más electrones que protones entonces tiene una carga neta negativa y, por tanto, es un ión negativo. Si tiene menos electrones que protones entonces su carga neta es positiva y es un ión positivo. Pero si lo que cambia es el número de neutrones entonces a ese átomo se le denomina isótopo. Se denominan isótopos a los átomos de un mismo elemento cuyos núcleos tienen una cantidad diferente de neutrones, y por lo tanto, difieren en masa. La mayoría de los elementos químicos poseen más de un isótopo. Solamente 21 elementos (ejemplos: berilio, sodio) poseen un solo isótopo natural; en contraste, el estaño es el elemento con más isótopos estables. Todos los isótopos poseen igual número atómico pero difieren en el número másico. Si el número de protones y de neutrones no es la apropiada para obtener la estabilidad nuclear, el isótopo es radiactivo. Existen dos tipos de isótopos: Isótopos naturales que son los que se encuentran en la naturaleza de manera natural, por ejemplo el hidrógeno tiene tres isótopos naturales, el protio que no tiene neutrones, el deuterio con un neutrón, y el tritio que contiene dos neutrones, el tritio es muy usado en labores de tipo nuclear este es el elemento esencial de la bomba de hidrógeno. Otro elemento que contiene isótopos muy importantes es el carbono, en el cual está el carbono 12, que es la base referencial del peso atómico de cualquier elemento, el carbono 13 que es el único carbono con propiedades magnéticas y el carbono 14 radioactivo, muy importante ya que su tiempo de vida media es de 5730 años y es muy usado en la arqueología para determinar la edad de los fósiles orgánicos. Isótopos artificiales que son fabricados en laboratorios nucleares con bombardeo de partículas subatómicas, estos isótopos suelen tener una corta vida, en su mayoría por la inestabilidad y radiactividad que presentan, uno de estos es el Cesio cuyos isótopos artificiales son usados en plantas nucleares de generación eléctrica, otro muy usado es el Iridio 192 que se usa para verificar la que las soldaduras de tubos estén selladas herméticamente, sobre todo en tubos de transporte de crudo pesado y combustibles, alguno isótopos del Uranio también son usados para labores de tipo nuclear como generación eléctrica o en bombas atómicas con principio de fisión nuclear. Los isótopos se subdividen en isótopos estables (existen menos de 300) y no estables o isótopos radiactivos (existen alrededor de 1200). El concepto de estabilidad no es exacto, ya que existen isótopos casi estables. Su estabilidad se debe al hecho de que, aunque son radiactivos, tienen una semivida extremadamente larga comparada con la edad de la Tierra.

4 Radiactividad La radiactividad es un fenómeno que consiste en la desintegración espontánea o decaimiento de los núcleos atómicos de ciertos elementos, acompañado de la emisión de partículas o radiaciones electromagnéticas. La radiactividad se presenta en los elementos más pesados de la tabla periódica, a partir del elemento 83 que corresponde al bismuto, o en los isótopos inestables. El físico francés Becquerel fue el primero en descubrir la radiactividad al observar que el uranio producía un tipo de rayos capaz de atravesar varias hojas de papel negro e impresionar una placa fotográfica colocada al otro lado. Dichos radios invisibles pero penetrantes, emitidos por estos elementos, recibieron el nombre de rayos Becquerel. El estudio del nuevo fenómeno y su desarrollo posterior se debe casi exclusivamente al matrimonio de Marie y Pierre Curie, quienes encontraron otras sustancias radiactivas: el torio, el polonio y el radio. La intensidad de la radiación emitida era proporcional a la cantidad de uranio presente, por lo que Marie Curie dedujo que la radiactividad es una propiedad atómica. Ella también notó que el fenómeno de la radiactividad se originaba exclusivamente en el núcleo de los átomos radiactivos. Al estudiar la radiación emitida por el radio, se comprobó que era compleja, pues al aplicarle un campo magnético parte de ella se desviaba de su trayectoria y otra parte no. Por estos estudios se le denominó a este fenómeno como radiactividad que hace referencia al comportamiento del radio. Rutherford encontró que los rayos Becquerel eran de tres tipos: rayos α, rayos β y rayos γ, usando las primeras letras del alfabeto griego. Haciendo experimentos donde se someten a estos rayos a campos eléctricos, se encontró que los rayos α eran de carga positiva, los β negativa y los γ neutros. De hecho sabemos que los rayos α corresponden a núcleos de helio, es decir, dos protones y dos neutrones juntos. Los rayos β no son otra cosa que electrones comunes. Los rayos γ, por su parte, son radiación electromagnética de mayor energía que los rayos X. Mediante el empleo de potentes aceleradores de partículas se puede producir radiactividad artificial. Esto se logra al activar cuerpos por medio de bombardeos atómicos hasta convertirlos en isótopos radiactivos. También es posible producir radiactividad inducida cuando un cuerpo inactivo se encuentra cerca de un cuerpo radiactivo.

5 Desintegración radiactiva Uno de los factores que limitan el número de núcleos atómicos estables diferentes que pueden existir es la inestabilidad del neutrón. Un neutrón solitario se desintegra espontáneamente en un protón más un electrón (y un antineutrino para balancear la energía). Esto es el decaimiento beta. La mitad de un conjunto de neutrones solitarios se desintegrará en un lapso de 11 minutos, esto es su vida media. Debido a esto, un neutrón solitario es radiactivo. Las reglas de la radiactividad en el interior de los núcleos atómicos están regidas por la equivalencia entre la masa y la energía. Las partículas se desintegran solo si los productos finales de la desintegración tienen menos masa que antes. La masa de un neutrón es ligeramente mayor a la del protón, incluso si a este se le suma la del electrón (podemos considerar a los antineutrinos como partículas sin masa). Así pues, en el decaimiento beta, el neutrón se desintegra porque al final la masa es menor. Por último, cuando ocurre el decaimiento beta del neutrón, dado a que se produce un protón, el núcleo original se convierte en un núcleo de otro elemento con un número atómico mayor. De hecho su nombre se debe a que primero fue observado el fenómeno donde un núcleo atómico emitía una partícula β mientras se convertía en un núcleo de otro elemento.

6 Preguntas 1. Qué características tienen los nucleones? 2. Contiene tu cuerpo más neutrones que protones? Y más protones que electrones? Explica tu respuesta. 3. Explica la diferencia entre un ión y un isótopo. 4. En qué condiciones es inestable un neutrón? 5. Cuando un átomo sufre una desintegración radiactiva, se convierte en un átomo totalmente distinto? 6. Qué le ocurre al número atómico de un átomo cuando este emite una partícula α? Qué le ocurre a su número de masa? 7. Investiga si puede ocurrir el efecto contrario del decaimiento beta, es decir, si un protón puede convertirse en un neutrón. Bibliografía 1. Hewitt, Paul G. Física Conceptual, México, 9ª. Edición., Pearson Educación, Pérez Montiel, Héctor. Física General, México, Grupo Editorial Patria. 3. Imágenes: Wikipedia y autoría personal.