PPTCEL002QM11-A16V1 Clase. Fenómenos nucleares II: fisión y fusión nuclear

Transcripción

1 PPTCEL002QM11-A16V1 Clase Fenómenos nucleares II: fisión y fusión nuclear

2 Resumen de la clase anterior Átomos ISÓTOPOS INESTABLES Elementos buscan generar estabilidad RADIACTIVIDAD Emisiones Alfa Beta Gamma Aumento nivel de penetración Aumento poder de ionización

3 Aprendizajes esperados Aplicar el concepto de vida media de desintegración radiactiva. Conocer el concepto de fusión nuclear. Conocer el concepto de fisión nuclear. Evaluar los riesgos para el ser humano de las emisiones radiactivas.

4 Pregunta oficial PSU Una masa de 400 mg de un isótopo radiactivo decae a 12,5 mg, al cabo de 15 horas. Cuál es la vida media del isótopo? A) 3 horas B) 6 horas C) 9 horas D) 12 horas E) 15 horas Fuente: DEMRE U. DE CHILE, Modelo Prueba de Ciencias Química Admisión 2017

5 1. Radiactividad 2. Reacciones nucleares 3. Aplicaciones y efectos de la energía nuclear

6 1. Radiactividad 1.1 Serie radiactiva La desintegración de un núcleo radiactivo suele ser el comienzo de una serie de desintegración radiactiva, es decir, una secuencia de reacciones nucleares que culmina en la formación de un isótopo estable. El isótopo radiactivo inicial se llama progenitor, y el producto se conoce como hijo.

7 Ejercitación Ejercicio 3 guía del alumno D Aplicación

8 1. Radiactividad 1.2 Período de semidesintegración El período de semidesintegración corresponde a la cantidad de tiempo necesaria para disminuir a la mitad la masa de un isótopo. N t 1/2 : masa al cabo de una vida media. N o : masa inicial. t 1/2 : período de semidesintegración. La vida media es el tiempo promedio que tarda un núcleo en desintegrarse. Es un concepto diferente al de período de semidesintegración, pero para la resolución de ejercicios PSU se utilizan de forma equivalente, por lo que aquí también se trabajará de esa forma.

9 1. Radiactividad 1.2 Período de semidesintegración El período de semidesintegración (o la vida media) de un isótopo determina la probabilidad de existencia natural del mismo. t 1/2 corta Isótopo Potasio-37 Vida media 1,23 segundos t 1/2 larga Hierro-53 8,5 minutos Isótopos producidos a nivel de laboratorio. Yodo-131 Hidrógeno-3 Plomo días 12 años 22 años Isótopos hallados naturalmente en el planeta. Silicio años Radio años Carbono años Uranio años

10 Pregunta HPC Ejercicio 4 guía del alumno El siguiente gráfico muestra el tiempo de vida media de un isotopo radiactivo. E A partir de los datos del gráfico, es correcto afirmar que ASE I) la vida media es el tiempo que demora la masa inicial de un isótopo en disminuir a la mitad. II) la vida media del Sr-90 es inferior a 30 años. III) cuando transcurran 5 vidas medias quedarán 0,3125 g de Sr-90. A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) Solo I y II E) I, II y III

11 1. Radiactividad 1.3 Datación mediante desintegración radiactiva 1) Datación con carbono radiactivo 6 C 14 Todo compuesto orgánico, que posea carbono en su estructura y que esté muerto, es susceptible a ser datado en su antigüedad. El C 14 posee un valor de vida media de 5730 años se debe utilizar para muestras de menos de años.

12 1. Radiactividad 1.3 Datación mediante desintegración radiactiva 2) Datación mediante uranio 238 Corresponde a una serie útil para estimar la edad de las rocas en la Tierra y de los objetos extraterrestres. Posee un valor de vida media de 4,51x10 9 años útil para determinar la edad de la Tierra.

13 1. Radiactividad 1.3 Datación mediante desintegración radiactiva 3) Datación mediante potasio 40 Una de las técnicas más importantes en geoquímica. K + e Ar Con la relación de masas de argón 40 y de potasio 40 en el mineral, y la vida media de desintegración, es posible establecer la edad de las rocas que tienen entre millones y miles de millones de años. 4) Datación mediante plomo 210 Es empleado para determinar la antigüedad de elementos inorgánicos a base de plomo. Pinturas, monedas, vasos, cerámica china, balas de cañón

14 Ejercitación Ejercicio 8 guía del alumno El isótopo de carbono-14 se puede utilizar para determinar la data de una I) punta de flecha de piedra. II) vasija de barro zoomorfa de la cultura diaguita. III) momia maya encontrada en la península de Yucatán. Es (son) correcta(s) A) solo I. B) solo II. C) solo III. D) solo I y II. E) solo II y III. C Comprensión

15 1. Radiactividad 1.4 Transmutación nuclear Rutherford, en el año 1919, demostró que era posible transformar un elemento en otro mediante transmutación nuclear. Este proceso resulta de la colisión de dos partículas. N + α Elementos transuránicos O + p Los aceleradores de partículas hicieron posible la síntesis de elementos con números atómicos mayores de 92, llamados elementos transuránicos. Todos los isótopos de estos elementos son radiactivos.

16 2. Reacciones nucleares Establecen un cambio en la identidad de los átomos participantes. Fisión nuclear Fusión nuclear Ruptura de un núcleo pesado en dos núcleos más livianos. Unión de dos núcleos livianos, estableciendo un nuevo elemento.

17 2. Reacciones nucleares 2.1 Fisión nuclear Se divide un núcleo pesado (número másico > 200) para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y uno o más neutrones. U + n Sr + Xe + 3 n Este proceso libera gran cantidad de energía debido a que el núcleo pesado es menos estable que sus productos.

18 2. Reacciones nucleares 2.1 Fisión nuclear Los neutrones generados en las etapas iniciales de la fisión pueden inducir fisión en otros núcleos. Se obtiene una reacción nuclear en cadena, es decir, una secuencia de reacciones de fisión nuclear autosuficientes. La masa crítica corresponde a la mínima masa del material fisionable necesaria para generar una reacción nuclear en cadena.

19 2. Reacciones nucleares 2.2 La bomba atómica La fisión nuclear se aplicó por primera vez para fabricar la bomba atómica. Se fuerza la unión de las secciones fisionables a través de un explosivo como el TNT generando una reacción en cadena descontrolada. Hiroshima uranio 235 (6 agosto 1945) Nagasaki plutonio 239 (9 agosto 1945)

20 2. Reacciones nucleares 2.3 Reactores nucleares de fisión Una aplicación de la fisión nuclear es la generación de electricidad aprovechando el calor de una reacción en cadena controlada en un reactor nuclear. 1 Reactor de agua ligera utiliza agua (isótopo H ) como moderador, el cual 1 reduce la energía cinética de los neutrones, provocando una mayor eficiencia en la división de los núcleos de uranio 235. Requiere uranio enriquecido. Reactor de agua pesada utiliza D 2 O como moderador (isótopo deuterio). El deuterio absorbe menos neutrones que el hidrógeno, esto lo hace más eficiente y no requiere uranio enriquecido. Reactor de cría utiliza uranio como combustible, pero a diferencia de un reactor nuclear convencional, produce más material fisionable que el que consume.

21 Ejercitación Ejercicio 12 guía del alumno E Comprensión

22 2. Reacciones nucleares 2.4 Fusión nuclear Corresponde a la combinación de pequeños núcleos en otros más grandes, está exenta en gran parte del problema asociado al desecho de los desperdicios. Proceso continuo en el Sol, el cual se compone principalmente de hidrógeno y helio. H + H He + He He He + 2 H H + H H + β Las reacciones de fusión suelen llamarse también reacciones termonucleares porque se llevan a cabo solo a temperaturas muy elevadas.

23 2. Reacciones nucleares 2.4 Fusión nuclear 2 H + 3 H 17,6 MeV Para comprender la magnitud de la energía liberada en esta reacción, pensemos en la siguiente comparación: Energía liberada al quemar un mol de gas natural. CH 2O CO 2H O (J/mol) Los Mega electrón-volts indicados en la primera reacción corresponden a 1 átomo. A cuánta energía corresponderá un mol de reactivo? He + n H H He n (J/mol) Un mol de deuterio corresponde a solo 2 gramos!!

24 2. Reacciones nucleares 2.5 Reactores de fusión Estas reacciones se llevan a cabo a temperaturas extremadamente altas (100 millones de grados Celsius). Ventajas Combustibles baratos y casi inagotables. Poca generación de desperdicios radiactivos. Desventajas Problemas para mantener unidos a los núcleos. Imposibilidad de lograr las temperaturas adecuadas. Actualmente no existe ningún reactor de fusión que produzca energía.

25 2. Reacciones nucleares 2.6 La bomba de hidrógeno También conocida como bomba termonuclear, contiene deuterio de litio sólido (LiD). La detonación sucede en dos etapas: Primero una reacción de fisión y luego una reacción de fusión. 6 Li + 2 H α 2 H + 2 H H + H La fuerza de la explosión solo está limitada por la cantidad de reactivos presentes.

26 Ejercitación Ejercicio 11 guía del alumno A Reconocimiento

27 3. Aplicaciones y efectos de la energía nuclear 3.1 Aplicaciones de los isotopos Los isótopos en la medicina sodio 24 (emisor β) se utiliza para rastrear el flujo sanguíneo y descubrir obstrucciones en el sistema circulatorio. yodo 131 (emisor β) se utiliza para medir la actividad de la glándula tiroides. yodo 123 (emisor de rayos gamma) se utiliza para obtener imágenes del cerebro. tecnecio 99 (emisión de rayos gamma) se utiliza para obtener imágenes de órganos como el corazón, hígado y pulmones. La imagenología busca convertir al paciente en un emisor gamma a través de la inoculación de material radiactivo desde el exterior.

28 3. Aplicaciones y efectos de la energía nuclear 3.2 Efectos biológicos de la radiación El efecto biológico de la radiación depende de diversos factores como la dosis recibida, el tiempo de exposición, la región del cuerpo que se haya expuesto y el tipo de radiación. estroncio 90 emisor beta, es capaz de reemplazar el calcio de los huesos. iones superóxido (O 2 ) atacan membranas celulares de los tejidos y compuestos orgánicos, como enzimas y ADN. Los efectos son múltiples y de diversa gravedad, incluyendo quemaduras, mutaciones genéticas, esterilidad, cáncer (crecimiento celular anormal), entre muchos otros.

29 Pregunta oficial PSU Una masa de 400 mg de un isótopo radiactivo decae a 12,5 mg, al cabo de 15 horas. Cuál es la vida media del isótopo? A) 3 horas B) 6 horas C) 9 horas D) 12 horas E) 15 horas ALTERNATIVA CORRECTA A Fuente: DEMRE U. DE CHILE, Modelo Prueba de Ciencias Química Admisión 2017