Química Fenómenos Nucleares y Felipe Salas 2013 Los fenómenos nucleares abarcan numerosas reacciones dentro de la física y la química. Desde procesos beneficiosos para el hombre, como el desarrollo de tratamientos médicos nucleares hasta desastrosas consecuencias como la bomba atómica. A lo largo de este capítulo estudiaremos los fenómenos nucleares, sus propiedades y aplicaciones a la vida diaria. Fernando Brierley V. Felipe Salas B. 2013
Fenómenos nucleares y sus aplicaciones Hace muchos años en un laboratorio europeo, una joven pareja de científicos no pensaban que lo que estaban haciendo, sería trascendental para la ciencia. Y es que Marie y Pierre Curie estaban observando nuevos elementos radiactivos, y con ello descubriendo que la radiación es emitida desde el núcleo. Sin duda, uno de los grandes descubrimientos en la historia de la humanidad. Dato puntaje: Becquerel fue el primero en ver los fenómenos producidos por la radiación, al analizar sales de uranio. Sin embargo, no supo interpretar correctamente sus observaciones. Muchas veces asociamos la palabra nuclear con algo malo. Y es que viene a nuestra mente inmediatamente la explosión de una bomba atómica, o el desastre de Chernobil. En general, catástrofes producidas por el mal uso de la energía nuclear. Sin embargo, un correcto uso de ésta puede ser muy beneficioso para la humanidad. Desde tratamientos médicos hasta plantas de energía nuclear, la radiación puede traernos muy buenas aplicaciones. La radiación se define como la emisión de energía (o partículas) por parte de átomos con núcleos inestables Si un átomo es o no radiactivo dependerá únicamente del núcleo. A continuación veremos los factores que nos indican la estabilidad de un átomo. I] Estabilidad nuclear Son muchos los factores de los que depende si un átomo será radiactivo o no. En base a ello nace el concepto de estabilidad nuclear, la cual nos dice qué tan probable es que un determinado átomo irradie. Para entender esto recurriremos a conocimientos anteriores. En el núcleo se alojan tanto los protones como los neutrones, siendo estos últimos los encargados de la cohesión de los primeros (los protones se repelen con fuerza electrostática debido a la igualdad de cargas). Es así como, la razón entre protones y neutrones nos permitirá saber la estabilidad atómica. Por ello, si un átomo es inestable emitirá partículas hasta disminuir su energía interna y así ganar estabilidad. En general los átomos pesados (con un número atómico [Z] mayor a 83) son los más propensos a sufrir emisiones radiactivas. Estos átomos se conocen como trans uránicos (es decir, tienen un peso atómico mayor que el uranio). Además, muchos átomos tienen isótopos (especies con un número distinto de neutrones) las cuales son radiactivos también. Para usos prácticos se creó el cinturón de estabilidad nuclear, el cual nos permite ver, a través de la relación "#$%&"' la estabilidad de las especies. "#$#%&' 2
II] Emisiones radiactivas A pesar de haber hablado ya de la radiación, veremos a continuación que existen distintos tipos de emisiones radiactivas. Partículas alfa (α): Este tipo de radiación corresponde a un núcleo de Helio con carga positiva (es decir, dos protones y dos neutrones). Es de gran tamaño. La velocidad con la que avanza es lenta, debido a su alta masa y volumen. Tiene un alto poder ionizante. No es dañina para la salud. Químicamente, queda descrita de la siguiente manera: E D + He ( α Es decir, al emitir una partícula alfa, el número atómico disminuye en dos, mientras que el número másico lo hace en 4, siendo E un átomo genérico y D su descomposición. Dato puntaje: Si eres bombardeado por partículas alfa, basta una hoja de papel para protegerte, pues éstas no la pueden traspasar. Partículas beta (β): Corresponde a la emisión de un electrón provocada por la descomposición de un neutrón en un protón y un electrón. Presentan una gran velocidad (cercana a la de la luz), y producto de su menor tamaño es capaz de traspasar mucho más que las partículas alfa, ionizando parcialmente las partículas que encuentra en su camino. Basta una lámina de aluminio para protegerse. En grandes cantidades es nociva para la salud. Químicamente queda descrita de la siguiente manera: Rayos gamma (γ): Corresponde a una emisión electromagnética de alta energía y frecuencia. Al no poseer masa, es capaz de penetrar en grandes estructuras, siendo necesario un muro de concreto de varios metros de espesor para detenerla. Tiene un bajísimo poder ionizante, siendo nociva para la salud debido a mutaciones a nivel celular. Queda descrita químicamente de la siguiente manera. E D + β ) E E + γ(energía) Luego de haber entendido qué tipos de partículas es capaz de emitir un átomo, es necesario recalcar que nunca emite dos tipos de radiaciones distintas simultáneamente. 3
Dato puntaje: El sulfuro de zinc (ZnS) brilla en presencia de radiación. Transmutación nuclear. Cuando un núcleo no se encuentra dentro del cinturón de seguridad, hará lo posible por encontrarse en él, ya sea emitiendo partículas para ganar/perder protones. Emisión de partícula alfa: Cuando un núcleo inestable emite una partícula alfa, el elemento original transmuta a otro de menor número atómico. Un ejemplo de ello es: "# "# Th + α "U Ésta es la descomposición del Uranio en Torio, pasando de un núcleo inestable a uno de mayor estabilidad. " Emisión de un electrón: Cuando el número de neutrones es muy grande en comparación al de protones (estando así fuera del cinturón de estabilidad), el núcleo para ganar más estabilidad desintegra un neutrón convirtiéndolo en un protón y un electrón el cual es emitido como una radiación beta. Un ejemplo de ello es: "# "# "U " Np + β Ésta es la descomposición de Uranio en Neptunio ganando así un protón más y disminuyendo la diferencia entre neutrones y protones. Emisión de un positrón: Cuando el número de protones es mayor que el de neutrones (quedando así fuera del cinturón de estabilidad) el núcleo emite un positrón (o un anti- electrón) el cual es una partícula beta pero con carga positiva. Un ejemplo de ello es: "# "U "# " Pa + β Ésta es la descomposición de Uranio en Protactinio, perdiendo así un protón pero ganando estabilidad. Dentro de las descomposiciones radiactivas la ley de la conservación de la masa se tiene que cumplir. Es por ello, que el número másico a un lado de la ecuación debe ser el mismo que al otro lado de la ecuación, y similarmente debe ocurrir con el número atómico. Una descomposición no balanceada sería la siguiente: "# "# Pu + β "U Pues a la izquierda hay 92 protones, mientras que a la derecha sólo hay 94 1 = 93. Así que al ajustar nos quedaría: " "# "# Pu + 2 β, ajustada. "U " 4
III] Reacciones nucleares En los principios de la química existían alquimistas, los cuales pensaban que podían transmutar elementos entre sí. El objetivo de ello era la generación de oro a través de plomo. Qué hubiesen pensado si les dijéramos que sí se puede Que hay sustancias que lo hacen constantemente y de forma natural. Fisión nuclear: Es la separación de un átomo pesado en dos átomos más livianos, junto con una liberación de energía. Las bombas atómicas fueron creadas bajo este principio, creando un efecto en cadena en la desintegración de núcleos pesados. Para provocar la fisión de un núcleo, basta con bombardearlo con neutrones, los cuales al chocar contra el núcleo a una gran velocidad logran descomponer la estabilidad y provocar una fisión. Dato puntaje: Cuando se bombardea un núcleo de uranio con un neutrón, éste luego de fisionarse libera tres neutrones, los cuales pueden dividir a tres átomos de uranio más. Fusión nuclear: Es la unión de dos átomos livianos formando así un átomo de mayor tamaño. En esta unión se libera una gran cantidad de energía, siendo varias veces mayor que la energía liberada en la fisión nuclear. Debido a la alta temperatura necesaria para que ocurra, en la Tierra aún no podemos tener reactores de fusión. Dato puntaje: Sabías que la luz y energía emitida por las estrellas se debe a la fusión nuclear. En la mayoría de ellas, dos núcleos de hidrógeno se unen formando un átomo de helio y liberando mucha energía en forma de radiación. Es necesario recalcar que no todas las desintegraciones ocurren de forma simultánea. Si tomamos una muestra de material radiactivo, éste irradiará cada cierto tiempo, perdiendo masa o bien transformándose en un elemento distinto (según las ecuaciones vistas anteriormente). Esto se conoce como decaimiento radiactivo. Es por eso, que cuando ocurren desastres que involucran un derrame de sustancias radiactivas hay que esperar mucho tiempo para que la zona deje de ser peligrosa, pues primero es necesario que gran parte de la sustancia radiactiva deje de serlo. En base a esto, nace el concepto de vida media. La vida media es el tiempo necesario para que una sustancia radiactiva pierda la mitad de su masa a través de emisiones de partículas (decaimiento radiactivo). 5
Ejemplo: Si tenemos 100 g de una sustancia con una vida media de 3 días, significa que pasados tres días quedarán sólo 50 g de dicha sustancia, y pasados tres días más quedarán sólo 25 g. IV] Usos de la radiación. Luego de haber explicado qué tipos de fenómenos nucleares existen, veremos para qué los usamos en nuestra vida y de qué manera nos ayudan. Reactores nucleares: Los reactores nucleares son centrales encargadas de producir electricidad gracias a la energía emitida por la fisión de núcleos pesados, generalmente de uranio. Este proceso consiste en crear una reacción de fisiones en cadena controlada (con barras de grafito las cuales pueden absorber neutrones, los encargados de producir fisiones). Con la energía sacada de las fisiones, se calientan grandes cantidades de agua, la cual al evaporarse mueve gigantescas turbinas, así produciendo electricidad. A pesar de la creencia popular que consiste en considerar como peligrosos los reactores, un correcto uso de ellos no conlleva malas consecuencias. Dato puntaje: Sabías que en un reactor, la energía aprovechada de un gramo de uranio equivale a la energía extraída de 2500 kg de carbón. Bombas nucleares: Aprovechándose del efecto en cadena de la fisión nuclear, gobiernos mal administrados hicieron que científicos crearan la bomba atómica. El poder destructivo inmediato de las bombas es inmenso, dejando inhabitables lugares durante años, pues la radiación es un enemigo invisible. A pesar de saber que estas bombas son capaces de una destrucción masiva, aún no existe un acuerdo mundial que prohíba de manera tajante la creación de nuevas bombas y la desactivación de bombas ya construidas. Dato puntaje: Sabías que el poder destructivo de una bomba atómica como las lanzadas en Japón durante la segunda guerra mundial tenían un poder destructivo similar al de más de 10000 toneladas de TNT. 6
V] Aplicaciones en la vida diaria A pesar de no notar la radiación en nuestra vida diaria, constantemente estamos siendo bombardeados por ella. Radiación natural como rayos UV, luz visible, infrarroja, ultravioleta. Radiación artificial también nos irradia a diario, por ejemplo las ondas de radio y microondas. Como vimos, no todo lo relacionado con la radiación es malo y a continuación veremos los beneficios que nos trae. (i) (ii) Irradiación de los alimentos: Bajo pequeñas cantidades, es posible desinfectar alimentos, reduciendo la cantidad de bacterias. En general, la irradiación de los alimentos permite aumentar el tiempo de conservación de éstos. Tratamientos médicos: La medicina moderna usa mucho la radiación dentro de sus tratamientos y diagnósticos. Desde tomarnos radiografías (Rayos X) hasta tratamientos para el cáncer, la radiación controlada puede ser útil para nosotros. (iii) Creación de nuevas especies vegetales: Como la radiación conduce a mutaciones, muchas veces se juega con éstas intentando obtener especies mejoradas de plantas. (iv) Datación arqueológica: Todos los seres vivos, a lo largo de su vida van incorporando a sus cuerpos carbono- 14 en una concentración definida. Este isótopo del carbono tiene vida media calculada, con la cual se puede saber la antigüedad de los objetos de naturaleza orgánica con un simple cálculo matemático. No está demás decir que numerosos desastres nucleares han asolado al mundo. No sólo las bombas atómicas han afectado las zonas donde han explotado, sino que han aumentado los niveles de radiación atmosféricos hasta niveles alarmantes. El desastre de Chernóbil dejó numerosas generaciones con daños genéticos, junto con una gran región de Ucrania inhabitable por miles de años. Es por ello, que es necesario ahora políticas mundiales que apunten al buen uso de la energía nuclear. 7