RADIACTIVIDAD El núcleo atómico está constituido por nucleones: Z protones y N neutrones, ( en total A ). Como sabemos los nucleones son partículas elementales y están constituidos por la agrupación de tres quarks: p + (uud) y n o (udd) respectivamente, que se mantienen unidos por la fuerza de color. Estos nucleones se unen entre sí por la fuerza de color residual, del mismo modo que la interacción electromagnética residual entre los átomos permite explicar los enlaces químicos y por lo tanto la existencia de moléculas. Se denominan isótopos a los átomos con el mismo número de protones en el núcleo,(mismo Z),( y por lo tanto el mismo número de electrones en la corteza) y distinto número de neutrones,( distinto N y por lo tanto distinto A). Los representamos como: A X Z, ( a veces se suprime Z),donde X es el símbolo químico del elemento. Así por ejemplo tenemos los isótopos del carbono: 12 13 14 C ; C ; C Hay núcleos que no son estables y consiguen mayor estabilidad emitiendo partículas. Si esto sucede se dice que se trata de un isótopo radiactivo y que el átomo se ha desintegrado. Se conocen tres tipos de radiactividad: Radiactividad α : La partícula emitida está constituida por la unión de dos p + y dos n o. Por lo tanto cuando un núcleo emite una partícula α se convierte en otro núcleo de un elemento con un número atómico dos unidades menor: X Y +α A A-4 4 Z Z-2 2 Como ejemplo de isótopo α-radiactivo tenemos el U Th +α 238 23 4 92 90 2 (La agrupación de 2p + y 2n 0 es la partícula más estable desde el punto de vista de la interacción nuclear residual) Tiene poco poder de penetración, ( y por lo tanto nos podemos proteger fácilmente de ella) pero es muy ionizante,(muy peligrosa si ingerimos alguna cantidad de isótopo α-radiactivo). Radiactividad β: Es de dos tipos β -,(constituida por electrones, e - ) y β +,( son positrones,e + ) Si un núcleo es β - emisor se convertirá en otro de un número atómico una unidad mayor, y si es β + emisor se núcleo hijo tendrá un número atómico una unidad menor según: X Y +e A A 0 Z Z+1-1 X Y +e A A 0 Z Z-1 +1 Es más penetrante pero con menor poder de ionización que la α La emisión de esta radiación es una consecuencia de la conversión entre p + y n o en el núcleo. Por ejemplo: n o p + +e - + ν e ( ν e: antineutrino electrónico)
Radiactividad γ: Está constituida por fotones de altísima frecuencia. Tiene un gran poder de penetración. Recordamos la relación: E fotón =h.f Acompaña a la radiactividad α y β. Se denomina actividad de una muestra radiactiva al número de desintegraciones por segundo que en ella se producen. Esta actividad será proporcional al número de núcleos presentes: Actividad = λ. N En esta ecuación λ es la constante radiactiva característica de cada radioisótopo. Otra forma de caracterizarlo es mediante el periodo de semidesintegración,t 1/2 : tiempo que tiene que transcurrir para que en una muestra con N núcleos se hayan desintegrado la mitad. La relación con la constante es: t 1/2= 1/λ. Por lo tanto si un radioisótopo tiene un periodo de semidesintegración pequeño tendrá una constante radiactiva grande y por lo tanto presentará una gran actividad y una muestra del mismo tendrá que ser manejada con mucha precaución. En la naturaleza hay isótopos radiactivos naturales, pero también existen radioisótopos artificiales obtenidos bombardeando núcleos con partículas, como los obtenidos en la fisión nuclear. Se trata por tanto de radiactividad artificial ENERGÍA NUCLEAR La energía de ligadura nuclear la podemos definir como la energía liberada al formarse el núcleo: N n o + Z p + Núcleo + Energía de ligadura Esta será la energía que hay que suministrar a un núcleo para separar todos sus nucleones La masa del núcleo es inferior a la suma de las masas de los nucleones. Se define el defecto de masa nuclear, - m del siguiente modo: - m = N m neutrón + Z m protón - m núcleo La energía de ligadura está relacionada con el defecto de masa mediante la ecuación: Energía de ligadura = c 2 (- m) ( según la ecuación de Einstein E= mc 2 ; c: velocidad de la luz en el vacío) Podemos ahora calcular la energía de ligadura por nucleón: - m/a Esta magnitud varía para los distintos núcleos según se observa en la figura, presentando un máximo para el isótopo Fe 5. (En ordenadas energía de ligadura por nucleón y el abscisas el número de nucleones)
Esta curva pone de manifiesto que tenemos dos formas de obtener energía en un proceso nuclear: a) Mediante la fusión de dos núcleos ligeros para obtener un núcleo pesado. Este es el origen de la energía producida en las estrellas. Como los núcleos se repelen, para conseguir que se acerquen lo suficiente y que actúen las fuerzas nucleares tienen que tener una gran energía cinética o lo que es lo mismo la temperatura debee ser de millones de grados. Las dificultades técnicas todavía no han sido superadas, pero si se espera que sea una fuente de energía abundante y limpia para un futuro no demasiado lejano. b) Mediante la fisión de un átomo más pesado que el Fe 5, como por ejemplo el U 235. En la figura tenemos representado un esquema del proceso:
Un neutrón térmico, ( es decir lento) es capturado por un núcleo de U 235 formando el isótopo U 23 inestable que se fisiona en dos grandes trozos, ( en este ejemplo Ba 141 y Kr 92 ) y produciendo 2 o 3 nuevos neutrones que podrán fisionar a otros 2 o 3 núcleos de U 235 estableciéndose una reacción en cadena. Para el aprovechamientoo de una reacción de fisión en el reactor de una central nuclear hay que tener en cuenta: Combustible: Como isótopos fisionables se pueden utilizar además del U 235 el Pu 239 y el Th 232. El isótopo U 235 es muy escaso en el uranio natural,( menos del 1%). Por lo tanto el material de uranio tiene que ser enriquecido en U 235. El U 238 se denomina material fértil ya que puede sufrir la siguiente reacción: U 238 + n o U 239 Np 239 + e - Pu 239 + e - ( y por lo tanto enriquecerse en Pu 239 fisionable) En el proceso de enriquecimiento se llega a una concentración del 3% en U 235 Masa crítica: Es la masa mínima que debe haber para que la reacción de fisión continúe de forma incontrolada,( bomba atómica) Moderadores: Para controlar la reacción en cadena hay que absorber el exceso de neutrones producidos,( 2,5 de media), y que solo quede menos de un neutrón por cada núcleo de U 235.Para ello se utiliza un material ligero como puede ser hidrógeno, C(grafito), deuterio,(h 2, en agua pesada). En la figura tenemos un esquema de una central nuclear: http://es.wikipedia.org/wiki/central_nuclear Ventajas e inconvenientes del uso de la energía nuclear Entre las ventajas podemos citar: - Disponibilidad, (Dispondremos de ella cada vez que la necesitamos).( (Ventaja importante frente a la mayoría de las energías alternativas) - Poco contaminante. (Es mucho menos contaminante una central nuclear que una térmica) - Las reservas de uranio son mayores y más seguras que las del petróleo Como inconvenientes tenemos:
- Seguridad. Este inconveniente es solo relativo. En las centrales de tercera generación la seguridad de que no ocurrirá un accidente grave es total. - Residuos. Este es realmente el gran inconveniente. Los residuos de actividad de larga duración tienen que ser almacenados. Una forma de paliar este problema es irradiar los residuos para, mediante una reacción nuclear, convertir los núcleos con t 1/2 grandes en otros de t 1/2 pequeño. Esto hace que su radiactividad desaparezca en pocos años con lo que desaparece el problema del almacenamiento a muy largo plazo.