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Química Nuclear

Una Introducción

por Anthony Carpi, Ph.D.

Las reacciones químicas tradicionales ocurren como resultado de la interacción entre la valencia de electrones alrededor del núcleo del átomo. En 1896, Henri Becquerel, expandió el campo de la química para incluir los cambios nucleares cuando descubrió que el uranio emitía radiación. Poco después del descubrimiento de Becquerel, Marie Sklodowska Curie empezó a estudiar la radioactividad y completó en gran medida el primer trabajo sobre cambios nucleares. Curie descubrió que la radiación era proporcional a la cantidad de elementos radioactivos presentes, y propuso que la radiación era una propiedad de los átomos (al contrario a una propiedad química de un compuesto). Marie Curie fue la primera mujer en ganar el Premio Nobel y la primera persona en ganar dos (el primero, compartido con su esposo Pierre y con Becquerel por descubrir la radioactividad; y el segundo por descubrir los elementos radioactivos radio y polonio).

Radiación y Reacciones Nucleares

En 1902, Frederick Soddy propuso la teoría que 'la radioactividad es el resultado de un cambio natural de un isotopo de un elemento hacia un isotopo de un elemento diferente.' Las reacciones nucleares incluyen cambios en las partículas del núcleo de un átomo y por consiguiente causan un cambio en el átomo mismo. Todos los elementos más pesados que el bismuto (Bi) (y algunos más livianos) exiben una radioactividad natural y por consiguiente pueden 'decaer en' hacia elementos más livianos. Al contrario que las reacciones químicas normales que forman moléculas, las reacciones nucleares resultan en la transmutación de un elemento en un isotopo diferente o en un elemento diferente (recuerde que el número de protones de un átomo define el elemento, por lo tanto un cambio de un protón resulta en un cambio de un átomo). Hay tres tipos comunes de radiación y cambios nucleares:

1. La Radiación Alpha (a) es la emisión de una partícula alpha del núcleo de un átomo. Una partícula a contiene 2 protones y 2 neutrones (y es similar a un núcleo He: ) Cuando un átomo emite una partícula a, la masa atómica del átomo disminuirá cuatro unidades (ya que 2 protones y 2 neutrones están perdidos) y el número atómico (z) disminuirá 2 unidades. Se dice que el elemento se 'transmuta' en otro elemento que es 2 z unidades más pequeño. Un ejemplo de una transmutación a tiene lugar cuando el uranio decae hacie el elemento torio (Th) emitiendo una partícula alpha tal como se ve en la siguiente ecuación:
   

238 92

U

4 2

He

+

234 90

Th

(Nota: en la química nuclear, los símbolos de los elementos tradicionalmente van precedidos de su peso atómico (arriba a la derecha) y el número atómico (arriba a la izquierda)).

2. La Radiación Beta(b) es la transmutación de un neutrón (seguido de la emisión de un electrón del núcleo del átomo : ). Cuando un átomo emite una partícula b, la masa del átomo no cambiará (puesto que no hay cambio en el número total de partículas nucleares), sin embargo el número atómico aumentará l (porque el neutrón se transmutó en un protón adicional). Un ejemplo de esta descenco del isotopo de carbón llamado carbón-14 en el elemento nitrogeno es el siguiente:
   

14 6

C

0 -1

e

+

14 7

N

3. La Radiación Gamma (g) incluye la emisión de energía electromagnética (similar a la energía proveniente de la luz) de un núcleo de un átomo. Ninguna partícula es emitida durante la radiación gamma, y por consiguiente la radiación gamma no causa en sí misma la transmutación de los átomos. Sin embargo, la radiación g es emitida generalmente durante, y simultáneamente, a la disminución radioactiva a o b. Los rayos X, emitidos durante la disminución beta del cobalto-60, son un ejemplo común de la radiación gamma:

Vida Media

La disminución radioactiva procede de acuerdo a un principio llamado vida media. La vida media(T_½) es la cantidad de tiempo necesaria para la disminución de la ½ del material radioactivo. Por ejemplo, el elemento radioactivo bismuto (210Bi) puede experimentar disminución alpha para formar el elemento talio (206Tl) con una reacción de vida media igual a 5 días. Si iniciamos un experimento comenzando con 100g de bismuto en un contenedor con la tapa cerrada, después de 5 días tendremos 50g de bismuto y 50g de talio en la jarra. Después de otros 5 días (10 desde el principio), la ½ del bismuto restante disminuirá y nos quedarán 25g de bismuto y 75g de talio en la jarra. Tal como está ilustrado, la reacción procede en mitades, con la mitad de lo que sobra del elemento radioactivo disminuirá su vida media en cada período.

La fracción del material original que sobra después de la disminución radioactiva puede ser calculada usando la ecuación:

La cantidad de material radioactivo que sobra después de un número dado de vida media es por consiguiente:

La reacción de disminución y el T_½ de una substancia son específicas al isotopo de un elemento que experimenta una disminución radioactiva. Por ejemplo, Bi210 puede experimentar un decaer a a Tl206 con un T_½ de 5 días. ¡Comparativamente, el Bi215, experimenta un decaer b al Po215 con un T_½ de 7.6 minutos, y el Bi208 experimenta otro modo de disminución radioactiva (llamada captura del electrón) con un T_½ de 368,000 años!

Las Reacciones Nucleares Artificiales

Mientras que muchos elementos experimentan disminución radioactiva naturalmente, las reacciones nucleares puede también ser estimuladas artificialmente. Hay dos tipos de reacciones nucleares artificiales:

1) La Fisión Nuclear: son reacciones en las cuales un núcleo de un átomo se divide en partes más pequeñas, soltando una gran cantidad de energía en el proceso. Comúnmente esto ocurre al 'lanzar' un neutrón en el núcleo de un átomo. La energía del neutrón en forma de 'bala' provoca la división del blanco en dos (o más) elementos que son menos pesados que el átomo original.

Una simulación de la fisión de U235

Reacción de la fisión nuclear.

(Flash required)

Durante la fisión de U235, 3 neutrones son soltados adicionalmente a los dos átomos resultantes. Si estos neutrones chocan con núcleos U235 vecinos, ellos pueden estimular la fisión de estos átomos y empezar una reacción en cadena nuclear autónoma. Esta reacción en cadena es la base del poder nuclear. A medida que los átomos de uranio siguen dividiéndose, la reacción libera una significativa cantidad de energía. El calor liberado durante esta reacción es recogido y usado para generar energía eléctrica.

Two Types of Nuclear Chain Reactions

Concept simulation - Reenacts controlled and uncontrolled nuclear chain reactions.

(Flash required)

2) La Fusión Nuclear: son reacciones en las cuales dos o más elementos se 'fusionan' para formar un elemento más grande, soltando energía en este proceso. Un buen ejemplo es la fusión de dos isótopos de hidrógeno 'pesado' (deuterio: H2 y tritio: H3) en el elemento helio.

Nuclear Fusion

Concept simulation - Reenacts the fusion of deuterium and tritium inside of a tokamak reactor.

(Flash required)

Las reacciónes de fusión liberan enormes cantidades de energía y son comúnmente referidas como reacciones termonucleares. A pesar que mucha gente piensa que el sol es una gran bola de fuego, el sol (y todas las estrellas) son en realidad enormes reactores de fusión. Las estrellas son esencialmente gigantes bolas de gas de hidrógeno bajo tremenda presión debido a las fuerzas gravitacionales. Las moléculas de hidrógeno son fusionadas en helio y elementos más pesados dentro de las estrellas, soltando energía que recibimos como luz y calor.

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