Quimica Nuclear

INTRODUCCION

La Química Nuclear se dedica a los cambios naturales y artificiales en los núcleos de los átomos y a las reacciones químicas de las sustancias radiactivas. La radiactividad natural es el ejemplo mas conocido de la química nuclear. Dentro de esta se consideran los efectos de las emisiones radiactivas (alfa, beta, y gamma) sobre las sustancias, incluyendo a los seres vivos .

El uso cada día mas generalizado de los reactores nucleares para la producción de electricidad hace de la química nuclear una ciencia importante para todo ciudadano.

TIPOS DE EMISIONES

Los núcleos atómicos de una sustancia radiactiva no son estables y se transmutan espontáneamente en otros núcleos emitiendo partículas alfa, beta y gamma.

Las partículas alfa son átomos de He doblemente ionizados, es decir, que han perdido sus dos electrones. Por tanto, tienen dos neutrones y dos protones. Es la radiación característica de isótopos de número atómico elevado, tales como los del uranio, torio, radio, plutonio. Dada la elevada masa de estas partículas y a que se emiten a gran velocidad por los núcleos (su velocidad es del orden de 107m/s), al chocar con la materia pierden gradualmente su energía ionizando los átomos y se frenan muy rápidamente, por lo que quedan detenidas con tan sólo unos cm de aire o unas milésimas de mm de agua. En su interacción con el cuerpo humano no son capaces de atravesar la piel. Así pues, tienen poco poder de penetración siendo absorbidos totalmente por una lámina de aluminio de 0.1 mm de espesor o una simple hoja de papel.

Las partículas beta son electrones emitidos a grandes velocidades próximas a la de la luz. Debido a la menor masa que la radiación alfa, tienen más poder de penetración que las partículas alfa siendo absorbidas por una lámina de aluminio de 0.5 mm de espesor y quedan frenadas en algunos m de aire, o por 1 cm de agua. En el cuerpo humano, pueden llegar a traspasar la piel, pero no sobrepasan el tejido subcutáneo. Los positrones son partículas con masa despreciable y carga equivalente a la de un protón.

Las partículas gamma son radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza que los rayos X pero de menor longitud de onda. Su poder de penetración es muy elevado frente al de las partículas alfa o beta, pudiendo atravesar el cuerpo humano. Quedan frenadas con espesores de 1 m de hormigón o unos pocos cm de plomo, por lo que cuando se utilizan fuentes radiactivas que emiten este tipo de radiación, hay que utilizar blindajes adecuados.

REACCIONES NUCLEARES

Una reacción nuclear implica cambios de los átomos de uno o dos elementos en uno o mas átomos de otro u otros elementos.

E = m c2

Mediante técnicas muy precisas es posible determinar la masa de un núcleo atómico formado por una cantidad de neutrones ( que llamamos N) y otra cantidad de protones (que llamamos Z), es decir en total por A nucleones (A=N+Z). También se pueden medir la masa de un protón aislado y la de un neutrón aislado. La sorpresa es que la masa del núcleo resulta siempre menor que la suma de las masas de los nucleones que lo constituyen.

Esto parece muy raro. En la vida cotidiana esto sería equivalente por ejemplo a mezclar un kilo de harina con medio kilo de manteca y que la pasta resultante pesara menos que un kilo y medio.

La masa que falta en los núcleos atómicos cuando los formamos juntando todos los nucleones no ha desaparecido, sino que se ha transformado en energía, como lo establece la famosa relación de Einstein " E = mc2 ". Einstein dice, ¡y tiene razón!, que la energía de un cuerpo (E) es igual a su masa (m) multiplicada por la velocidad de la luz (c) al cuadrado. Cuando desaparece una cantidad de masa, aparece una cantidad equivalente de energía. En nuestra desaparición de masa al formar el núcleo, la energía que aparece es llamada energía de unión. Esa energía de unión actúa como un pegamento que une a los nucleones. Si quisiéramos separar (disociar) de vuelta todos los nucleones tendríamos que hacer fuerza a medida que los separamos, es decir tendríamos que hacer trabajo. El trabajo total que haríamos en ese caso sería igual a la energía de unión.

La energía de unión por nucleón, es decir la energía de unión dividida por el número de nucleones (A), nos indica cuánta masa perdió en promedio cada nucleón presente en el núcleo, y nos da idea de cuán "pegados" están los nucleones entre sí. Cuanto más grande es la energía de unión por nucleón, más agarrados están unos a otros y más difícil es separarlos.

No sabemos por qué esto es así, pero sabemos que la energía de unión por nucleón no es igual para todos los elementos: es pequeña para núcleos livianos (cerca del hidrógeno), se hace máxima para núcleos intermedios (cerca del hierro) y se vuelve a achicar para núcleos pesados (plomo, uranio). Esto indica que los núcleos más difíciles de disociar son justamente los núcleos medios, ya que su pérdida de masa por nucleón es la más grande.

Toda transformación de núcleos que conduzca a la formación de núcleos intermedios producirá entonces energía. Por ejemplo, si lográramos partir un núcleo de plomo en dos, los dos núcleos resultantes serían intermedios y en el proceso se liberaría energía. Si lográramos juntar dos núcleos de azufre (livianos), también formaríamos un núcleo intermedio y también obtendríamos energía. En cambio deberíamos gastar mucha energía en producir azufre partiendo un núcleo intermedio o en producir plomo juntando dos núcleos intermedios.

Estas transformaciones que pueden ocurrir en los núcleos de los átomos, y que consisten fundamentalmente en juntar o separar nucleones y/o grupos de nucleones se denominan reacciones nucleares. La energía liberada en las reacciones nucleares es la energía nuclear.

A lo largo de millones y millones de siglos las reacciones nucleares se van produciendo naturalmente en el universo. A medida que se van formando núcleos intermedios es muy difícil que ellos se destruyan por otras reacciones nucleares, ya que es más fácil que ocurra una reacción que produzca energía que otra que necesite energía (como es más fácil bajar una escalera que subirla). Esto explica por qué las estrellas más viejas tienen mucho hierro.

METODOS PARA DETECTAR RADIACIÓN

Puesto que las emisiones de las sustancias radiactivas son invisibles, se han desarrollado diversos métodos indirectos para detectarlas. Se describirán cuatro de esos métodos. Todos ellos se basan en el hecho que en los átomos y moléculas afectadas por las radiaciones, ciertos electrones se desplazan a niveles energéticos mas altos.

Métodos Fotográficos: El papel y la película fotográfica se han usado durante mucho tiempo en la detección de la radiactividad. Las emisiones afectan a la emulsión fotográfica de la misma manera que la luz visible. Despues de la exposición, el papel o película se revelan en la forma usual.

Método Fluorescente: Muchas sustancias son capaces de absorber energía radiante de longitud de onda corta (por ejemplo, rayos gamma, X, y ultravioleta) o energía cinética departiculas de alta velocidad (alfa y beta) y transformarlas en energía radiante de una longitud de onda que esta situada en la región visible por el ojo humano.

Cámaras de Niebla: Inventada en 1911 por el físico ingles C.T.R. Wilson, permite ver la trayectoria de una radiación ionizante en su paso atravez de un gas. Wilson produjo niebla artificial en el laboratorio saturando u cierto volumen de aire con vapor de agua y causando el enfriamiento de la humedad por medio de una rápida expansión . Si no están presentes iones, u otra partículas que sirvan como núcleos para condensar la niebla, el aire quedara sobre saturado de humedad. Wilson encontró que al colocar una sustancia radiactiva en el aire sobresaturado de una camara de niebla, de dicha sustancia emanaban líneas delgadas de niebla.

Contadores de ionización de gases: En un contador de ionización de gases una partícula ionizante pasa atravez de un gas entre dos electrodos cargados. Los iones

...