Radiactividad

Las reacciones provocadas por el hombre permitieron descubrir la radiactividad artificial y tener fuentes

de neutrones, con las que bombardear núcleos. Se obtuvieron núcleos más pesados que el uranio y se descubrió

la fisión nuclear. En su camino hacia la comprensión de la naturaleza se ha pasado de las partículas fundamentales,

neutrón, protón, etc. a las elementales, quarks, leptones, y el modelo estandard para explicar las relaciones

entre ellas. Todo esto ha dado paso a lo que se ha dado en llamar la «gran ciencia» con grandes proyectos como los

aceleradores de partículas como el CERN, etc. Pero también se han cometido grandes tropelías utilizando estos

conocimientos: no debemos olvidar nunca que se han utilizado las bombas atómicas con su enorme capacidad de

destrucción, y que se está generando el problema de los residuos nucleares que afectará a las generaciones futuras.

IDEAS PRINCIPALES

Reacciones nucleares

Radiactividad artificial

Fisión nuclear

Reacción en cadena

Masa crítica

Reactor nuclear

Residuos radiactivos

Fusión nuclear

Nucleosíntesis

Partículas elementales

Interacciones fundamentales

3

REACCIONES

NUCLEARES

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El conocimiento de la estructura de la materia ha tenido durante el siglo XX un

desarrollo impresionante, profundizando en la teoría atómica hasta alcanzar el nivel

de los núcleos atómicos. Al conocimiento científico se ha unido casi de inmediato la

aplicación técnica, para usos militares, industriales o en medicina, lo que ha llevado a

la ciencia a ocupar un papel protagonista en las sociedades desarrolladas. Sin embargo,

no todo son aspectos positivos y el desarrollo ha venido acompañado de negros

nubarrones: bombas atómicas, residuos radiactivos, etc., que exigen un gran debate y

toma de postura por parte de todos los ciudadanos sobre estos temas.

Sirvan las palabras que siguen, pronunciadas por Joliot* en 1950, como recuerdo

de la responsabilidad de los científicos:

... La admirable serie de descubrimientos científicos iniciados a principios del

siglo XX por Henri Becquerel, Pierre y Marie Curie da como resultado que la especie

humana ve cernirse sobre ella la amenaza de destrucción por la bomba de hidrógeno.

Esto constituye una advertencia grave para todos y especialmente para los científicos...

... Los científicos no deben permitir que una mala organización social deje que

los resultados de sus trabajos se utilicen para fines egoístas o nocivos. Los científicos y

los técnicos no forman parte de una pequeña elite desligada de las contingencias prácticas.

Deben, como ciudadanos de la gran comunidad de los trabajadores, militar con

éstos para asegurar una plena utilización de la ciencia con vistas a la paz y el bienestar

de los hombres.

1 REACCIONES NUCLEARES

Son aquellas en las que participan los núcleos de los átomos. Los fenómenos

radiactivos estudiados en la unidad anterior, así como las reacciones que ocurren en

las estrellas, pueden ser considerados ejemplos de reacciones nucleares naturales.

Otras reacciones nucleares son provocadas por el hombre. La primera reacción

nuclear la llevó a cabo Rutherford, en 1919, en sus investigaciones sobre cómo estaba

constituido el núcleo. Utilizó como proyectil las partículas alfa que emitía una fuente

radiactiva de polonio, que bombardeaba nitrógeno. Como resultado observó que se

producía oxígeno y protones.

La reacción llevada a cabo por Rutherford se puede escribir:

+  +  14 4 17 1 14 17

7 2 8 1 7 8 N He O H o N( ,) O

En las reacciones nucleares, como en cualquier tipo de interacción, se cumplen

los principios de conservación de la masa, de la energía total, del momento lineal, del

momento angular y de la carga eléctrica, pero además es necesario tener en cuenta la

conservación del número de nucleones. Por lo tanto, las ecuaciones que representan

las reacciones nucleares deben ajustarse teniendo en cuenta la conservación del número

de nucleones y de la carga eléctrica.

Las reacciones nucleares deben acompañarse del correspondiente balance de

masa y energía.

El bombardeo de un núcleo y la posterior emisión de una partícula, se interpreta

suponiendo que se produce la absorción de la partícula-proyectil para producir un

núcleo inestable que se descompone, en un intervalo de tiempo muy corto, en una

serie de productos que pueden ser estables o inestables. Los proyectiles más utilizados

tienen poca masa y pueden tener carga eléctrica, como las partículas alfa o los protones,

o ser neutros, como los neutrones. Los neutrones, al no tener carga, tienen un gran

* Frédéric Joliot (1900-1958) científico

francés obtuvo el premio

Nobel de física por el descubrimiento

de la radiactividad artificial.

El premio Nobel lo obtuvo

conjuntamente con Irène Curie,

hija de Marie y Pierre Curie, con

la que se casó en 1926.

Irène y Frédéric Joliot Curie

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poder de penetración, ya que no han de vencer fuerzas eléctricas repulsivas, pero son

muy difíciles de acelerar, precisamente por no tener carga.

Las reacciones nucleares no tienen nada que ver con las reacciones químicas.

En las reacciones químicas, las interacciones se producen entre los electrones de los

niveles más externos, los átomos no cambian, lo que cambian son las uniones que hay

entre los átomos. En las reacciones nucleares, la parte que interviene es el núcleo y

como resultado, los átomos se transmutan unos en otros, de tal forma que un átomo de

nitrógeno puede convertirse en un átomo de oxígeno, o un átomo de platino en un

átomo de oro.

A.1.- a) Completa las siguientes reacciones nucleares:





27 24 27 27 238 ?

13 12 13 14 92 ?

10 13 58 ? 59 60

5 7 28 ? 27 28

1) Al (p, ) Mg 2) Al (p, ) Si 3) U ( ,T) X

4) B ( , ) N 5) Ni (p,n) X 6) Co (n, ) Ni

b) Calcula la energía mínima que tiene que tener un fotón para que se lleve a cabo

la reacción fotonuclear Mg-24 (γ,n) Mg-23.

16,5 MeV

Descubrimiento del neutrón

El modelo de Rutherford de 1911 consideraba que el núcleo estaba compuesto

de electrones y protones. En 1920 ya tenía Rutherford la idea de que debería existir

una partícula «neutra», formada por un doblete electrón-protón. Pero no tenía muy

claro si era una partícula individual o un conjunto de dos partículas. Sin embargo

hubo que esperar otros 12 años a que «se descubriera» el neutrón.

Fue Chadwick quien en 1932 interpretó lo que ocurría cuando al berilio se le

bombardeaba con partículas alfa*. La ecuación que representa el proceso es:

+ + 9 4 12 1

4 2 6 0 Be He C n

Chadwick señaló que esa partícula emitida era el protón neutro (es decir, el neutrón)

que había propuesto Rutherford.

A continuación estudiaremos otros ejemplos de reacciones nucleares que dieron

lugar a fenómenos tan importantes como la radiactividad artificial, la fisión y la fusión

nuclear.

2 RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL

F. Joliot e I. Curie, en 1934, examinando las partículas emitidas por el boro,

magnesio y aluminio al ser bombardeados con partículas alfa, advirtieron que los

positrones (electrones positivos) producidos, continuaban siendo emitidos después de

terminar el bombardeo: se había descubierto así la radiactividad artificial* o inducida.

Explicaron el fenómeno admitiendo que el núcleo residual formado en la reacción era

inestable y que se desintegraba emitiendo un positrón. El isótopo radiactivo producido

tenía un período de semidesintegración característico del elemento en cuestión. La

reacción nuclear del boro como blanco es:

 

 =

10 4 14 13 1

5 2 7 7 0

14 13 0

7 6 1 1 2

B + He N He + n

N C + e T 14 minutos

*Resulta curioso que esa reacción

empezó a estudiarla Bothe

en 1930, y supuso que además

de carbono se emitían rayos

gamma de mucha energía. Los

esposos Joliot-Curie, siguieron

estudiando el proceso y observaron

que la radiación era capaz de

arrancar protones de una muestra

de parafina, pero tampoco la

interpretaron correctamente.

James Chadwick

* La radiactividad artificial puso

de manifiesto que no sólo los núcleos

muy pesados podían ser

radiactivos, sino que en realidad

cualquier átomo podía convertirse

en radiactivo.

Además, por primera vez,

se producía la transmutación de

un átomo en otro. La desgracia

era que para conseguir oro, el

sueño de los alquimistas, es necesario

partir del platino, más

caro que el metal dorado.

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A.2.- Escribe las reacciones de transmutación del aluminio que al ser bombardeado

con partículas α, emite un neutrón y se transforma en fósforo-30, y éste, a su vez,

se transforma en silicio-30 emitiendo un positrón.

b) Escribe los procesos que ocurren al bombardear magnesio-23 con una partícula

alfa, suponiendo que

...