Temas Variados

Desintegración radiactiva

Los núcleos están compuestos por protones y neutrones, que se mantienen unidos por la denominada fuerza fuerte. Algunos núcleos tienen una combinación de protones y neutrones que no conducen a una configuración estable. Estos núcleos son inestables o radiactivos. Los núcleos inestables tienden a aproximarse a la configuración estable emitiendo ciertas partículas. Los tipos de desintegración radiactiva se clasifican de acuerdo a la clase de partículas emitidas.

Desintegración alfa: El elemento radiactivo de número atómico Z, emite un núcleo de Helio (dos protones y dos neutrones), el número atómico disminuye en dos unidades y el número másico en cuatro unidades, produciéndose un nuevo elemento situado en el lugar Z-2 de la Tabla Periódica.

Desintegración beta: El núcleo del elemento radiactivo emite un electrón, en consecuencia, su número atómico aumenta en una unidad, pero el número másico no se altera. El nuevo elemento producido se encuentra el lugar Z+1 de la Tabla Periódica.

Desintegración gamma: El núcleo del elemento radiactivo emite un fotón de alta energía, la masa y el número atómico no cambian, solamente ocurre un reajuste de los niveles de energía ocupados por los nucleones.

El programa interactivo describe un modelo de sustancia radiactiva A que se desintegra en una sustancia estable B. Se disponen N núcleos radiactivos de la sustancia inestable A. Se introduce la constante de desintegración . A medida que transcurre el tiempo se anota el número de núcleos que permanecen sin desintegrar. Posteriormente, se comprobará la ley exponencial decreciente a partir de los datos tomados.

De la observación del proceso de desintegración podemos extraer las siguientes relaciones cualitativas:

• La velocidad de desintegración decrece a medida que los núcleos radiactivos se van desintegrando.

• No podemos predecir en que instante se desintegrará un núcleo concreto, ni qué núcleo se va a desintegrar en un determinado instante.

Descripción

Se ha observado que todos los procesos radiactivos simples siguen una ley exponencial decreciente. Si N0 es el número de núcleos radiactivos en el instante inicial, después de un cierto tiempo t, el número de núcleos radiactivos presentes N se ha reducido a

N=N0exp(t)

donde  es una característica de la sustancia radiactiva denominada constante de desintegración.

Para cada sustancia radiactiva hay un intervalo  fijo, denominado vida media, durante el cual el número de núcleos que había al comienzo se reduce a la mitad. Poniendo en la ecuación N=N0/2 se obtiene

que relaciona la vida media y la constante de desintegración.

A partir de un modelo simple de núcleo radioactivo hemos conocido el significado de la constante de desintegración.

La ley de desintegración puede deducirse del siguiente modo: si  es la probabilidad de desintegración por unidad de tiempo, la probabilidad de que un núcleo se desintegre en un tiempo dt es •dt. Si hay N núcleos presentes, en el tiempo dt podemos esperar que se desintegren ( dt)N núcleos, Por tanto, podemos escribir

El signo menos aparece por que N disminuye con el tiempo a consecuencia de la desintegración. Integrando esta ecuación obtenemos la ley exponencial decreciente.

N0 es el número inicial de núcleos radioactivos presentes en el instante t=0.

Fenómenos análogos

Un fenómeno análogo a la desintegración radioactiva es la descarga de un condensador a través de una resistencia, y la descarga de un tubo que contiene fluido viscoso a través de un capilar.

Un fenómeno análogo a la carga de un condensador es la producción y posterior desintegración de núcleos radioactivos en un reactor nuclear. El fenómeno análogo en fluidos es la carga y descarga de un tubo-capilar.

Disponiendo varios tubos-capilares uno encima del otro, de modo que el superior descargue en el inferior y el último, en un tubo cerrado podemos estudiar el comportamiento de una serie de desintegración radioactiva.

Actividades

• Se introduce la constante de desintegración, un valor mayor que cero pero menor que 1.

• Se pulsa en el botón Empieza para comenzar el proceso de desintegración. El núcleo de color azul al desintegrarse se transforma en el núcleo estable de color rojo.

• Se pulsa en el botón Pausa, para parar momentáneamente el proceso. Se pulsa el mismo botón titulado Continua para reanudarlo. Se pulsa varias veces en el botón Paso, para comprobar que no podemos saber qué átomo se va a desintegrar en un instante dado. Se pulsa en el botón Continua para proseguir el experimento simulado.

• Se pulsa el botón Datos para guardar en el área de texto situado a la izquierda de la ventana el estado de la muestra, es decir, el instante y el número de núcleos que permanecen sin desintegrar en dicho instante.

• Una vez que se han recolectado un número suficiente de datos, se pulsa el botón titulado Enviar para representar gráficamente los datos de la experiencia en el applet situado más abajo.

• Los pares de datos: tiempo, número de núcleos sin desintegrar se pueden introducir manualmente en dicha área de texto, separando cada par de datos mediante una coma, y pulsando la tecla Retorno o Enter.

Pulsar en el botón titulado Enviar para representar gráficamente los datos de la experiencia en el applet situado más abajo

Resultados

• Se pulsa en el botón Grafica, para representar los datos experimentales, y la exponencial que mejor ajusta a dichos datos. En la gráfica se señala la vida media mediante una línea de puntos.

• Se pulsa en el botón Borrar para limpiar el área de texto, cuando el número de datos no es suficiente, o los datos tomados no sean los deseados.

Fisión nuclear

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Fisión nuclear

Fisión nuclear de un átomo de uranio-235.

En física nuclear, la fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía).

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Mecanismo

La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico lo que supone que se liberan cantidades sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que la liberada en las reacciones químicas convencionales, en las que están implicadas las cortezas electrónicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación gamma como de energía cinética de los fragmentos de la fisión, que calentarán la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzca la fisión.

La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con una partícula de la energía correcta; la otra partícula es generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndolo inestable (como una pirámide de naranjas en el supermercado llega a ser inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la velocidad correcta). El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media de dos y medio por reacción), y algunos fotones.

Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos. Los elementos que se producen son resultado del azar, pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones del átomo fisionado original.

Los productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos, no son isótopos estables; estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de desintegración.

Fisión fría y rotura de pares de nucleones

La mayor parte de las investigaciones sobre fisión nuclear se basan en la distribución de masa y energía cinética de los fragmentos de fisión. Sin embargo, esta distribución es perturbada por la emisión de neutrones por parte de los fragmentos antes de llegar a los detectores.

Aunque con muy baja probabilidad, en los experimentos se han detectado eventos de fisión fría, es decir fragmentos con tan baja energía de excitación que no emiten neutrones. Sin embargo, aún en esos casos, se observa la rotura de pares de nucleones, la que se manifiesta como igual probabilidad de obtener fragmentos con número par o impar de nucleones. Los resultados de estos experimentos permiten comprender mejor la dinámica de la fisión nuclear hasta el punto de escisión, es decir, antes de que se desvanezca la fuerza nuclear entre los fragmentos.

Induciendo la fisión

La fisión nuclear de los átomos fue descubierta en 1938 por los investigadores Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann a partir del trabajo desarrollado por el propio Hahn junto a Lise Meitner durante años anteriores. Por este descubrimiento recibió en 1944 el Premio Nobel de química, pero el trabajo de Meitner quedó sin reconocimiento. El estudio de la fisión nuclear se considera parte de los campos de la química y la física.

• Aunque la fisión es prácticamente la desintegración de materia radiactiva,

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