Naturaleza de las Reacciones Nucleares

Algunos núcleos son inestables y espontáneamente emiten partículas y/o radiaciones electromagnéticas. A este fenómeno se le llama radioactividad. La radioactividad es una propiedad de los isótopos que son «inestables», es decir, que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que, para alcanzar su estado fundamental, deben perder energía. Todos los elementos que tienen número atómico mayor a 83 son radioactivos.

Las reacciones nucleares pueden ser endotérmicas o exotérmicas.

• Reacciones químicas:
  • Los átomos se reorganizan por la ruptura y formación de enlaces químicos.
  • Solo participan los electrones de los orbitales atómicos o moleculares.
  • Absorción o liberación de cantidades de energía relativamente pequeñas.
  • Velocidades de reacción afectadas por T, P, concentración y catalizadores.
• Reacciones nucleares:
  • Los elementos (o los isótopos de los mismos elementos) se convierten entre sí.
  • Pueden participar protones, neutrones, electrones y otras partículas elementales.
  • Absorción o liberación de cantidades enormes de energía.
  • Velocidades de reacción, por lo general, no afectadas por T, P o catalizadores.

Estabilidad Nuclear

El factor principal que determina la estabilidad del núcleo es la relación neutrón/protón (n/p).

• nº/p+ >1 Emisión de partículas β.
• nº/p+ <1 Emisión de positrones (⁰₊₁ β) o captura de electrones.

En general son radiactivas las sustancias que no presentan un balance equitativo entre protones y neutrones (nº/p⁺) ≠ 1. Ej. C–14 (8/6) ≠ 1 → Isótopo radioactivo.

Tipos de Átomos

• Isótopos → Son núcleos del mismo número atómico pero de distinta masa atómica.
• Isóbaros → Son núcleos de la misma masa atómica pero de distinto número atómico.
• Isótonos → Son núcleos que tienen el mismo número de neutrones y distinto número atómico y másico.

Masa Atómica Promedio

La masa atómica depende de los isótopos constituyentes. Se pondera la masa de los isótopos con su abundancia relativa en la corteza terrestre.

Partículas Radiactivas

• Radiación alfa (α): Corresponde a núcleos de helio. ⁴₂He. Son partículas de carga +2, y de masa 4 en la escala de masas atómicas. Su emisión se asocia a núcleos pesados. Cuando un núcleo emite una partícula α, su número atómico disminuye en dos unidades, y su masa atómica disminuye en cuatro unidades (Ley de Soddy).
• Radiación beta (β): Corresponden a electrones, ⁰_-1e. Son partículas de masa aproximadamente igual a 0 y de carga –1. La emisión de un electrón procede de la conversión de un neutrón en un protón. Su emisión se asocia a núcleos con exceso de neutrones. Un núcleo se transforma en otro núcleo situado un lugar adelante en la Tabla Periódica, sin cambiar su masa atómica (Ley de Fajans).
• Radiación gamma (γ): Es una radiación electromagnética. Corresponde a fotones de alta energía. Suele acompañar a la emisión de partículas α y β, estabilizando el núcleo resultante. Esta radiación no implica ningún cambio en el número atómico ni en el número másico.

Otras Radiaciones

• Emisión de positrones: Ocurre cuando un protón se convierte en neutrón. Emite un “Electrón Positivo” ⁰₊₁e. Se aplica para la obtención de núcleos muy pesados.
• Captura de electrones: Ocurre cuando un protón se convierte en neutrón. Captura un electrón de la capa interna. También se denomina a este proceso Captura K.

Características de las Partículas Radiactivas

• Nivel de penetración: Depende de la velocidad y la masa asociada a las partículas. Los rayos gamma son de alta energía y de longitudes de onda muy cortas. Son las de mayor nivel de penetración.
• Poder de ionización: Depende de la cantidad de energía y carga asociada. α ion > β ion > ɣ ion.

Fisión y Fusión Nuclear

Serie Radiactiva

La desintegración de un núcleo radioactivo suele ser el comienzo de una serie de desintegración radiactiva, es decir, una secuencia de reacciones nucleares que culmina en la formación de un isótopo estable. El isótopo radioactivo inicial se llama progenitor, y el producto se conoce como hijo.

Vida Media

(Período de semidesintegración) Corresponde a la cantidad de tiempo necesaria para disminuir a la mitad la masa de un isótopo (N t_1/2: cantidad de masa final. N_o: cantidad de masa inicial. t_1/2: vida media). La vida media de un isótopo determina la probabilidad de existencia natural del mismo.

• t_1/2 corta: Isótopos producidos a nivel de laboratorio.
• t_1/2 larga: Isótopos hallados naturalmente en el planeta.

Datación Mediante Desintegración Radiactiva

• Datación con carbono radiactivo ₆C¹⁴: Todo compuesto orgánico, que posea carbono en su estructura y que esté muerto, es susceptible a ser datado en su antigüedad. El C–14 posee un valor de vida media de 5730 años → se debe utilizar para muestras de menos de 60000 años.
• Datación mediante uranio–238: Corresponde a una serie útil para estimar la edad de las rocas en la tierra y de los objetos extraterrestres. Posee un valor de vida media de 4.51×10⁹ años → útil para determinar la edad de la Tierra.
• Datación mediante potasio–40: Una de las técnicas más importantes en geoquímica. Con la relación de masas de argón–40 y de potasio–40 en el mineral, y la vida media de desintegración, es posible establecer la edad de las rocas que tienen entre millones y miles de millones de años.
• Datación mediante plomo–210: Es empleado para determinar la antigüedad de elementos inorgánicos a base de plomo. Ej: Pinturas, monedas, vasos, cerámica china, balas de cañón.

Transmutación Nuclear

Rutherford, en el año 1919, demostró que era posible transformar un elemento en otro mediante transmutación nuclear. Este proceso resulta de la colisión de dos partículas.

Elementos Transuránicos

Los aceleradores de partículas hicieron posible la síntesis de elementos con números atómicos mayores de 92, llamados elementos transuránicos. Todos los isótopos de estos elementos son radioactivos.

Reacciones Nucleares

Establece un cambio en la identidad de los átomos participantes:

1. Fisión Nuclear: Ruptura de una tomo pesado por impacto de neutrones.
2. Fusión Nuclear: Unión de dos átomos livianos, estableciendo un nuevo elemento.

Fisión Nuclear

Se divide un núcleo pesado (número másico > 200) para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y uno o más neutrones. Este proceso libera gran cantidad de energía debido a que el núcleo pesado es menos estable que sus productos. Se obtiene una reacción nuclear en cadena, es decir, una secuencia de reacciones de fisión nuclear autosuficientes. Los neutrones generados en las etapas iniciales de la fisión pueden inducir fisión en otros núcleos. La masa crítica corresponde a la mínima masa del material fisionable necesaria para generar una reacción nuclear en cadena.

La Bomba Atómica

La fisión nuclear se aplicó por primera vez para fabricar la bomba atómica. Se fuerza la unión de las secciones fisionables a través de un explosivo como el TNT generando una reacción en cadena descontrolada.

• Hiroshima → Uranio–235 (6 agosto 1945)
• Nagasaki → Plutonio–239 (9 agosto 1945)

Reactores Nucleares de Fisión

Una aplicación de la fisión nuclear es la generación de electricidad aprovechando el calor de una reacción en cadena controlada en un reactor nuclear.

• Reactor de agua ligera → utiliza agua (isótopo ¹₁H) como moderador, el cual reduce la energía cinética de los neutrones, provocando una mayor eficiencia en la división de los núcleos de uranio–235. Requiere uranio enriquecido.
• Reactor de agua pesada → utiliza D₂O como moderador (isótopo deuterio). El deuterio absorbe los neutrones con menos eficiencia que el hidrógeno, esto lo hace más eficiente y no requiere uranio enriquecido.
• Reactor de cría → utiliza uranio como combustible, pero a diferencia de un reactor nuclear convencional, produce más material fisionable que el que consume.

Fusión Nuclear

Corresponde a la combinación de pequeños núcleos en otros más grandes, está exenta en gran parte del problema asociado al desecho de los desperdicios. Proceso continuo en el Sol, el cual se compone principalmente de hidrógeno y helio. Las reacciones de fusión suelen llamarse también reacciones termonucleares porque se llevan a cabo solo a temperaturas muy elevadas.

Reactores de Fusión

Estas reacciones se llevan a cabo a temperaturas extremadamente altas (100 millones de grados Celsius).

• Ventajas: Combustibles baratos y casi inagotables. Poca generación de desperdicios radiactivos.
• Desventajas: Problemas para mantener unidos a los núcleos. Imposibilidad de lograr las temperaturas adecuadas. Actualmente no existe ningún reactor de fusión que produzca energía.

La Bomba de Hidrógeno

También conocida como bomba termonuclear, contiene deuterio de litio sólido (LiD). La detonación sucede en dos etapas: Primero una reacción de fisión y luego una reacción de fusión. La fuerza de la explosión solo está limitada por la cantidad de reactivos presentes.

Aplicaciones y Efectos de la Energía Nuclear

Aplicaciones de los Isótopos en la Medicina

• Sodio–24 (emisor β) → se utiliza para rastrear el flujo sanguíneo y descubrir obstrucciones en el sistema circulatorio.
• Yodo–131 (emisor β) → se utiliza para medir la actividad de la glándula tiroides.
• Yodo–123 (emisor de rayos gamma) → se utiliza para obtener imágenes del cerebro.
• Tecnecio–99 (emisión de rayos gamma) → se utiliza para obtener imágenes de órganos como el corazón, hígado y pulmones.
• La imagenología busca convertir al paciente en un emisor gamma a través de la inoculación de material radiactivo desde el exterior.

Efectos Biológicos de la Radiación

El efecto biológico de la radiación depende de diversos factores como la dosis recibida, el tiempo de exposición, la región del cuerpo que se haya expuesto y el tipo de radiación.

• Estroncio–90 → emisor beta, es capaz de reemplazar el calcio de los huesos.
• Iones superóxido (O₂^–) → atacan membranas celulares de los tejidos y compuestos orgánicos, como enzimas y ADN.

Los efectos son múltiples y de diversa gravedad, incluyendo quemaduras, mutaciones genéticas, esterilidad, cáncer (crecimiento celular anormal), entre muchos otros.