Radiactividad y energía nuclear
En el Nevado del Ruiz, en un hospital de Bogotá y en una roca de la Sierra Nevada hay átomos cuyo núcleo no es estable y cambia por sí solo. Un hospital usa esa propiedad para tratar tumores y un geólogo, para saber cuántos millones de años tiene una roca. ¿Cómo cambia un átomo cuando se desintegra, y por qué algunos procesos nucleares liberan tanta energía? Lo resolvemos en esta página.
Radiactividad y tipos de radiación
En las reacciones químicas que viste en estequiometría, los átomos se reorganizan, pero cada núcleo queda intacto. En la radiactividad cambia el núcleo mismo: un núcleo inestable emite radiación y se transforma en otro elemento.
Un núcleo se describe con su número atómico $Z$ (protones) y su número másico $A$ (protones + neutrones): $^{A}_{Z}X$. Los isótopos de un elemento tienen igual $Z$ y distinto $A$.
Los tres tipos de radiación más conocidos son:
| Radiación | Qué es | Símbolo | Carga | Poder de penetración |
|---|---|---|---|---|
| Alfa (α) | Partícula: núcleo de helio (2 protones y 2 neutrones) | $^{4}_{2}He$ | +2 | Bajo: la detiene una hoja de papel |
| Beta (β⁻) | Partícula: electrón que sale del núcleo | $^{0}_{-1}e$ | −1 | Medio: la detiene una lámina de aluminio |
| Gamma (γ) | Radiación electromagnética (sin masa ni carga) | $\gamma$ | 0 | Alto: se necesita plomo o concreto grueso |
Define con tus palabras qué es la radiactividad y nombra los tres tipos de radiación más conocidos: alfa, beta y gamma. Para cada uno, indica si corresponde a una…
Define con tus palabras qué es la radiactividad y nombra los tres tipos de radiación más conocidos: alfa, beta y gamma. Para cada uno, indica si corresponde a una partícula o a radiación electromagnética.
Ecuaciones de desintegración
En una ecuación nuclear se conservan dos cosas: la suma de los números másicos $A$ y la suma de los números atómicos $Z$ (la carga nuclear). Es el equivalente nuclear de la conservación de la masa en una ecuación química.
El uranio-238 emite una partícula alfa y se transforma en torio: $^{238}{92}U \rightarrow\ ^{A}{Z}Th + ^{4}{2}He$. Calcula el número másico $A$ y el número atómico $Z$…
El uranio-238 emite una partícula alfa y se transforma en torio: $^{238}_{92}U \rightarrow\ ^{A}_{Z}Th + ^{4}_{2}He$. Calcula el número másico $A$ y el número atómico $Z$ del torio formado, explicando qué se conserva en la ecuación.
Completa las siguientes ecuaciones de desintegración indicando el núcleo o la partícula que falta, y di de qué tipo de desintegración se trata en cada caso: a)…
Completa las siguientes ecuaciones de desintegración indicando el núcleo o la partícula que falta, y di de qué tipo de desintegración se trata en cada caso:
- a) $^{14}_{6}C \rightarrow\ ^{14}_{7}N + \ ?$
- b) $^{226}_{88}Ra \rightarrow\ ^{222}_{86}Rn + \ ?$
Explica cómo cambian el número atómico y el número másico en cada una.
Series de desintegración
A veces el hijo también es inestable y se desintegra de nuevo, y así sucesivamente hasta llegar a un núcleo estable. Para hallar cuántas emisiones hubo, se plantean dos ecuaciones de conservación.
El uranio-238 se transforma en plomo-206 mediante una serie de desintegraciones alfa y beta menos: $^{238}{92}U \rightarrow\ ^{206}{82}Pb + x\,^{4}{2}He + y\,^{0}{-1}e$.…
El uranio-238 se transforma en plomo-206 mediante una serie de desintegraciones alfa y beta menos: $^{238}_{92}U \rightarrow\ ^{206}_{82}Pb + x\,^{4}_{2}He + y\,^{0}_{-1}e$. Plantea las ecuaciones de conservación del número másico y de la carga nuclear, resuélvelas para hallar $x$ y $y$, e interpreta el resultado. Luego explica cómo la proporción entre uranio-238 y plomo-206 en una roca permite estimar su edad, y qué papel cumple la vida media en ese método.
Vida media y decaimiento
No se puede saber cuándo se desintegrará un núcleo en particular, pero en una muestra con muchos núcleos el comportamiento es muy regular.
Después de cada vida media, queda la mitad de lo que había: $\frac{1}{2}$, $\frac{1}{4}$, $\frac{1}{8}$… La cantidad que queda después de $n$ vidas medias es
$$m = m_0 \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^n$$Datación con uranio-238
Una roca que se formó con uranio-238 lo va transformando en plomo-206, con vida media de unos 4.500 millones de años. Al medir la proporción entre uranio y plomo en la roca se sabe cuántas vidas medias han pasado. Si hay tanto uranio como plomo, ha pasado una vida media; si hay tres partes de plomo por una de uranio, han pasado dos. Así se estima la edad de la roca (y de la Tierra).
Un isótopo radiactivo tiene una vida media de 5 días. Una muestra tiene inicialmente 80 mg del isótopo. Elabora una tabla que muestre la masa que queda después de 5, 10,…
Un isótopo radiactivo tiene una vida media de 5 días. Una muestra tiene inicialmente 80 mg del isótopo. Elabora una tabla que muestre la masa que queda después de 5, 10, 15 y 20 días, y calcula qué fracción de la muestra original ha decaído a los 20 días.
Fisión y fusión
La energía nuclear es mucho mayor que la de las reacciones químicas. En los procesos nucleares una pequeña parte de la masa se convierte en energía ($E = mc^2$). Hay dos formas de obtenerla.
La fusión es lo que ocurre en el Sol: núcleos de hidrógeno se unen a temperaturas de millones de grados y forman helio. En la Tierra todavía no se aprovecha para producir electricidad de forma comercial.
| Fisión | Fusión | |
|---|---|---|
| Combustible | Uranio-235, plutonio-239 | Isótopos de hidrógeno (deuterio, tritio) |
| Residuos | Radiactivos, de vida larga | Poco radiactivos, de vida corta |
| Condiciones | Neutrones; se logra en un reactor | Millones de grados y alta presión |
| Estado actual | Se usa en centrales eléctricas en el mundo | Experimental, sin uso comercial |
Clasifica cada proceso como fisión nuclear o fusión nuclear y justifica brevemente tu elección: a) un núcleo pesado de uranio se divide en dos núcleos más pequeños al…
Clasifica cada proceso como fisión nuclear o fusión nuclear y justifica brevemente tu elección: a) un núcleo pesado de uranio se divide en dos núcleos más pequeños al ser golpeado por un neutrón; b) en el interior del Sol, núcleos de hidrógeno se unen para formar helio.
En la reacción de fisión $^{235}{92}U + ^{1}{0}n \rightarrow\ ^{141}{56}Ba + ^{A}{36}Kr + 3\,^{1}{0}n$ se produce un isótopo de kriptón. Calcula el número másico $A$ del…
En la reacción de fisión $^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n \rightarrow\ ^{141}_{56}Ba + ^{A}_{36}Kr + 3\,^{1}_{0}n$ se produce un isótopo de kriptón. Calcula el número másico $A$ del kriptón y explica por qué los neutrones liberados permiten que ocurra una reacción en cadena.
Energía nuclear: debate con argumentos
Colombia produce buena parte de su electricidad con hidroeléctricas (Ituango, el Guavio) y con térmicas de gas y carbón. Cada fuente tiene ventajas y costos, y la nuclear también.
Una discusión pública en Colombia plantea si el país debería considerar la energía nuclear además de fuentes como la hidroeléctrica de Ituango o el carbón. Compara la…
Una discusión pública en Colombia plantea si el país debería considerar la energía nuclear además de fuentes como la hidroeléctrica de Ituango o el carbón. Compara la fisión y la fusión en cuanto a: combustible utilizado, tipo de residuos, condiciones necesarias para que ocurra y estado actual de su aprovechamiento para producir electricidad. Con base en tu comparación, redacta un argumento a favor y otro en contra de la energía nuclear de fisión.
Resumen
Vuelve al principio: el hospital y el geólogo usan la misma idea. Los núcleos inestables se transforman con una regularidad medible, y esa regularidad sirve para tratar un tumor o fechar una roca.