Origen de la radiactividad. Reacciones nucleares.
A continuación se responden a las cuestiones propuestas en la última diapositiva del enlace anterior.
Ejercicios:
1. ¿En qué unidades se mide (típicamente) la energía de la siguiente gráfica? ¿Cuál es el factor de conversión de estas unidades con las más habituales?
La unidad para medir la energía en el sistema internacional es el julio (J). El julio (J) se define como la cantidad de trabajo realizado por una fuerza constante de un newton durante un metro de longitud en la misma dirección de la fuerza. Es decir:
El julio también se puede
definir como el trabajo necesario para mover una carga eléctrica de un culombio
a través de una tensión (diferencia de potencial) de un voltio.
Sin embargo, la unidad
típicamente utilizada para medir la energía procedente de las reacciones
nucleares es el electronvoltio (eV). Como generalmente se trata de valores altos, las unidades en
las que se mide son KeV o MeV.
El electronvoltio es una unidad de energía que representa la variación
de energía potencial que experimenta un electrón
al moverse desde un punto de potencial Va hasta un punto de potencial Vb cuando
la diferencia de potencial entre ambos puntos es de 1V.
Se puede observar que la
definición de electronvoltio deriva de la segunda definición de julio, en el
que la carga que se mueve es la de un electrón: 1,602176565 × 10-19
C.
De este modo:
Por tanto, la conversión de electronvoltios a julios es:
2. ¿De qué orden son los valores de energía que intervienen en las reacciones nucleares? ¿Y en la reacciones químicas? Busca algún ejemplo concreto.
La energía producida en una reacción nuclear es muy superior
a la producida en una reacción química. Para ver la diferencia de energía
generada, a continuación se compara la energía producida por la fisión del 235U y
la energía producida por la combustión de la Antracita.
La energía desprendida en la fisión de cada núcleo de 235U es, en promedio, de
200 MeV. Aplicando factores de
conversión, se puede obtener la energía liberada por cada gramo de 235U:
En comparación con una reacción química, la combustión de
1 kg de carbón de la mejor calidad (Antracita) produce una energía de unos 35 MJ, por lo tanto, cada gramo de
antracita producirá:
Comparando la energía producida, un gramo de 235U
genera más de 2,2 millones de veces más energía que la combustión de un gramo
de Antracita.
3. ¿Podéis hacer un esquema (una tabla o similar) con todos los tipos de reacciones nucleares existentes?
Los distintos tipos de reacciones nucleares se puede dividir en dos grandes grupos atendiendo a su naturaleza:
- Reacciones naturales: Son las reacciones que se dan en la naturaleza sin necesidad de que el hombre intervenga. Dentro de este grupo se encuentran:
- Fisión nuclear: Un núcleo pesado se disgrega, dando lugar a uno o varios núcleos más ligeros.
- Desintegraciones nucleares: Los nucleidos radiactivos son inestables y sufren una transformación espontánea en nucleidos de otros elementos, liberando energía en el proceso.
- Reacciones no naturales: Son reacciones que necesitan la intervención del hombre para producirse. Podemos encontrar las siguientes:
- Fusión nuclear: Núcleos ligeros se combinan para formar núcleos más pesados. Cabe destacar que los procesos de fusión si que tienen lugar de forma natural en el interior de las estrellas, donde las temperaturas son de millones ºC.
- Reacciones de fisión en cadena: Reacciones nucleares que se sostienen en el tiempo al provocar un neutrón la fisión de un átomo, lo cual libera varios neutrones, que a su vez causan otras fisiones.
Las reacciones más importantes para la instrumentación biomédica son las desintegraciones nucleares.
Las reacciones de desintegración pueden ser de varios tipos, pero
antes de explicarlos, conviene recordar la notación utilizada y las distintas
partículas involucradas.
Los elementos se representan mediante su símbolo (X), número
atómico (Z) y número másico (A) de la forma:
En cuanto a las partículas, se puede hacer una extensión de
esta notación y quedarían de la forma:
- Protones:
- Neutrones:
- Electrones:
- Positrones:
- Rayos Gamma:
Así pues, los esquemas para representar las distintas
desintegraciones nucleares serán:
- Desintegración alfa:
- Desintegración beta positiva:
* - Desintegración beta negativa:
* - Desintegración gamma:
*En las radiaciones beta positivas/negativas también se
generan neutrinos y antineutrinos respectivamente.
Existen otros tipos de reacciones por desintegración nuclear
como, por ejemplo, la captura electrónica, pero no se va a entrar en su
detalle.
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