Unidades Didácticas

El Núcleo Atómico

Isabel Poyato.
Departamento de Física y Química. I.E.S. Santa Engracia.

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Introducción | Propiedades del Núcleo | Radiactividad Natural | Radiactividad Artificial

Es una pequeña región central del átomo donde se encuentran distribuidos los neutrones y protones, partículas fundamentales del núcleo, que reciben el nombre de nucleones.

Para explicar la naturaleza de las fuerzas nucleares que mantienen unidas a las partículas dentro de los núcleos, es necesario analizar sus propiedades. En general, un núcleo tiene una masa y está cargado electricámente. Además, tiene un tamaño que se puede medir por su radio. Los nucleones se mueven bajo la acción de sus interacciones mutuas y la intensidad de sus interacciones se puede medir por su energía de enlace o energía de ligadura nuclear.

A) NÚMERO MÁSICO, CLASIFICACIÓN DE LOS NUCLEIDOS.

B) CARGA Y TAMAÑO DEL NÚCLEO.

C) ENERGÍA DE ENLACE.

D) CARACTERÍSTICAS DE LAS FUERZAS NUCLEARES.

A) NÚMERO MÁSICO.CLASIFICACIÓN DE LOS NUCLEIDOS

Igual que todos los átomos que tienen el mismo número atómico, pertenecen al mismo elemento químico, todos los núcleos que tienen igual número de protones e igual número de neutrones, pertenecen al mismo nucleido.

Un núcleo está constituido por un número de neutrones y un número de protones cuya suma recibe el nombre de número másico y se representa por A.

A = N + Z

Notación:_ZX^A

A = número másico

N = número de neutrones

Z = número de protones

Los nucleidos se clasifican en:

• Isótopos: núcleos con igual número de protones, pero distinto número de neutrones, y por tanto distinto número másico.
• Isótonos: núcleos con igual número de neutrones, pero distinto número de protones, y por tanto distinto número másico.
• Isóbaros: núcleos con distinto número de protones y distinto número de neutrones, pero igual número másico.

En la tabla de isótopos desde Z=1 hasta Z=28, podemos observar los isótopos para cada valor de Z, los isótonos para cada valor de N, así como los isóbaros para valores de A.

Las tablas de isótopos se pueden obtener pulsando:

• Superchart PDF Se necesita ACROBAT READER

  La fuerza nuclear no requiere una proporción fija de protones y neutrones en el núcleo. En los núcleos livianos, el número de neutrones y de protones es el mismo, mientras que en los núcleos más pesados, aumenta el número de neutrones frente al de protones lo que produce un efecto estabilizante compensando el efecto de la repulsión electrostática de los protones entre sí.

Más información:

Pulsando sobre el gráfico superior o aquí: Table of the Nuclides , se puede obtener una información más detallada de todos los nucleidos conocidos. Cada línea horizontal representa un elemento y sus isótopos conocidos. Una columna vertical representa los isótonos conocidos para un número determinado de neutrones. Las líneas más gruesas representan valores de Z y N igual a 2, 8, 20, 28, 50, 82, y 126. Estos son los llamados "números mágicos". Una vez se haya accedido, pulsando en una zona del gráfico similar a éste, se puede ver con más detalle la zona interesada. El color del nucleido da una idea de su vida media. Pulsando en una celda, se obtiene una relación de las propiedades del nucleido o del átomo como la masa atómica, energía de enlace, partícula que emite si es radiactivo, vida media y otras propiedades. Si se desea conocer las propiedades de un nucleido concreto se escribe el símbolo y su número másico, como por ej, U235 y se envía (query)

ESTABILIDAD NUCLEAR

Un núcleo se considera estable si no se transmuta en 10²¹años, si bien puede transmutarse en otros núcleos bajo ciertas condiciones.

Hay 115 elementos químicos conocidos, de los cuales, 92 existen en la naturaleza y el resto ha sido obtenido artificialmente. Se conocen hoy en día unos 2000 nucleidos, de los cuales son estables 274. Unos 340 existen en la Naturaleza y el resto se han producido en el laboratorio. Por tanto, la mayoría de los nucleidos son radiactivos.

Los nucleidos radiactivos son inestables y se transforman espontáneamente con el tiempo formando otros nucleidos.

Se presenta a continuación una clasificación de los nucleidos estables atendiendo al número par o impar de sus nucleones:

TABLA DE NUCLEIDOS ESTABLES

Solo hay cuatro nucleidos estables con Z y N impar, mientras que hay 165 nucleidos estables con Z y N par lo que hace suponer que:

• Puesto que el número de nucleidos estables es máximo cuando Z y N son pares, debe haber una tendencia a formar pares protón-protón y neutrón-neutrón y puesto que solo hay cuatro nucleidos estables con Z y N impares, un protón no tiende a parearse con un neutrón.
• El número de nucleidos estables con Z o N impar es la tercera parte de los nucleidos con Z y N pares, lo que indica la posibilidad de que el comportamiento de los neutrones y protones sea similar y que la naturaleza de la carga de los nucleones sea independiente de la estabilidad.

La carga del núcleo determina su posición en el sistema periódico. Rutherford demostró que la mayor parte de la masa del átomo y su carga positiva están localizados en una pequeña región central del átomo que llamó núcleo, cuyo radio calculó del orden de 10^-14m a través del estudio de dispersión de partículas alfa al incidir en núcleos de átomos metálicos. El radio nuclear ha sido calculado posteriormente, siendo del orden de 10^-15m., y resultando ser proporcional al número másico A:

R = r_o.A^1/3

r_oes un valor constante para todos los núcleos y es igual a 1'3.10^-15m.

Por tanto, el volumen de un núcleo si se considera su forma esférica, es proporcional al número A de nucleones, y la densidad nuclear es un valor constante, 10¹⁵veces mayor que la densidad de la materia macroscópica, lo que da una idea de la gran compacidad de los nucleones dentro de un núcleo. Asímismo, demuestra que la materia macroscópica está esencialmente vacía, ya que la mayor parte de la masa está concentrada en los núcleos.

C) ENERGIA DE ENLACE NUCLEAR

Se define como la energía necesaria para separar los nucleones de un núcleo, o bien como la energía que se libera cuando se unen los nucleones para formar el núcleo.

El origen de la energía de ligadura o de enlace nuclear reside en la desaparición de una parte de la masa de los nucleones que se combinan para formar el núcleo. Esta diferencia de masa recibe el nombre de defecto másico, y se transforma en energía cuyo cálculo se puede realizar por la ecuación de Einstein, E=m.c²

Si a la suma de las masas de los nucleones y electrones de un átomo le restamos la masa medida experimentalmente a través del espectrógrafo de masas, obtenemos el defecto másico, y podemos calcular la energía total de enlace. La energía de enlace o de ligadura será equivalente a la energía liberada en la formación de un núcleo.

La u.m.a. se define como la doceava parte de la masa del átomo ₆C¹²y 1 u.m.a.=1'66.10^-27Kg, por lo que sustituyendo en la ecuación de Einstein, E=m.c², E = 931.5 MeV, es decir, 1 u.m.a. libera 931'5 MeV. Por tanto, la energía liberada (B) en la formación de un núcleo será:

B = defecto másico × 931 MeV.

Ahora bien, es más interesante calcular la energía de enlace por nucleón, y representarla frente al número másico A. La energía de enlace por nucleón se obtiene dividiendo la energía de enlace del núcleo por sus A nucleones, y es la energía necesaria para extraer del núcleo una de sus partículas constituyentes.

Si bien en los núcleos livianos se observa un aumento abrupto de la energía de enlace por nucleón frente al número másico A, a partir de A=10, la energía de enlace por nucleón es prácticamente constante.

El máximo corresponde a núcleos semipesados con A=62 (Fe, Co, Ni), donde las fuerzas de atracción serán máximas. El decrecimiento de la energía para A>60 se debe a la repulsión culombiana entre los protones cuyo número va aumentando y reduce por tanto la estabilidad de los núcleos. En los núcleos ligeros, cada nucleón es atraido por pocos nucleones, lo que tambien reduce su estabilidad.

D) CARACTERISTICAS DE LAS FUERZAS NUCLEARES

• Las fuerzas nucleares son fuerzas atractivas de gran intensidad dado el tamaño de los núcleos y su enorme densidad, que predominan en el núcleo venciendo la repulsión electrostática entre los protones.
• Son de corto alcance, es decir, cada nucleón interacciona con los nucleones más próximos, si bien a distancias muy cortas, las fuerzas nucleares se hacen repulsivas lo que explica que los nucleones permanezcan a distancias medias constantes y que el volumen por nucleón sea constante.
• La fuerza de interacción entre dos nucleones es independiente de la carga, por lo que la fuerza entre dos nucleones, bien sean protón-protón, neutrón-neutrón o protón-neutrón, es aproximadamente la misma.

RADIACTIVIDAD NATURAL

Los núcleos atómicos de una sustancia radiactiva no son estables y se transmutan espontáneamente en otros núcleos emitiendo partículas alfa, beta y gamma.

Las partículas alfa son átomos de He doblemente ionizados, es decir, que han perdido sus dos electrones. Por tanto, tienen dos neutrones y dos protones. Es la radiación característica de isótopos de número atómico elevado, tales como los del uranio, torio, radio, plutonio. Dada la elevada masa de estas partículas y a que se emiten a gran velocidad por los núcleos (su velocidad es del orden de 10⁷m/s), al chocar con la materia pierden gradualmente su energía ionizando los átomos y se frenan muy rápidamente, por lo que quedan detenidas con tan sólo unos cm de aire o unas milésimas de mm de agua. En su interacción con el cuerpo humano no son capaces de atravesar la piel. Así pues, tienen poco poder de penetración siendo absorbidos totalmente por una lámina de aluminio de 0.1 mm de espesor o una simple hoja de papel.

Las partículas beta son electrones emitidos a grandes velocidades próximas a la de la luz. Debido a la menor masa que la radiación alfa, tienen más poder de penetración que las partículas alfa siendo absorbidas por una lámina de aluminio de 0.5 mm de espesor y quedan frenadas en algunos m de aire, o por 1 cm de agua. En el cuerpo humano, pueden llegar a traspasar la piel, pero no sobrepasan el tejido subcutáneo. Los positrones son partículas con masa despreciable y carga equivalente a la de un protón.

Las partículas gamma son radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza que los rayos X pero de menor longitud de onda. Su poder de penetración es muy elevado frente al de las partículas alfa o beta, pudiendo atravesar el cuerpo humano. Quedan frenadas con espesores de 1 m de hormigón o unos pocos cm de plomo, por lo que cuando se utilizan fuentes radiactivas que emiten este tipo de radiación, hay que utilizar blindajes adecuados.

Los neutrones proceden de reacciones de fisión o de reacciones nucleares con otras partículas. Pueden ser muy penetrantes excepto en agua y en hormigón, y se utilizan para producir elementos radiactivos cuando interaccionan con elementos estables.

PROCESOS NUCLEARES

	Cuando un núcleo emite una partícula alfa, su número másico se reduce en cuatro unidades y su número atómico en dos unidades.Este proceso se da en átomos con un número atómico elevado. ZXA--->Z-2YA-4+2He4 El proceso de desintegración alfa va acompañado de la emisión de una gran cantidad de energía procedente del defecto másico producido, por lo que la partícula alfa adquiere gran velocidad, del orden de 107m/s.
Cuando un núcleo emite una partícula beta (electrón), su número másico permanece invariable y su número atómico aumenta en una unidad. Este proceso se da en núcleos que presentan un exceso de neutrones, por lo que un neutrón se transforma en un protón y en un electrón (partícula beta) que es emitido. ZXA--->Z+1YA+-1e0 n--->p++e-
	Cuando un núcleo emite una partícula beta positiva (positrón), su número másico permanece constante y su número atómico disminuye en una unidad. Este proceso se da en núcleos que presenten un exceso de protones, por lo que un protón se transforma en un neutrón y en un positrón. ZXA--->Z-1YA++1e0 p+--->n+e+ En ambos tipos de desintegraciones beta se emiten además otras partículas. La emisión de un electrón va acompañada de una partícula llamada neutrino y la emisión de un positrón, de un antineutrino.
También se puede dar la captura K en núcleos con exceso de protones, que consiste en la captura de un electrón por parte del núcleo, seguida de la transformación de un protón en un neutrón. El resultado final es la reducción del número atómico en una unidad mientras que el número másico permanece invariable. ZXA+-1e0 --->Z-1YA
	La radiación gamma se manifiesta en los procesos radiactivos como consecuencia de la desexcitación de un núcleo, que previamente haya sido excitado. Por tanto, los procesos donde se produce emisión de partículas alfa o beta, van acompañados de emisión de radiación electromagnética en forma de fotones que son las partículas gamma. ZX*A----->ZXA+ rad gamma

Algunos isótopos, en particular el uranio-235 y varios isótopos de los elementos transuránicos, producidos artificialmente, pueden desintegrarse mediante un proceso de fisión espontánea en el que el núcleo se divide en dos fragmentos. A mediados de 1980, se observó una forma de desintegración única en la que los isótopos de radio 222, 223 y 224 emiten núcleos de carbono 14 en lugar de desintegrarse como emisores alfa.
Las fuentes mayores de radiactividad natural se encuentran en los minerales de uranio y torio. Estos minerales presentan una serie de nucleidos radiactivos, ya que los nucleidos iniciales U-235, U-238 y Th-232, tienen unos valores de vida media muy grandes y al desintegrarse se transmutan en otros nucleidos también radiactivos, prosiguiendo este proceso en desintegraciones sucesivas hasta llegar a un nucleido estable. Resultan unas series características según el numero másico: la serie 4n (Th-232), la serie 4n + 1 (Np-237), la serie 4n + 2 (U-238), y la serie 4n + 3 (U-235). La serie del Np-237 es la única en la que todos son elementos radiactivos artificiales

Cuando el uranio-238, se desintegra por emisión alfa, se forma torio-234 que es un emisor beta y se desintegra para formar protoactinio-234, que a su vez emite radiación beta formando un nuevo isótopo del uranio, el uranio-234. Este isótopo se desintegra mediante emisión alfa para formar torio-230 que es un emisor alfa y forma el radio-226. La serie continúa de forma similar con otras cinco emisiones alfa y otras cuatro emisiones beta hasta llegar al producto final, un isótopo estable del plomo, el plomo-286. Un proceso similar ocurre con las otras tres series.

CINETICA DE LA RADIACTIVIDAD

La desintegración de un núcleo radiactivo es un proceso espontáneo y es imposible predecir cuando un átomo se transmutará. Ahora bien, cuando hay una gran cantidad de átomos radiactivos, se puede demostrar que la cantidad de núcleos iniciales disminuye con el tiempo.

El número de átomos que se desintegran en un tiempo dado es directamente proporcional al número de átomos presentes en la muestra. La constante de proporcionalidad es conocida como la constante de desintegración.

Se llama periodo de semidesintegración al tiempo t_1/2, para el cual, el número de núcleos iniciales se reduce a la mitad. Cada sustancia radiactiva tiene un periodo de semidesintegración.

La vida media es el valor medio de duración de los átomos de una sustancia radiactiva.

Una reacción nuclear artificial consiste en la desintegración de un núcleo estable por bombardeo con partículas , en otro núcleo distinto produciéndose la emisión de otras partículas. La primera desintegración artificial fue realizada por Rutherford en 1919 que bombardeó núcleos de nitrógeno con partículas alfa emitidas por una fuente radiactiva:

₇N¹⁴+₂He⁴--->₈O¹⁷+₁H¹

Chadwick bombardeó el berilio con partículas alfa desintegrándose en carbono y emitiendo una partícula hasta entonces desconocida, sin carga puesto que no se desviaba ante campos eléctricos y no producía ionización, a la que se llamó neutrón.

₄Be⁹+₂He⁴--->₆C¹²+₀n¹

Joliot y Curie bombardearon elementos ligeros como el boro, aluminio y magnesio con partículas alfa emitidas por el polonio. En todos los casos, se observó la emisión de neutrones y positrones. En el caso del aluminio, el producto recogido era un isótopo del fósforo, el ³⁰P, pues hasta entonces sólo se conocía el ³¹P. En el momento en que cesó el bombardeo de partículas alfa, cesó la emisión de neutrones, pero prosiguió la de positrones. El proceso era el siguiente:

₁₃Al²⁷+₂He⁴--->₁₅P³⁰+₀n¹

₁₅P³⁰--->₁₄Si³⁰+₊₁e⁰

Después del descubrimiento de este nuevo isótopo, Fermi y colaboradores bombardearon con neutrones diversos elementos produciendo nuevos radionucleidos. Los elementos transuránicos se producen así. Posteriormente, se han ido obteniendo más radioisótopos por bombardeo de núcleos con partículas aceleradas como partículas alfa, beta, positrones, protones, deuterones, tritiones, ..., y necesitan tener una gran energía cinética para vencer la repulsión culombiana entre los núcleos que se van a reagrupar.

El estudio de las reacciones nucleares y la búsqueda de nuevos isótopos radiactivos artificiales, sobre todo entre los elementos más pesados, llevó al descubrimiento de la fisión nuclear. Cuando se bombardea el uranio-235 con neutrones, se descompone en dos núcleos, produciéndose un gran desprendimiento de energía y la emisión de nuevos neutrones. Estos, a su vez, pueden colisionar con nuevos núcleos fisionables que emitirán nuevos neutrones y así sucesivamente. Este efecto multiplicador se conoce como reacción en cadena.

En la fusión nuclear, dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado y estable, con gran desprendimiento de energía. Para que tenga lugar la fusión, los núcleos cargados positivamente deben aproximarse venciendo las fuerzas electrostáticas de repulsión, por lo que han de alcanzar energías cinéticas muy altas, lo que se puede conseguir por un acelerador de partículas o con energía térmica.

Más información:

Ionizing Radiation and Radioactivity ( Ionizing Radiation and Radioactivity Canada's National Meson Research Facility: University of Alberta, Simon Fraser University, University of Victoria, University of British Columbia) En esta dirección se puede encontrar una serie de páginas con ilustraciones y temas relacionados con el núcleo atómico y la radiactividad y está dirigido a estudiantes de Bachillerato.

Chapter of the Health Physics Society. La Universidad de Michigan dispone de unas páginas dedicadas a los distintos tipos de radiación, vida media, radiactividad natural con estupendas ilustraciones en cada tema.

Radiological SciencesUniversidad de Nuevo Méjico. Ofrece una información completa sobre radiactividad. Está dirigida a estudiantes universitarios y por tanto el nivel de profundización es mayor.

Programas recomendables (freeware, shareware) sobre radiactividad:

NUCLEAR (V1.0)Este programa shareware contiene un número de secuencias animadas diseñadas para ayudar a comprender los conceptos presentados. Se incluyen secciones interactivas sobre los tipos de radiación, la vida media, reacciones nucleares, fisión y fusión nuclear.(Programa para Windows)

Virginia Tech Chemistry Deparment DECAY es un sencillo programa que simula la desintegración de una muestra de 525 átomos. Se pueden elegir cuatro nucleidos cuya vida media va desde el Rn-222 con 3.9 días al Tritio con 12.5 años. Además se obtiene la representación de N o log N frente a t. (Programa para MS-DOS)

Información sobre protección ambiental:

Consejo de Seguridad Nuclear Este servidor nos suministra información sobre la protección ambiental (nociones básicas de seguridad nuclear y protección radiológica personal y ambiental, residuos, ...). Incluye disposiciones legales y de ordenamiento comunitario sobre riesgos nucleares, instalaciones, transportes y protección radiológica. Además dispone de una serie divulgativa de publicaciones que pueden ser solicitadas y dedica un apartado donde se reflejan las noticias de última hora.

Radiation and Life Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO). Comentarios breves sobre los distintos tipos de radiación, riesgos en la salud por irradiación y aplicaciones en la medicina.