Energía nuclear

Introducción

Propiedades y estabilidad del núcleo atómico

IsótoposEl químico inglés Frederick Soddy (1877-

1956) demostró experimentalmente la existencia de varios átomos que, perteneciendo a un mismo elemento, no tenían la misma masa. A estos elementos los llamó isótopos.

Los isótopos tienen igual número de protones, pero distinto número de neutrones, por eso difieren en masa.

Los isótonos son núclidos con el mismo número de neutrones (n), por ejemplo 13 C6 y 7N14.

Los isóbaros son núclidos con el mismo número atómico (A), por ejemplo 6C14 y 7N14.

Propiedades del núcleo atómicoMasa nuclear

la mayor parte de la masa del átomo está localizada en el núcleo.

Los átomos neutros contienen un electrón por cada protón.

si se mide con mucha precisión la masa nuclear, resulta que esta es menor que la suma de las masas de las partículas que la componen.

EjercicioSe sabe que el carbono tiene tres isótopos (el isótopo C-14,

ampliamente utilizado en la estimación de las edades de fósiles orgánicos, se encuentra en muy baja proporción en la naturaleza, por lo que su aporte se puede despreciar), y que la abundancia del isótopo C-12 es 98,89% y del isótopo C-13 es de 1,11%. ¿Cuál es la masa atómica promedio del carbono?

Resolución:

Defecto de masa Si pesamos los

componentes del núcleo de un átomo y luego pesamos el átomo entero, hay un defecto de masa, que es lo que se conoce como energía de enlace, es decir, materia, que según la fórmula de Einstein se convierte en energía. 

Estabilidad nuclear¿cómo puede existir en un espacio tan pequeño

partículas de igual carga eléctrica a corta distancia?.

Los científicos consideran que existente tres aspectos que influyen en la estabilidad del núcleo y que dan respuesta satisfactoria al cuestionamiento planteado, que son:

- La interacción nuclear fuerte,- La relación de la cantidad de protones y neutrones

y- La energía del núcleo

Estabilidad Nuclear es el equilibrio entre las fuerzas de repulsión

eléctrica de los protones y la fuerza atractiva nuclear de corto alcance que experimentan los protones y neutrones del núcleo.

La relación entre el número de protones ( p + ) y de neutrones (n) es, por lo tanto, clave para la estabilidad del núcleo.

Fuerzas nuclearesLa interacción nuclear fuerte es

una fuerza atractiva de corto alcance (que vence la repulsión electromagnética) y que actúa a distancias entre partículas del orden de 1 0 −15 m. Esta fuerza actúa entre dos protones, dos neutrones o entre un protón y un neutrón y existe solo en el núcleo atómico.

Cuanto mayor es la interacción nuclear fuerte, tanto más estable es el núcleo atómico.

Relación entre la cantidad de protones y neutronesEn los núcleos ligeros la estabilidad se

consigue cuando el número de neutrones (n) es aproximadamente igual al número de protones ( p + ).

En los núcleos pesados, la estabilidad se

consigue con mayor número de neutrones y la relación entre n y p + puede llegar a ser superior a 1, de lo contrario el núcleo será “inestable”, lo que podría provocar su desintegración.

Al graficar el número de neutrones (n) versus el número de protones(o número atómico, Z) de los isótopos, se obtiene la zona conocida como banda de estabilidad, como muestra el siguiente gráfico:

Los isótopos estables tienen una relación neutrones / protones que está dentro de la “banda de estabilidad”. Se puede establecer que:

- Para los isótopos ligeros (masa atómica pequeña), la relación estable es de 1.

- Para los isótopos pesados aumenta hasta cerca de 1,5.

- No existen isótopos estables para elementos químicos de número atómico mayor a 83 (por ejemplo, el bismuto). Los isótopos que tienen una relación neutrones / protones mayor o menor al “cinturón de estabilidad” son inestables y se descomponen espontáneamente por medio de un tipo de reacción nuclear

Los núcleos inestables, producen reacciones químicas conocidas como descomposición radiactiva o desintegración.

En la naturaleza existen sólo unos pocos núcleos inestables y su descomposición se conoce con el nombre de radiactividad natural.

En el laboratorio se han preparado mucho más isótopos inestables y al proceso de descomposición de estos núcleos se le llama radiactividad artificial.