1 / 48

Capítulo 24: Reacciones nucleares y sus aplicaciones

Capítulo 24: Reacciones nucleares y sus aplicaciones. 24.1 Decaimiento radiactivo y estabilidad nuclear 24.2 La cinética del decaimiento radiactivo 24.3 Transmutación nuclear: Cambios inducidos en el núcleo 24.4 Los efectos de la radiación nuclear sobre la materia

tobias-duncan
Download Presentation

Capítulo 24: Reacciones nucleares y sus aplicaciones

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Capítulo 24: Reacciones nucleares y sus aplicaciones 24.1Decaimiento radiactivo y estabilidad nuclear 24.2 La cinética del decaimiento radiactivo 24.3 Transmutación nuclear: Cambios inducidos en el núcleo 24.4 Los efectos de la radiación nuclear sobre la materia 24.5 Aplicaciones de los radioisótopos 24.6 La interconversión de masa y energía 24.7 Aplicaciones de la fisión y la fusión

  2. Comparación de reacciones químicas y nucleares Reacciones químicas Reacciones nucleares Tabla 24.1

  3. Propiedades de las partículas fundamentales • Partícula Símbolo Carga Masa • (x10-19 coulombs) (x 10-27 kg) • Protón p +1.60218 1.672623 • Neutrón n 0 1.674929 • Electrón e -1.60218 0.0005486

  4. ESTABILIDAD NUCLEARTipos de decaimiento radiactivo • Decaimiento alfa: isótopos pesados: 42He2+o  • Decaimiento beta: isótopos ricos en neutrones: e–o  • Decaimiento de positrón: isótopos ricos en protones:  • Captura de electrón: isótopos ricos en protones: rayos x • Emisión de rayos gamma (: decaimiento de un núcleo en estado excitado • Fisión espontánea: isótopos muy pesados

  5. Pantalla cubierta de ZnS(o placa fotográfica) El comportamiento de tres tipos de emisión radiactiva en un campo eléctrico Materialradiactivo Bloquede plomo Fuentede voltaje Fig. 24.1

  6. Tabla 24.2 Tipo de decaimiento radiactivo* Cambio en Tipo Emisión Proceso de decaimiento Decai-miento a Producto (hija) Reactante (padre) aexpelido Decai-miento b b expelido en el núcleo en el núcleo Emisión de positrón en el núcleo en el núcleo positrón expelido Capturadeelectrón Fotónderayos x Absorbido de un orbital de baja energía en el núcleo en el núcleo Emisión g núcleoexcitado núcleoestable Fotón gradiado * Los neutrinos (u) están presentes en varios de estos procesos pero no se muestran (p. 1046)

  7. Decaimiento alfa–Elementos pesados • 238U234Th +  + e t1/2 = 4.48 x 10 9 años • 210Po 206Pb +  + e t1/2 = 138 días • 256Rf 252No +  + e t1/2 = 7 ms • 241Am 237Np +  + e t1/2 = 433 días

  8. Decaimiento beta–Emisión de electrones • n p+ +  + energía • 90Sr 90Y + + energía t1/2= 30 años • 14C 14N +  + energía t1/2= 5730 años • 247Am 247Cm +  + energía t1/2= 22 min • 131I 131Xe +  + energía t1/2 = 8 días

  9. Captura de electrón–Emisión de positrones p+ + e– n + energía = Captura de electrón p+ n + e+ + energía = Emisión de positrón 51Cr + e– 51V + energía t1/2 = 28 días 7Be 7Li +  + energía t1/2 = 53 días 177Pt + e– 177Ir + energía t1/2 = 11 s 144Gd 144Eu +  + energía t1/2 = 4.5 min

  10. Decai-miento a Estable Emisor a Captura de e– y/o emisión de posición Emisor b Región mostrada en B Decaimiento b Neutrones (N) Neutrones (N) Protones (Z) Gráfica de neutrones contra protones para núcleos estables Emisión de positrón y/o captura de electrón Protones (Z) Fig. 24.2

  11. Número de núclidos estables para elementos del 48 al 54 Número número de Elemento atómico (Z) núclidos Cd 48 8 In 49 2 Sn 50 10 Sb 51 2 Te 52 8 I 53 1 Xe 54 9 Tabla 24.3 (p. 1068)

  12. Distribución de núclidos estables • Protones Neutrones Núclidos % estables • Par Par 157 58.8 • Par Impar 53 19.9 • Impar Par 50 18.7 • Impar Impar 7 2.6 Total = 267 100.0% (c.f. Tabla 24.4, p. 1069)

  13. La serie de decaimiento del 238U decaimiento a decaimiento b Neutrones (N) Fig. 24.3 Protones (Z)

  14. Series de decaimiento de isótopos existentes 40K 40Ar t1/2 = 1.29 x 109 años 232 Th 208 Pb t1/2 = 1.4 x 1010 años 235U 207 Pb t1/2 = 7 x 108 años 238U 206 Pb t1/2 = 4.5 x 109 años

  15. Serie de decaimiento natural del uranio-238 238U234 Th 234Pa 234U 230 Th 226Ra 222Rn 218Po 214Pb 218At 214Bi 210 Tl 214Po 210Pb 206Hg 210Bi 206Tl 210 Po206Pb = decaimiento  = decaimiento  238U: 8decaimientosy 6 decaimientos  dan por resultado206Pb

  16. Serie de decaimiento natural del uranio-235 235U231 Th 231Pa 227Ac 223Fr 219At 215Bi 227 Th 223Ra 219Ra 215Po 211Pb 215At 211Bi 207 Tl 211Po207Pb = decaimiento  = decaimiento  235U: 8 decaimientos  y 4 decaimientos  da por resultado207Pb

  17. Serie de decaimiento natural del torio-232 232 Th228Ra 228Ac 228 Th 224Ra 220Rn 216Po 212Pb 212Bi 208Tl 212Po 208Pb = decaimiento  = decaimiento  232 Th: 7 decaimientos  y 4 decaimientos  dan por resultado208Pb

  18. Detección de la radiactividad por uncontador de ionización Partículaemitida Muestra Gas argón Amplificadory contador Película Fuentede voltaje Hacia elánodo (+) Hacia elcátodo (–) Fig. 24.A

  19. Disminución en el número de núcleos de 14C sobre tiempo Número de vidas medias Número inicial de núcleos Número de núcleos al tiempo t Después de la 1a. vida media (5 730) Número de núcleos de 14C (N) Después de la 2a. vida media (11 460) Después de la 3a. vida media (17 190) Tiempo (años) Fig. 24.4

  20. Constantes de decaimiento (k) y vidas medias (t1/2) de isótopos de berilio Núclido kt1/2 74Be 1.30 x 10-2/día 53.3 día 84Be 1.0 x 1016/s 6.7 x 10-17s 94Be Estable 104Be 4.3 x 10-7/años 1.6 x 106 años 114 Be 5.02 x 10-2/s 13.8 s Tabla 24.5 (p. 1073)

  21. Fechado de radiocarbono para determinar la edad de los artefactos Carbón vegetal de la primera cultura polinésica en Hawaii Envolturas de lino del Libro de Isaías, rollos del Mar Muerto Carbón vegetal del primer asentamiento en Japón Árbol quemado por la erupción que creó el Lago Cráter, Oregon Huesos de bisonte quemados asociados con el hombre Folsom, encontrado en Lubbock, Texas Logaritmo natural de la actividad específica Huesos quemados de un perezoso en una cueva chilena. Primer rastro de la presencia humana en Sudamérica Sitio de transición Mesolítica-Neolítica, Cueva Belt, Irán Carbón vegetal de las cuevas de Lascaux, Francia, sitio de pinturas rupestres (véase fondo) Edad (años) Fig. 24.5

  22. Un acelerador lineal Fuentesde voltajealternado Al vacío Fuente de protones Al vacío Fig. 24.6A

  23. El acelerador ciclotrón Fuente de voltaje alternado Ruta del haz de protones Cámara evacuada Fuente deprotones Blanco Imán (el imánsuperiorno se muestra) “Des” Fig. 24.7

  24. Formación de algunos núclidos transuránicos Reacción Vida media del producto 23994Pu + 42He 24095Am + 11H + 2 10n 50.9 h 23994Pu + 42He 24296Cm + 10n 163 días 24496Cm + 42He 24598Bk + 11H + 2 10n 4.94 días 23892U + 126C 24698Cf + 4 10n 36 h 25399Es + 42He 256101Md + 10n 76 min 25298Cf + 105B 256103Lr + 6 10n 28 s Tabla 24.6 (p. 1059)

  25. Poder de penetración de las emisiones radiactivas Fig. 24.8

  26. Unidades de dosis de radiación rad = dosis de radiación-absorbida La cantidad de energía absorbida por kilogramo de tejido: 1 rad = 1 x 10–2 J/kg rem = equivalente Roentgen para el hombre La unidad de dosis de radiación para un hombre: 1 rem = 1 rad x RBE RBE = 10 para  RBE = 1 para rayos x,  y 

  27. Ejemplos de dosis de radiación típicas de fuentes naturales y artificiales (1) Fuente de radiación Exposición promedio de un adulto Natural Radiación cósmica 30-50 mrem/años Radiación de la tierra De suelo de arcilla y rocas ~25-170 mrem/años En casas de madera 10-20 mrem/años En casas de ladrillo 60-70 mrem/años En casas de concreto ligero 60-160 mrem/años Radiación del aire (sobre todo radón) Al aire libre, valor promedio 20 mrem/años En casa de madera 70 mrem/años En casas de ladrillo 130 mrem/años En casas de concreto ligero 260 mrem/años Radiación interna de minerales en agua potable e ingesta diaria en los alimentos ~40 mrem/años ( 40K, 14C, Ra) Tabla 24.7 (p. 1081)

  28. Ejemplos de dosis de radiación típicas de fuentes naturales y artificiales (2) Fuente de radiación Exposición promedio de un adulto Artificial Métodos de diagnóstico por rayos-X Pulmón (local) 0.04-0.2 rad/película Riñón (local) 1.5-3.0 rad/película Dental (dosis a la piel) ≤ 1 rad/película Tratamiento de radiación terapéutica localmente ≤ 10,000 rad Otra fuentes Vuelo de jet (4 h) ~1 mrem Prueba nuclear < 4 mrem/años industria de energía nuclear < 1 mrem/años Valor promedio total 100-200 mrem/años Tabla 24.7 (p. 1081)

  29. Efectos agudos de una dosis única de radiación en todo el cuerpo (1) Dosis Lethal Dose (rem) Efecto Población (%) No. de días 5-20 Posible efecto tardío; posibles — — aberraciones cromosómicas 20-100 Reducción temporal en los — — glóbulos blancos sanguíneos 50+ Esterilidad temporal en hombres — — (100+ rem = 1 año de duración) 100-200 “Mareo ligero de radiación”: vómito, diarrea, cansancio en algunas horas Reducción de la resistencia a infecciones Posible retardo en el crecimiento de huesos en niños Tabla 24.8 (p. 1082)

  30. Efectos agudos de una dosis única de radiación en todo el cuerpo (2) Dosis Dosis letal (rem) Efecto Población (%) No. de días 300+ Esterilidad permanente — — en mujeres 500 “Mareo serio de radiación”: 50-70 30 destruccción de médula/intestino 400-1000 Enfermedad aguda, 60-95 30 muertes tempranas 3000+ Enfermedad aguda, muerte 100 2 en horas a días Tabla 24.8 (p. 1082)

  31. Modelo de riesgo de radiación Efecto (muertes por cáncer) Lineal Forma de S Dosis (p. 1083)

  32. ENERGÍA NUCLEAR • ECUACIÓN DE EINSTEIN PARA LA CONVERSIÓN DE MASA EN ENERGÍA • E = mc2 • m = masa (kg) • c = Velocidad de la luz • c = 2.998 x 108 m/s

  33. La variación de la energíade enlace por nucleó Región de núclidosmuy estables Fusión Fisión Energía de enlace por nucleón (MeV) Número de masa (A) Fig. 24.12

  34. Unidades para los cálculos de energía nuclear Electrón volt (ev) La energía que un electrón adquiere cuando se mueve a través de una diferencia de potencial de un volt: 1 ev = 1.602 x 10–19J Las energías de enlace se expresan generalmente en unidades de megaelectrón volts (Mev) 1 Mev = 106 ev = 1.602 x 10 –13J Un factor particularmente útil convierte un defecto de masa determinado en unidades de masa atómica a su energía equivalente en electrón volts: 1 uma = 931.5 x 106 ev = 931.5 Mev

  35. Energía de enlace por nucleón de deuterio El deuterio tiene una masa de 2.01410178 uma. Átomo de hidrógeno = 1 x 1.007825 uma = 1.007825 uma Neutrones = 1 x 1.008665 uma = 1.008665 uma 2.016490 uma Diferencia de masa = masa teórica – masa real = 2.016490 uma – 2.01410178 uma = 0.002388 uma Cálculo de energía de enlace por nucleón: Energía de enlace –0.002388 uma x 931.5 Mev/ uma Nucleón 2 nucleones = –1.1123 Mev/nucleón =

  36. Cálculo de energía de enlace por nucleón de hierro- 56 La masa del hierro-56 es 55.934939 uma; contiene 26 protones y 30 neutrones Masa teórica del Fe-56 : Masa atómica de hidrógeno = 26 x 1.007825 uma = 26.203450 uma Masa del neutrón = 30 x 1.008665 uma = 30.259950 uma 56.463400 uma Defecto de masa = masa real – masa teórica: 55.934939 uma – 56.463400 uma = –0.528461 uma Cálculo de la energía de enlace por nucleón: Energía de enlace –0.528461 uma x 931.5 Mev/ uma Nucleón 56 nucleones = = -8.7904 Mev/nucleón

  37. Cálculo de energía de enlace por nucleón para el uranio-238 La masa real del uranio-238 = 238.050785 uma; tiene 92 protones y 146 neutrones Masa teórica del uranio-238: Masa atómica de hidrógeno = 92 x 1.007825 uma = 92.719900 uma Masa del neutrón = 146 x 1.008665 uma = 147.265090 uma 239.98499 uma Defecto de masa = masa real – masa teórica: 238.050785 uma – 239.98499 uma = –1.934205 uma Cálculo de la energía de enlace por nucleón: Energía de enlace –1.934205 uma x 931.5 Mev/uma Nucleón 238 nucleones = = -7.5702 Mev/nucleón

  38. Masa y energía en el decaimiento nuclear (1) Considere el decaimiento alfa de 212Po t1/2 = 0.3 s 212Po 208Pb +  + energía 211.988842 g/mol 207.976627 g/mol + 4.00151 g/mol Productos = 207.976627 + 4.00151 = 211.97814 g/mol Masa = Po – Pb +  = 211.988842 –211.97814 0.01070 g/mol E = mc2 = (1.070 x 10-5 kg/mol)(3.00 x 108m/s)2 = 9.63 x 1011 J/mol 9.63 x 1011 J/mol 6.022 x 1023 átomos/mol = 1.60 x 10-12J/átomo

  39. Masa y energía en el decaimiento nuclear (2) La energía para el decaimiento del 212Po es 1.60 x 10-12J/átomo 1.60 x 10-12J/átomo 1.602 x 10-19 J/ev = 1.00 x 107 ev/átomo 10.0 x 106 ev 1.0 x 10-6 Mev átomo ev x = 10.0 Mev/átomo La energía de decaimiento para la partícula alfa de 212Po es 8.8 Mev.

  40. Fisión inducida 235U ENERGÍA Núcleofisionable Intermediarioinestable Productosde fisión Fig. 24.13

  41. Una reacción en cadena de 235U Fig. 24.14

  42. Un reactor nuclear de agua ligera Agua extremadamente caliente bajo alta presión pasa a un generador de vapor El vapor producido opera la turbina del generador Capa decontención Podereléctrico Generadorde vapor Generador Turbina Núcleo del reactor Varillas de control que regulan la velocidad de la reacción en cadena Condensador de vapor El agua fría de una fuente cercana condensa el vapor y se calienta Moderador Uranio enriquecido en varillas cobustibles que liberan energía de la fisión Bomba Salida delíquidorefrigerante Bomba Bomba Entrada de líquidorefrigerante Fig. 24.15B

  43. Fisión inducida por neutrones: bombas y reactores Hay tres isótopos con largas vidas medias suficientes y muestras representativas de fisión conocidos por sufrir la fisión inducida por neutrones y son muy útiles en reactores de fisión y en armas atómicas. De éstos, sólo uno existe naturalmente (235U con una abundancia de 0.72% de uranio natural) y es el isótopo que se utiliza en los reactores nucleares como combustible y en algunas armas. Los tres isótopos son los siguientes: 233U t1/2 = 1.59 x 105 años fisión sigma = 531 barns 235Ut1/2 = 7.04 x 108 años fisión sigma = 585 barns 239Pu t1/2 = 2.44 x 105 años fisión sigma = 750 barns

  44. “Reproducción” de combustible nuclear Hay dos isótopos pesados relativamente comunes que no sufren la fisión inducida por neutrones y que se utilizan para producir otros isótopos que sí pueden ser inducidos a la fisión, por tanto, pueden usarse como Combustible en un reactor nuclear. El torio natural 232 T que es común en las rocas. 232 Th + 10n 233 Th + energía t1/2 = 22.3 min 233 Th 233Pa +  + energía t1/2 = 27.0 días 233Pa 233U +  + energía t1/2 = 1.59 x 105 años El uranio natural 238U que también es común en las rocas. 238U + 10n 239U + energía t1/2 = 23.5 min 239U 239Np +  + energía t1/2 = 2.36 días 239Np 239Pu +  + energía t1/2 = 24400 años

  45. El hidrógeno arde en las estrellas y en las armas nucleares 1H + 1H 2H +  + 1.4 Mev 1H + 2H 3He + 5.5 Mev 2H + 2H 3He + 1n + 3.3 Mev 2H + 2H 3H + 1H + 4.0 mev 2H + 3H 4He + 1n + 17.6 Mev 2H + 3He 4He + 1H + 18.3 Mev 1H + 7Li 4He + 4He + 17.3 Mev ¡Muy viable! ¡Gran muestra representativa!

  46. El helio en las reacciones de combustión de las estrellas 12C + 4He 16O 16O + 4He 20Ne 20Ne + 4He 24Mg 24Mg + 4He 28Si 28Si + 4He 32S 32S + 4He 36Ar 36Ar + 4He 40Ca

  47. Polvo cósmico coalescente Síntesis de elementos en el ciclo de vida de una estrella Polvo cósmico nLos desechos de la supernova finalmente terminan en estrellas de segunda generación jEstrella primitiva coalescente quema hidrógeno a 107 K kLa estrella empieza a quemar He y causa la expansión de un gigante rojo. El núcleo del gigante rojo quema He para formar 12c, 16O, 20Ne, 24Mg a 2 x 108 K Estrella neutrón lEl núcleo del supergigante rojo quema carbono y oxígeno para formar núcleos hasta el 40Ca 7 x 108 K. Calentamiento adicional a 3 x 109 K forma los núcleos hasta el 56Fe y 58Ni. mEl núcleo se colapsa para formar una estrella neutrón, mientras las capas exteriores explotan en una supernova. El proceso de captura de neutrones forma núcleos más pesados Fig. 24.C (p. 1095)

  48. El diseño del tokamak para contener la fusión del plasma Contenedorevacuadopor plasma Plasma Imanes Fig. 24.16

More Related