martes, 11 de octubre de 2011

7. Fenómenos nucleares inducidos y sus aplicaciones

Radiactividad inducida

En este tema estudiamos las reacciones nucleares en las cuales un núcleo se desintegra espontáneamente  liberando emisiones radiactivas y transformándose en un núcleo diferente, es decir, el proceso que llamamos radiactividad natural. Pero también  hay formas artificiales de cambiar la identidad de un núcleo.
Al igual que en la radiactividad natural este proceso genera cambios en la naturaleza del núcleo, es decir se produce una transformación nuclear donde un núcleo se transforma en otro y se libera energía. Este proceso se llama radiactividad inducida. Las reacciones de este tipo han permitido sintetizar cientos de radioisótopos, los que se utilizan en medicina, en la investigación científica, en la agricultura y en muchas otras áreas.
En la radiactividad inducida intervienen cuatro partículas: un núcleo objetivo, una partícula que bombardea, un núcleo producto y una partícula expulsada. Las partículas mas utilizadas para bombardear núcleos y así obtener diferentes isótopos, son los neutrones. Al tener carga neutra, evitan la repulsión entre la partícula y el núcleo, facilitando de este modo la interacción.

La conversión de un núcleo en otro se produce de 2 maneras: una es fragmentando el núcleo en 2 de menor tamaño, o bien agregando protones o neutrones, con lo que se obtiene un núcleo de mayor tamaño.
En el interior de un núcleo actúan 2 tipos de fuerzas: la fuerza de repulsión eléctrica (a), que tiende a separar los protones y la fuerza nuclear fuerte (b), responsable de mantener los neutrones  y protones unidos en el núcleo.

Para romper un núcleo se necesita vencer la fuerza nuclear fuerte; mientras que para agregarle mas protones o neutrones se requiere superar la fuerza eléctrica. Ambos procesos son reacciones nucleares que liberan gran cantidad de energía. Entonces  podemos decir que hay 2 tipos de reacciones nucleares: fisión nuclear y fusión nuclear.


Fisión nuclear:

Se produce cuando un núcleo pesado se divide en 2 núcleos más livianos, que son más estables y tienen mayor energía de enlace. En este proceso se libera una gran cantidad de energía.
En la fisión nuclear el núcleo fisionable es impactado por un neutrón partiéndose en 2 núcleos más pequeños, los cuales son desprendidos a altas velocidades. Durante este proceso los nuevos núcleos colisionan con las moléculas que se encuentran a su paso, transformando su energía cinética en calor, y los neutrones liberados impactan a otros átomos fisionables desprendiéndose así nuevos neutrones que fisionaran otros núcleos y así sucesivamente. Si este proceso continua ocurre una reacción en cadena, que de no ser controlada puede provocar una gran explosión.

Fusión nuclear:

Cuando núcleos muy ligeros se unen para formar núcleos más pesados y más estables se generan grandes cantidades de energía. Son el origen de la energía que produce el sol y en las estrellas, en general la que les permite brillar.

La fusión de los átomos de hidrogeno libera cuatro veces mas energía por gramo que lo emitido en una reacción de fisión nuclear, sin embargo el proceso requiere temperaturas muy elevadas para vencer las fuerzas de repulsión entre los núcleos y lograr que estos se fusionen. Por este motivo, a estas reacciones se les denomina también reacciones termonucleares.

Relación masa energía en las reacciones de fisión y de fusión:

La energía que se produce en las reacciones nucleares de fisión y fusión va acompañada de pérdidas mensurables de masa. La enorme cantidad de energía desprendida en el transcurso de estos procesos nucleares proviene de la masa de las partículas implicadas en la reacción, es decir una parte de la materia fisionable o fusionables se transforma en energía 

Aplicaciones pacificas de la fisión nuclear:

Una de las aplicaciones pacificas es la generación de electricidad utilizando el calor producido por una reacción en cadena, controlada en un reactor nuclear. El reactor nuclear es un sistema construido para controlar la energía que se produce en la reacción en cadena, y por tanto, impedir el aumento indefinido en el número de fisiones. El reactor nuclear consiste básicamente en un contenedor en cuyo interior se deposita el combustible nuclear.

Una central nuclear es una instalación formada por un reactor conectado a un sistema de generación eléctrica. La energía obtenida en una central nuclear es enorme en comparación con la producida en una central termoeléctrica.

Hay 2 grandes tipos de reactores: los de potencia y los de investigación. Los primeros funcionan básicamente como calderas, donde la fuente de calor es la fisión de los átomos. En tanto los reactores de investigación emplean los neutrones generados en el proceso de fisión para producir radioisótopos  de interés y para irradiar  materiales con fines de investigación científica y tecnológica. La energía térmica generada es disipada al ambiente a través de torres de enfriamiento     



Ventajas y desventajas de las centrales nucleares


Ventajas
·         La energía nuclear no emite gases efecto invernadero por lo que retrasa el calentamiento global.
·         Una fuga o una explosión es muy poco probable en las centrales nucleares modernas.
·         Los residuos radiactivos se pueden reducir aplicando nuevas tecnologías.
·         Se evita la dependencia de combustibles fósiles.
Desventajas
·         Emite radiaciones que pueden afectar la salud de las personas.
·         Produce desechos altamente radiactivos de manejo complicado.
·         Existe el riesgo de accidentes nucleares.
·         El costo de instalación es muy elevado y se requiere desarrollo tecnológico
·         Si se genera en países con expansión militar aumenta el riesgo de las armas nucleares.

Transmutación nuclear artificial


La química actual nació de la alquimia. El sueño de los alquimistas era la transmutación de los elementos, en especial de la transformación de metales comunes en oro, cosa que nunca lograron. Rutherford al bombardear núcleos de nitrógeno-14 con radiación alfa produjo un nuevo núcleo oxígeno-17. Así se creó la transmutación nuclear artificial. En la actualidad se usan neutrones o partículas cargadas con las que se bombardean los núcleos objetivo. Para vencer la fuerza de repulsión que se genera se utilizan los aceleradores de partículas o ciclotrones y para provocar la reacción nuclear se conducen las partículas fuera del ciclotrón para generar la colisión. Los neutrones (que no necesitan aceleradores) se usan para obtener isótopos. Mediante esta práctica se han sintetizado elementos transuránicos y se han descubierto subpartículas nucleares.



Aplicación de radioisótopos


Los radioisótopos se producen en los reactores nucleares de investigación. Los isótopos radiactivos emiten radiaciones por lo que se usan como trazadores o para tratamiento por los efectos que las radiaciones producen en las células. Como trazadores se introducen en el organismo vivo u otro sistema. Así se conocen los procesos y cómo intervienen los átomos en el sistema en estudio. Los isótopos radiactivos o radiofármacos de vida media han servido para los médicos a la hora de estudiar los órganos y tejidos detectando tempranamente enfermedades y así se tratan de manera oportuna. La radiación puede destruir células malignas, destruyendo muchas veces tumores.

Otros usos de los trazadores


Campo de aplicación
Características
Industria
Permiten investigar diversas variables propias del proceso. Introduciéndose en el proceso y detectando su trayectoria gracias a la emisión radiactiva.
Estudio del medioambiente
Se usan para la detección y análisis del contaminante. Se irradia una muestra y se obtienen los espectros gamma que emite. Así se identifican los elementos y las concentraciones.
Agricultura
Se usan en el estudio de la efectividad de los nutrientes sobre distintos cultivos. Se utilizan para ello fertilizantes con radioisótopos, se realizan a partir de mutaciones genéticas con radioisótopos, etc.


 

 

Armas nucleares


El uso de la fisión nuclear con fines militares y fabricación de armas han sido nefastas para la humanidad. Hay unidades como un kilotón (Kt) que son 1000 toneladas de TNT y un megatón (Mt) que es 1000 kilotones.
Bomba A: Se basan en la fisión nuclear y se usan como combustible uranio, plutonio y mezclas de ellos, que se fisionan liberando gran cantidad de energía y radiaciones. La mayoría están en misiles.
Bomba H: Se basan en la fusión nuclear y el combustible es el hidrógeno y el helio. Se somete a temperaturas de millones de grados Celcius para que explote, explotando antes una bomba A.
Bomba de neutrones: Es una modificación de la bomba H. Es un mecanismo de fusión que reduce la onda expansiva o pulso térmico, que libera gran cantidad de neutrones que bombardean los alrededores.

Efectos de una guerra nuclear


Han sido estudiados en experiencias como las de Hiroshima y Nagasaki, en la cual el ataque nuclear es centralizado y fulminante y el adversario no puede contraatacar.
En estudios recientes se descubrió que un grupo de bacterias pueden sobrevivir a una dosis de radiación gamma de 1,5 millones rad. Así como esos seres son los únicos que reparan su ADN y pueden seguir viviendo serían los únicos organismos que sobrevivirían.

1 comentario:

  1. Estimados:
    Van super bien creando su blog, buen trabajo. Completenlo un poco más, los espero hasta este viernes, para poder revisarlo el fin de semana y tener las notas listas. Exito en lo último que queda de este semestre.

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