21.2: Las ecuaciones nucleares

Habilidades para desarrollar

• Identificar las partículas y energías comunes involucradas en las reacciones nucleares
• Escribir y equilibrar las ecuaciones nucleares

Los cambios de núcleos que provocan cambios en sus números atómicos, números de masa o estados energéticos son las reacciones nucleares. Para describir una reacción nuclear, usamos una ecuación que identifica los nucleidos involucrados en la reacción, sus números de masa y números atómicos, y las otras partículas involucradas en la reacción.

Los tipos de partículas en reacciones nucleares

Muchas entidades pueden tomar parte en las reacciones nucleares. Los más comunes son los protones, neutrones, partículas alfa, partículas beta, positrones y rayos gamma, como se muestra en la Figura $\PageIndex{1}$. Los protones $(\ce{^{1}_{1}p}$, también representados por el símbolo $\ce{^1_1H})$ y neutrones $(\ce{^1_0n})$ son los constituyentes de los núcleos atómicos y se han describido anteriormente. Las partículas alfa $(\ce{^4_2He}$, también representadas por el símbolo $\ce{^{4}_{2}\alpha})$ son núcleos de helio de alta energía. Las partículas beta $(\ce{^{0}_{-1}\beta}$, también representadas por el símbolo $\ce{^0_{-1}e})$ son electrones de alta energía, y los rayos gamma son fotones de radiación electromagnética de muy alta energía. Los positrones $(\ce{^0_{+1}e}$, también representados por el símbolo $\ce{^0_{+1}β})$ son electrones cargados positivamente ("antielectrones"). Los subíndices y superíndices son necesarios para equilibrar las ecuaciones nucleares, pero son opcionales en otras circunstancias. Por ejemplo, una partícula alfa es un núcleo de helio (He) con una carga de +2 y un número de masa de 4, por eso se simboliza como $\ce{^4_2He}$. Esto funciona porque, en general, la carga de los iones no es importante en el equilibrio de las ecuaciones nucleares.

Figura $\PageIndex{1}$: Aunque muchas especies se encuentran en las reacciones nucleares, esta tabla resume los nombres, símbolos, representaciones y descripciones de las más comunes.

Tenga en cuenta que los positrones son exactamente como los electrones, excepto que tienen la carga opuesta. Son el ejemplo más común de la antimateria, partículas con la misma masa, pero el estado opuesto de otra propiedad (por ejemplo, la carga) que la materia ordinaria. Cuando la antimateria se encuentra con la materia ordinaria, ambas son aniquiladas y su masa se convierte en energía en la forma de rayos gamma (γ) —y otras partículas subnucleares mucho más pequeñas, que están más allá del alcance de este capítulo— de acuerdo con la ecuación de equivalencia masa-energía $E=mc^2$, que se discutió en la sección anterior. Por ejemplo, cuando un positrón y un electrón chocan, ambos se aniquilan y se forman dos fotones de rayos gamma:

$$\ce{^0_{−1}e + ^0_{+1}e } \rightarrow \gamma + \gamma \label{21.3.1}$$

Los rayos gamma componen la radiación electromagnética de alta energía y la longitud de onda corta y son (mucho) más energéticos que los rayos X más conocidos. Los rayos gamma se producen cuando un núcleo pasa por una transición de un estado de energía superior a uno inferior, similar a cómo se produce un fotón mediante una transición electrónica de un nivel de energía superior a uno inferior. Debido a las diferencias de energía mucho mayores entre las capas de energía nuclear, los rayos gamma que emanan de un núcleo tienen energías que suelen ser millones de veces más grandes que la radiación electromagnética que emana de las transiciones electrónicas.

El equilibrio de las reacciones nucleares

Una ecuación de reacción química equilibrada refleja el hecho de que durante una reacción química, los enlaces se rompen y se forman, y los átomos se reorganizan, pero el número total de átomos de cada elemento se conserva y no cambia. Una ecuación de reacción nuclear equilibrada indica que hay un reordenamiento durante una reacción nuclear, pero de partículas subatómicas en lugar de átomos. Las reacciones nucleares también siguen las leyes de conservación y se equilibran de dos formas:

1. La suma de los números de masa de los reactivos es igual a la suma de los números de masa de los productos.
2. La suma de las cargas de los reactivos es igual a la suma de las cargas de los productos.

Si se conoce el número atómico y el número de masa de todas las partículas de una reacción nuclear menos una, podemos identificar la partícula cuando equilibramos la reacción. Por ejemplo, podríamos determinar que $\ce{^{17}_8O}$ es un producto de la reacción nuclear de $\ce{^{14}_7N}$ y $\ce{^4_2He}$ si supiéramos que un protón, $\ce{^1_1H}$, es uno de los dos productos. El ejemplo $\PageIndex{1}$ muestra cómo podemos identificar un nucleido al equilibrar la reacción nuclear.

Ejemplo $\PageIndex{1}$: Equilibrando las ecuaciones para las reacciones nucleares

La reacción de una partícula α con magnesio-25 $(\ce{^{25}_{12}Mg})$ produce un protón y un nucleido de otro elemento. Identifique el nuevo nucleido producido.

Solución

La reacción nuclear se puede escribir como:

$$\ce{^{25}_{12}Mg + ^4_2He \rightarrow ^1_1H + ^{A}_{Z}X}$$

donde

• $\ceA$ es el número de masa y

• $\ceZ$ es el número atómico del nuevo nucleido, $\ceX$.

Debido a que la suma de los números de masa de los reactivos debe ser igual a la suma de los números de masa de los productos:

$$\mathrm{25+4=A+1}$$

entonces

$$\mathrm{A=28}$$

Del mismo modo, los cargos se deben equilibrar, por eso:

$$\mathrm{12+2=Z+1}$$

entonces

$$\mathrm{Z=13}$$

Verifique la tabla periódica: El elemento con carga nuclear = +13 es aluminio. Por eso, el producto es $\ce{^{28}_{13}Al}$.

Ejercicio $\PageIndex{1}$

El nucleido $\ce{^{125}_{53}I}$ se combina con un electrón y produce un nuevo núcleo y ninguna otra partícula masiva. ¿Cuál es la ecuación de esta reacción?

Respuesta

$$\ce{^{125}_{53}I + ^0_{−1}e \rightarrow ^{125}_{52}Te} \nonumber$$

A continuación, se muestran las ecuaciones de varias reacciones nucleares que tienen son importantes en la historia de la química nuclear:

 

• El primer núclido que se preparó usando métodos artificiales fue un isótopo de oxígeno, ¹⁷O. Fue inventado por Ernest Rutherford en 1919 cuando bombardeo átomos de nitrógeno con partículas α: $$\ce{^{14}_7N+^4_2α⟶^{17}_8O+^1_1H}$$
• James Chadwick descubrió el neutrón en 1932, como una partícula neutra previamente desconocida producida junto con ¹²C por la reacción nuclear entre ⁹Be y ⁴He: $$\ce{^9_4Be+^4_2He⟶^{12}_6C+^1_0n}$$
• El primer elemento que se preparó que no se encuentra naturalmente en la tierra, el tecnecio, fue creado usando el bombardeo de molibdeno por deuterones (hidrógeno pesado, $\ce{^2_1H}$), por Emilio Segre y Carlo Perrier en 1937:  [\ce{^2_1H+^{97}_{42}Mo⟶2^1_0n+^{97}_{43}Tc}\]
• La primera reacción en cadena nuclear controlada se llevó a cabo en un reactor de la Universidad de Chicago en 1942. Una de las muchas reacciones involucradas fue: $$\ce{^{235}_{92}U+^1_0n⟶^{87}_{35}Br+^{146}_{57}La+3^1_0n}$$

Resumen

Los núcleos pueden pasar por reacciones que cambian su número de protones, número de neutrones o estado energético. Muchas partículas diferentes pueden estar involucradas en las reacciones nucleares. Las más comunes son los protones, neutrones, positrones (que son electrones cargados positivamente), partículas alfa (α) (que son núcleos de helio de alta energía), partículas beta (β) (que son electrones de alta energía) y rayos gamma (γ) (que son parte de la radiación electromagnética de alta energía). Como ocurre con las reacciones químicas, las reacciones nucleares siempre están equilibradas. Cuando ocurre una reacción nuclear, la masa total (número) y la carga total no cambian.

Glosario

partícula alfa

(α o $\ce{^4_2He}$ or $\ce{^4_2α}$) núcleo de helio de alta energía; un átomo de helio que ha perdido dos electrones y contiene dos protones y dos neutrones

antimateria

partículas con la misma masa pero propiedades opuestas (como carga) de partículas ordinarias

partícula beta

($β$ o $\ce{^0_{-1}e}$ or $\ce{^0_{-1}β}$) electrón de alta energía

rayo gamma

(γ o $\ce{^0_0γ}$) radiación electromagnética de alta energía y longitud de onda corta que exhibe dualidad onda-partícula

reacción nuclear

cambio a un núcleo que resulta en cambios en el número atómico, número de masa o estado de energía

positrón ($\ce{^0_{+1}β}$ o $\ce{^0_{+1}e}$)

antipartícula al electrón; tiene propiedades idénticas a un electrón, excepto tiene la carga opuesta (positiva)

Contribuyentes y atribuciones

• Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110)."

• Ana Martinez ([e-mail]) contribuyó a la traducción de este texto.