Las reacciones químicas que hemos considerado en capítulos anteriores implican cambios en la estructura electrónica de las especies involucradas, es decir, la disposición de los electrones alrededor de átomos, iones o moléculas. La estructura nuclear, el número de protones y neutrones dentro de los núcleos de los átomos involucrados, permanece sin cambios durante las reacciones químicas. En este capítulo se introducirá el tema de la química nuclear, que comenzó con el descubrimiento de la radiactividad en 1896 por el físico francés Antoine Becquerel y que se ha vuelto cada vez más importante durante los siglos XX y XXI, proporcionando las bases para diversas tecnologías relacionadas con la energía, la medicina, geología, y muchas otras áreas.
Un núcleo atómico consiste en protones y neutrones, llamados colectivamente nucleones. Aunque los protones se repelen entre sí, el núcleo se mantiene firmemente unido por una fuerza de corto alcance, pero muy fuerte, llamada fuerza nuclear fuerte. Un núcleo tiene menos masa que la masa total de sus nucleones constituyentes. Esta masa “faltante” es el defecto de masa, que se ha convertido en la energía de unión que mantiene unido al núcleo de acuerdo con la ecuación de equivalencia masa-energía de Einstein, E = mc2.
Los núcleos pueden sufrir reacciones que cambian su número de protones, número de neutrones o estado energético. Muchas partículas diferentes pueden estar involucradas en reacciones nucleares. Los más comunes son 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 componen radiación electromagnética de alta energía).
Los núcleos inestables sufren desintegración radiactiva espontánea. Los tipos más comunes de radiactividad son la desintegración α, la desintegración β, la emisión γ, la emisión de positrones y la captura de electrones. Las reacciones nucleares también suelen involucrar rayos γ, y algunos núcleos se descomponen por captura de electrones. Cada uno de estos modos de desintegración conduce a la formación de nuevos núcleos estables a veces a través de múltiples desintegraciones antes de terminar en un isótopo estable. Todos los procesos de desintegración nuclear siguen una cinética de primer orden y cada radioisótopo tiene su propia vida media.
Es posible producir nuevos átomos bombardeando otros átomos con núcleos o partículas de alta velocidad. Los productos de estas reacciones de transmutación pueden ser estables o radiactivos. De esta manera se han producido varios elementos artificiales, entre ellos el tecnecio, el astatino y los elementos transuránicos. La energía nuclear así como las detonaciones de armas nucleares pueden generarse a través de la fisión (reacciones en las que un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos más ligeros y varios neutrones).
Los compuestos conocidos como trazadores radiactivos pueden usarse para seguir reacciones, rastrear la distribución de una sustancia, diagnosticar y tratar afecciones médicas, y mucho más. Otras sustancias radiactivas son útiles para controlar plagas, visualizar estructuras, proporcionar advertencias de incendio y para muchas otras aplicaciones. Cientos de millones de pruebas y procedimientos de medicina nuclear, utilizando una amplia variedad de radioisótopos con vidas medias relativamente cortas, se realizan cada año en Estados Unidos.
Estamos constantemente expuestos a la radiación de fuentes naturales y producidas por humanos. Esta radiación puede afectar a los organismos vivos. La radiación ionizante es la más dañina debido a que puede ionizar moléculas o romper enlaces químicos, lo que daña la molécula y causa disfunciones en los procesos celulares. Los tipos de radiación difieren en su capacidad para penetrar material y dañar el tejido, siendo las partículas alfa las menos penetrantes pero potencialmente más dañinas y los rayos gamma son los más penetrantes.
Estos son ejercicios de tarea para acompañar el Textmap creado para “Química” por OpenStax.
Colaboradores y Atribuciones
Paul Flowers (University of North Carolina - Pembroke), Klaus Theopold (University of Delaware) and Richard Langley (Stephen F. Austin State University) with contributing authors. Textbook content produced by OpenStax College is licensed under a Creative Commons Attribution License 4.0 license. Download for free at http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110).
