21.2: Ecuaciones Nucleares

Objetivos de aprendizaje

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

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

Tipos de Partículas en Reacciones Nucleares

Muchas entidades pueden estar involucradas en reacciones nucleares. Los más comunes son 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 los neutrones\( (\ce{^1_0n})\) son los constituyentes de los núcleos atómicos, y han sido descritos previamente. 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 (“anti-electrones”). Los subíndices y superíndices son necesarios para equilibrar ecuaciones nucleares, pero suelen ser 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 lo que se simboliza\(\ce{^4_2He}\). Esto funciona porque, en general, la carga iónica no es importante en el equilibrio de ecuaciones nucleares.

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

Esta tabla tiene cuatro columnas y siete filas. La primera fila es una fila de encabezado y etiqueta a cada columna: “Nombre”, “Símbolo (s)”, “Representación” y “Descripción”. Bajo la columna “Nombre” están los siguientes: “Partícula Alfa”, “Partícula Beta”, “Positrón”, “Protón”, “Neutrón” y “Rayos Gamma”. Bajo la columna “Símbolo (s)” se encuentran los siguientes: “superíndice 4 apilado sobre un subíndice 2 H e o alfa minúscula”, “superíndice 0 apilado sobre un subíndice 1 e o beta minúscula”, “superíndice 0 apilado sobre un subíndice positivo 1 e o superíndice beta minúscula signo positivo”, “superíndice 1 apilado sobre un subíndice 1 H o rho minúscula superíndice 1 apilado sobre un subíndice 1 H,” “superíndice 1 apilado sobre un subíndice 0 n o superíndice eta minúscula 1 apilado sobre un subíndice 0 n” y una gamma minúscula. Debajo de la “columna Representación”, se encuentran las siguientes: dos esferas blancas unidas a dos esferas azules de aproximadamente el mismo tamaño con signos positivos en ellas; una pequeña esfera roja con un signo negativo en ella; una pequeña esfera roja con un signo positivo en ella; una esfera azul con un signo positivo en ella; una esfera blanca; y una garabato púrpura con una flecha apuntando a la derecha a una gamma minúscula. Bajo la columna “Descripción” se encuentran los siguientes: “Núcleos de helio (de alta energía) consistentes en dos protones y dos neutrones”, “Elecciones (de alta energía)”, “Partículas con la misma masa que un electrón pero con 1 unidad de carga positiva”, “Núcleos de átomos de hidrógeno”, “Partículas con una masa aproximadamente igual a la de un protón pero sin carga”, y “Radiación electromagnética de muy alta energía”.

Tenga en cuenta que los positrones son exactamente como los electrones, excepto que tienen la carga opuesta. Son el ejemplo más común de antimateria, partículas con la misma masa pero el estado opuesto de otra propiedad (por ejemplo, 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 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\(E = mc^2\), vista en el precedente sección. Por ejemplo, cuando un positrón y un electrón chocan, ambos son aniquilados y se crean dos fotones de rayos gamma:

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

Los rayos gamma componen radiación electromagnética de longitud de onda corta y alta energía y son (mucho) más energéticos que los rayos X más conocidos. Los rayos gamma se producen cuando un núcleo experimenta una transición de un estado de energía superior a uno más bajo, similar a cómo se produce un fotón por una transición electrónica de un nivel de energía superior a uno más bajo. Debido a las diferencias de energía mucho mayores entre las conchas 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.

Equilibrar 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 reordenan, pero los números totales de átomos de cada elemento se conservan y no cambian. Una ecuación equilibrada de reacción nuclear 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 maneras:

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 equivale a la suma de las cargas de los productos.

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

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Balancing Equations for Nuclear Reactions

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

Solución

La reacción nuclear puede escribirse como:

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

donde

• \(\ce A\)es el número de masa y
• \(\ce Z\)es el número atómico del nuevo nucleido,\(\ce X\).

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

\[\mathrm{25+4=A+1} \nonumber \]

por lo

\[ \mathrm{A=28} \nonumber \]

De igual manera, los cargos deben equilibrar, por lo que:

\[\mathrm{12+2=Z+1} \nonumber \]

por lo

\[\mathrm{Z=13} \nonumber \]

Consultar la tabla periódica: El elemento con carga nuclear = +13 es aluminio. Así, el producto es\(\ce{^{28}_{13}Al}\).

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

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

Contestar

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

A continuación se presentan las ecuaciones de varias reacciones nucleares que tienen un papel importante en la historia de la química nuclear:

• El primer elemento inestable de origen natural que fue aislado, el polonio, fue descubierto por la científica polaca Marie Curie y su esposo Pierre en 1898. Se descompone, emitiendo partículas α:\[\ce{^{212}_{84}Po⟶ ^{208}_{82}Pb + ^4_2He}\nonumber \]
• El primer nucleido que se preparó por medios artificiales fue un isótopo de oxígeno, ¹⁷ O. Fue fabricado por Ernest Rutherford en 1919 bombardeando átomos de nitrógeno con partículas α:\[\ce{^{14}_7N + ^4_2α⟶ ^{17}_8O + ^1_1H} \nonumber \]
• James Chadwick descubrió el neutrón en 1932, como una partícula neutra previamente desconocida producida junto con ¹² C por la reacción nuclear entre ⁹ Be y ⁴ He:\[\ce{^9_4Be + ^4_2He⟶ ^{12}_6C + ^1_0n} \nonumber \]
• El primer elemento a preparar que no ocurre naturalmente en la tierra, el tecnecio, fue creado por el bombardeo de molibdeno por deuterones (hidrógeno pesado\(\ce{^2_1H}\)), por Emilio Segre y Carlo Perrier en 1937:\[ \ce{^2_1H + ^{97}_{42}Mo⟶2^1_0n + ^{97}_{43}Tc}\nonumber \]
• 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:\[ \ce{^{235}_{92}U + ^1_0n⟶ ^{87}_{35}Br + ^{146}_{57}La + 3^1_0n} \nonumber \]

Resumen

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). Al igual que con las reacciones químicas, las reacciones nucleares siempre están equilibradas. Cuando ocurre una reacción nuclear, la masa total (número) y la carga total permanecen sin cambios.

Glosario

Partícula alfa

(α o\(\ce{^4_2He}\) o\(\ce{^4_2α}\)) 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 las partículas ordinarias

partícula beta

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

rayos gamma

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

reacción nuclear

cambio a un núcleo dando como resultado 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 por tener la carga opuesta (positiva)