11.4: Transmutación Artificial
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- Describir la síntesis de nucleido transuranio.
Después del descubrimiento de la radiactividad, el campo de la química nuclear fue creado y desarrollado rápidamente a principios del siglo XX. Una serie de nuevos descubrimientos en las décadas de 1930 y 1940, junto con la Segunda Guerra Mundial, combinados para dar comienzo a la Era Nuclear a mediados del siglo XX. La ciencia aprendió a crear nuevas sustancias, y se encontró que ciertos isótopos de ciertos elementos poseen la capacidad de producir cantidades de energía sin precedentes, con el potencial de causar tremendos daños durante la guerra, así como producir enormes cantidades de poder para las necesidades de la sociedad durante la paz.
Síntesis de Nuclidos
La transmutación nuclear es la conversión de un nucleido en otro. Puede ocurrir por la desintegración radiactiva de un núcleo, o la reacción de un núcleo con otra partícula. El primer núcleo artificial se produjo en el laboratorio de Ernest Rutherford en 1919 mediante una reacción de transmutación, el bombardeo de un tipo de núcleos con otros núcleos o con neutrones. Rutherford bombardeó átomos de nitrógeno con partículas α de alta velocidad de un isótopo radiactivo natural de radio y observó protones resultantes de la reacción:
\[\ce{^{14}_7N + ^4_2He ⟶ ^{17}_8O + ^1_1H} \nonumber \]
Los\(\ce{^1_1H}\) núcleos\(\ce{^{17}_8O}\) y que se producen son estables, por lo que no se producen más cambios (nucleares).
Para alcanzar las energías cinéticas necesarias para producir reacciones de transmutación, se utilizan dispositivos llamados aceleradores de partículas. Estos dispositivos utilizan campos magnéticos y eléctricos para aumentar las velocidades de las partículas nucleares. En todos los aceleradores, las partículas se mueven al vacío para evitar colisiones con moléculas de gas. Cuando se requieren neutrones para las reacciones de transmutación, generalmente se obtienen de reacciones de desintegración radiactiva o de diversas reacciones nucleares que ocurren en reactores nucleares. La característica Química en la vida cotidiana que sigue analiza un famoso acelerador de partículas que fue noticia mundial.
Ubicado cerca de Ginebra, el Laboratorio CERN (“Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire” o Consejo Europeo de Investigación Nuclear) es el principal centro mundial para las investigaciones de las partículas fundamentales que componen la materia. Contiene el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) circular de 27 kilómetros (17 millas) de largo, el acelerador de partículas más grande del mundo (Figura\(\PageIndex{1}\)). En el LHC, las partículas son impulsadas a altas energías y luego se hacen colisionar entre sí o con objetivos estacionarios a casi la velocidad de la luz. Los electroimanes superconductores se utilizan para producir un campo magnético fuerte que guía las partículas alrededor del anillo. Detectores especializados diseñados específicamente observan y registran los resultados de estas colisiones, que luego son analizadas por científicos del CERN utilizando computadoras poderosas.
En 2012, el CERN anunció que los experimentos en el LHC mostraron las primeras observaciones del bosón de Higgs, una partícula elemental que ayuda a explicar el origen de la masa en partículas fundamentales. Este descubrimiento tan esperado fue noticia mundial y dio como resultado la concesión del Premio Nobel de Física 2103 a François Englert y Peter Higgs, quienes habían pronosticado la existencia de esta partícula casi 50 años antes.
Antes de 1940, el elemento más pesado conocido era el uranio, cuyo número atómico es 92. Ahora, se han sintetizado y aislado muchos elementos artificiales, entre ellos varios a una escala tan grande que han tenido un profundo efecto en la sociedad. Uno de estos, el elemento 93, el neptunio (Np), fue hecho por primera vez en 1940 por McMillan y Abelson bombardeando uranio-238 con neutrones. La reacción crea uranio-239 inestable, con una vida media de 23.5 minutos, que luego se descompone en neptunio-239. Neptunio-239 también es radiactivo, con una vida media de 2.36 días, y se descompone en plutonio-239. Las reacciones nucleares son:
&\ ce {^ {238} _ {92} U + ^1_0n⟶ ^ {239} _ {92} U} &&\\
&\ ce {^ {239} _ {92} U⟶ ^ {239} _ {93} Np + ^0_ {−1} e\,\,\,\ mathit {t} _ {1/2}} &&\ textrr m {vida media} =\ mathrm {23.5\: min}\\
&\ ce {^ {239} _ {93} Np⟶ ^ {239} _ {94} Pu + ^0_ {−1} e\,\,\ mathit {t} _ {1/2}} &&\ textrm {vida media} =\ mathrm {2.36\: días}
\ end {align}\ nonumber\]
El plutonio ahora se forma principalmente en reactores nucleares como subproducto durante la desintegración del uranio. Algunos de los neutrones que se liberan durante la desintegración U-235 se combinan con los núcleos U-238 para formar uranio-239; esto experimenta una desintegración β para formar neptunio-239, que a su vez sufre una desintegración β para formar plutonio-239 como se ilustra en las tres ecuaciones anteriores. Es posible resumir estas ecuaciones como:
\[\mathrm{\ce{^{238}_{92}U} + {^1_0n}⟶ \ce{^{239}_{92}U} \xrightarrow{β^-} \ce{^{239}_{93}Np} \xrightarrow{β^-} \ce{^{239}_{94}Pu}} \nonumber \]
Los isótopos más pesados de plutonio —PU-240, Pu-241 y PU-242— también se producen cuando los núcleos de plutonio más ligeros capturan neutrones. Parte de este plutonio altamente radiactivo se utiliza para producir armas militares, y el resto presenta un grave problema de almacenamiento porque tienen vidas medias de miles a cientos de miles de años.
Aunque no se han preparado en la misma cantidad que el plutonio, se han producido muchos otros núcleos sintéticos. La medicina nuclear se ha desarrollado a partir de la capacidad de convertir átomos de un tipo en otros tipos de átomos. Los isótopos radiactivos de varias docenas de elementos se utilizan actualmente para aplicaciones médicas. La radiación producida por su descomposición se utiliza para obtener imágenes o tratar diversos órganos o porciones del cuerpo, entre otros usos.
Los elementos más allá del elemento 92 (uranio) se denominan elementos transuranio. Al momento de escribir este artículo, 22 elementos transuránicos han sido producidos y reconocidos oficialmente por la IUPAC; varios otros elementos tienen reclamos de formación que están a la espera de su aprobación. Algunos de estos elementos se muestran en la Tabla\(\PageIndex{1}\).
| Nombre | Símbolo | Número atómico | Reacción |
|---|---|---|---|
| americio | Am | 95 | \(\ce{^{239}_{94}Pu + ^1_0n ⟶ ^{240}_{95}Am + ^0_{−1}e}\) |
| curio | Cm | 96 | \(\ce{^{239}_{94}Pu + ^4_2He ⟶ ^{242}_{96}Cm + ^1_0n}\) |
| californio | Cf | 98 | \(\ce{^{242}_{96}Cm + ^4_2He⟶ ^{245}_{98}Cf + ^1_0n}\) |
| einsteinium | Es | 99 | \(\ce{^{238}_{92}U + 15^1_0n⟶ ^{253}_{99}Es + 7^0_{−1}e}\) |
| mendelevio | Md | 101 | \(\ce{^{253}_{99}Es + ^4_2He ⟶ ^{256}_{101}Md + ^1_0n}\) |
| nobelio | No | 102 | \(\ce{^{246}_{96}Cm + ^{12}_6C ⟶ ^{254}_{102}No + 4 ^1_0n}\) |
| rutherfordium | Rf | 104 | \(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{12}_6C⟶ ^{257}_{104}Rf + 4 ^1_0n}\) |
| Seaborgium | Sg | 106 |
\(\ce{^{206}_{82}Pb + ^{54}_{24}Cr ⟶ ^{257}_{106}Sg + 3 ^1_0n}\) \(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{18}_8O ⟶ ^{263}_{106}Sg + 4 ^1_0n}\) |
| meitnerio | Mt | 107 | \(\ce{^{209}_{83}Bi + ^{58}_{26}Fe ⟶ ^{266}_{109}Mt + ^1_0n}\) |
Resumen
- Es posible producir nuevos átomos bombardeando otros átomos con núcleos o partículas de alta velocidad.
- Los productos de las 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.
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).