Estabilidad del núcleo atómico


Actividad Nº 15



 

1- ¿Qué características tiene el núcleo atómico?

El núcleo es una pequeña región del átomo, en donde se concentra la masa de éste, pues, aloja a los neutrones, que no tienen carga; y a los protones, que son partículas subatómicas con carga positiva. Estas partículas reciben el nombre de nucleones y a su alrededor se encuentran orbitando los electrones, partículas que poseen carga negativa.

estabilidad_nucleo_atomico.jpg (349×227)

 

El número de protones está definido por el número atómico que se representa con la letra Z y en el caso de átomos eléctricamente neutros, coincide con el número de electrones:

 

Z = Número atómico = Número de protones

 

El número de neutrones por lo general es aproximadamente igual al de protones en un átomo ligero, sin embargo, crece a medida que el número atómico lo hace, hasta superar la cantidad de partículas positivas y llevar a ser casi el doble en núcleos pesados.

Por lo tanto la masa del átomo, estará definida por el número másico, representado por la letra A, que corresponde a la suma del número de protones y el número de neutrones que hay en el núcleo:

 

A = Número másico = Número de protones + Número de neutrones

 

Considerando lo anterior, en una reacción nuclear, las especies participantes o núclidos se representan de la siguiente forma:

estabilidad_nucleo_atomico_1.jpg (333×111)

Generalmente, se acepta que el valor de la masa atómica se aproxime aun número entero. 

En la parte superior izquierda como superíndice, se anota el número másico (A) y en la parte superior izquierda, como subíndice, se anota el número atómico (Z).

Para el sodio (Na), el número atómico (Z) es 11 y el másico (A) es22,9 ≈ 23. A partir de la información proporcionada, se entiende que el sodio (Na)presenta: 11 protones, 11 electrones y 12 neutrones.

Sin embargo, el químico Frederick Soddy demostró experimentalmente la existencia de varios átomos que, perteneciendo a un mismo elemento, no tenían la misma masa atómico. Estos elementos son los denominados isótopos. Por lo tanto, los isótopos poseen igual número de protones, pero distinto número de neutrones.

Un ejemplo es el hidrógeno, el cual tiene tres isótopos:

estabilidad_nucleo_atomico_2.jpg (414×236)

 

Por lo general, un elemento químico está formado por dos o más isótopos naturales en distinta proporción

La notación para poder representar isótopos es mediante el nombre del elemento químico seguido de un guion y luego, el número de nucleones del isótopo, por ejemplo carbono-14.

Los isótopos pueden tener un origen natural o ser artificiales. 

Los isótopos naturales se encuentran formando parte de la naturaleza, por ejemplo en el caso de los isótopos del carbono.

estabilidad_nucleo_atomico_3.jpg (465×220)

Por otro lado, los isótopos artificiales son fabricados en laboratorios nucleares con el bombardeo de partículas subatómicas, por lo que tiene corta vida, en su mayoría por la inestabilidad y radiactividad que presentan. Ejemplos de isótopos artificiales son los del Uranio (U) que comúnmente se utilizan para la generación de energía eléctrica.

 

estabilidad_nucleo_atomico_4.jpg (490×184)

 

2- ¿De qué depende la estabilidad del núcleo atómico?

La estabilidad nuclear es el equilibrio entre las fuerzas de repulsión eléctrica de los protones y la fuerza atractiva nuclear de corto alcance que experimentan los protones y neutrones del núcleo

Tras varios años de cuestionamientos de los científicos, para poder saber cómo existen en un espacio tan pequeño partículas de igual carga eléctrica a corta distancia, se llegó a la conclusión que son tres los factores: la interacción nuclear fuerte, la relación entre la cantidad de protones y neutrones  y la energía del núcleo.

En el núcleo conviven tres tipos de fuerzas: la fuerza electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil.

a) La fuerza electromagnética es que la permite que los protones se repelan entre sí.

b) La fuerza nuclear fuerte es muy atractiva a distancias cortas, siendo mucho más fuerte que la anterior. Esto permite que los nucleones permanezcan en el núcleo. En cambio, es repulsiva a distancias menores. De esta manera los nucleones no colapsan en el núcleo.

c) Finalmente, la fuerza nuclear débil es la encargada de la desintegración beta mediante la conversión de un neutrón a protón o viceversa. Es menos intensa que la fuerza nuclear fuerte.

La estabilidad del núcleo depende básicamente de la competencia de estas tres fuerzas y de su permanencia en el tiempo.

Por otro lado, otro factor importante que determina la estabilidad del núcleo es la proporción entre el número de neutrones y el número de protones. Para los átomos ligeros como se mencionó anteriormente, el número de protones y neutrones es aproximadamente igual son bastante estables. En cambio en núcleos más pesados, la cantidad de neutrones es mayor por lo que el núcleo sería inestable, pudiendo generar incluso un proceso de desintegración nuclear para llegar a la estabilidad, emitiendo partículas alfa o beta o radiaciones electromagnéticas, en un proceso denominado decaimiento radiactivo, sufriendo el núcleo sucesivas desintegraciones hasta lograr la estabilidad.

La relación entre el número de protones y el número de neutrones se puede graficar, obteniendo una denominada franja o banda de estabilidad, es decir, un lugar en donde se ubican los núcleos estables en el gráfico. Todos los núcleos que son radiactivos están fuera de esta zona.

 

estabilidad_nucleo_atomico_5.jpg (273×352)

Si quisiéramos ahora separar el núcleo en protones y neutrones necesitaríamos energía. Esta energía se denomina de ligadura o ligazón y representa la transformación de masa a energía que sucede durante una reacción nuclear exotérmica, es decir, que libera energía en forma de calor.

Si medimos la masa del núcleo, y la comparamos con la masa de los protones y neutrones que hay en su interior, nos daríamos cuenta que el resultado de la primera medición es menor. Esta diferencia de masa es llamada defecto de masa, y no significa que una parte del núcleo haya desaparecido, sino que se explica por medio de la teoría de la relatividad, como energía liberada en forma de calor. Esta liberación de energía corresponde a la llamada energía nuclear.

 

3.- ¿Qué diferencias existen entre una reacción química y una reacción nuclear?

A continuación se indican las principales diferencias entre ambos tipos de reacciones:

 

REACCIONES QUÍMICAS

 

REACCIONES NUCLEARES

 


Interacción electrónica entre moléculas y átomos

 

Colisión entre nucleones, es decir, protones y neutrones


Los productos se generan por ruptura y
formación de enlaces químicos
 


Los elementos y/o isótopos participantes de la reacción se convierten entre sí
 


En la ruptura y formación de enlace solo
participan los electrones de los niveles más externos del átomo
 

Participan protones, neutrones y otras partículas subatómicas presentes en el núcleo del átomo


El producto obtenido es una nueva molécula
 


El producto obtenido es un nuevo átomo
 


Siguen el Principio de la Conservación
de la masa
 


Siguen el Principio de la Conservación
de la masa-energía
 


Absorben o liberan energía en
cantidades relativamente discretas
 


Absorben o liberan energía en 
grandes cantidades
 

 


 

 


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Max