Estructura atómica

La radiactividad tiene más de un siglo de antigüedad, pero aún trata el cáncer, alimenta redes eléctricas y exige estrictas normas de seguridad. Esta referencia cubre Física AQA GCSE 8463, tema 4.4 Estructura atómica.

Cómo trata este tema el examen:

• Papel 1 (4.1–4.4) cubre este tema. El apoyo de la hoja de fórmulas depende de la serie de exámenes. Practique notación, ecuaciones balanceadas, gráficos y explicaciones junto con cálculos.
• Radiación de fondo, riesgos de vida media, aplicaciones y fisión/fusión son solo física.
• Razones de declive neto tras varias vidas medias son Nivel Superior.
• Debe escribir ecuaciones nucleares balanceadas para desintegración alfa y beta simple (balancear números atómicos y de masa; no se requiere nombrar el hijo).

Un átomo es muy pequeño: radio de aproximadamente $1\times10^{-10}$ m. Su estructura:

• Núcleo: carga positiva, compuesto por protones y neutrones; contiene la mayor parte de la masa del átomo, pero su radio es menor que 1/10 000 del radio del átomo.
• Electrones: negativos, dispuestos en niveles de energía. Absorber radiación electromagnética mueve un electrón a un nivel superior, más lejos del núcleo; la emisión lo mueve a un nivel inferior, más cerca.

Notación: $\ ^{A}_{Z}X$ donde $Z$ = número atómico (protones) y $A$ = número másico (protones + neutrones). En un átomo neutro, electrones = protones; los átomos no tienen carga neta.

• Isótopos: átomos del mismo elemento (mismo $Z$) con diferentes cantidades de neutrones (diferente $A$).
• Neutrones en el núcleo = $A - Z$.
• Los átomos que pierden uno o más electrones externos se convierten en iones positivos.

Ejemplo resuelto. Carbono-14: $\ ^{14}_{6}\text{C}$.

• Protones = 6; electrones = 6 (neutro); neutrones = $14 - 6 = 8$.
• Carbono-12 tiene 6 neutrones — mismo elemento, diferente cantidad de neutrones: isótopos.

Nuevas evidencias experimentales pueden modificar o reemplazar un modelo científico:

1. Antes del descubrimiento del electrón: los átomos eran esferas diminutas que no podían dividirse.
2. Electrón descubierto → el modelo del pudín de pasas: una esfera de carga positiva con electrones negativos incrustados en ella.
3. Dispersión alfa (Rutherford): la mayoría de las partículas alfa atravesaron directamente, algunas rebotaron → la masa y la carga positiva deben concentrarse en un centro pequeño → el modelo nuclear reemplazó al modelo del pudín de pasas.
4. Bohr lo adaptó: los electrones orbitan a distancias específicas; sus cálculos coincidieron con las observaciones.
5. Investigaciones posteriores demostraron que la carga positiva se presenta en unidades de número entero — el protón; los experimentos de Chadwick (aproximadamente 20 años después) confirmaron la existencia del neutrón.

Explique la evidencia que cambió el modelo: si el pudín fuera correcto, todas las partículas alfa deberían pasar con desviaciones pequeñas (B1); algunas rebotaron casi directamente hacia atrás (B1), lo cual solo es posible si la masa y la carga positiva están concentradas en un núcleo pequeño, denso y positivo (B1).

Algunos núcleos son inestables. Emiten radiación a medida que se transforman para volverse más estables — un proceso aleatorio llamado desintegración radiactiva.

• Actividad: la tasa a la que una fuente se desintegra; unidad becquerel (Bq).
• Velocidad de conteo: detector cuenta por segundo, permitiendo el fondo cuando sea necesario. Un detector generalmente registra solo algunas emisiones; su velocidad de conteo no es automáticamente la actividad de la fuente en Bq.

Radiación	Identidad	Poder ionizante	Blindaje
alfa α	núcleo de helio	fuerte	papel / piel
beta β	electrón rápido	medio	mm de aluminio
gamma γ	radiación EM	débil	plomo grueso la reduce

La alfa contiene dos protones y dos neutrones y viaja solo unos pocos centímetros en el aire. La beta se emite cuando un neutrón se convierte en un protón; su alcance en el aire es mayor. La gamma tiene el mayor alcance de estos tres y se reduce, pero no se detiene completamente, con plomo o concreto grueso. Un núcleo también puede emitir un neutrón; las propiedades detalladas del neutrón no son necesarias aquí.

Elija una fuente para un uso haciendo coincidir estas propiedades: alfa para detectores de humo por ionización (el humo reduce la corriente de ionización); beta para control de espesor (se absorbe parcialmente por la lámina); gamma para trazadores (escapa del cuerpo) y esterilización (penetra el embalaje y daña microorganismos). Una fuente sellada reduce el riesgo de contaminación; no justifica ignorar las precauciones de manejo.

Actividad desde un gráfico. En un gráfico del número de núcleos no desintegrados frente al tiempo, trace una tangente en el tiempo indicado. Su pendiente descendente es la tasa de disminución del número de núcleos; la actividad es la magnitud positiva, en Bq. Lea dos puntos bien separados en la tangente, no dos puntos arbitrarios en la curva.

Ejemplo resuelto (escrito por el profesor). La tangente aproximada pasa por $(0\ \text{s},68000)$ y $(200\ \text{s},12000)$.

Esta es una estimación basada en una tangente dibujada. AQA Junio 2024 8463/1H P09.5 requiere el mismo método en su propia gráfica en 300 s; su respuesta oficial es $7.1\times10^{20}$ Bq. Se trata de diferentes gráficas y datos.

Equilibre los números másicos (arriba) y los números atómicos (abajo) en ambos lados:

• Desintegración alfa: el núcleo pierde 4 arriba y 2 abajo.
  $$^{238}_{\ 92}\text{U} \rightarrow\ ^{234}_{\ 90}\text{Th} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• Desintegración beta: un neutrón se convierte en un protón; el número másico no cambia, el número atómico +1; la partícula beta es $\ ^{0}_{-1}\text{e}$.
  $$^{14}_{\ 6}\text{C} \rightarrow\ ^{14}_{\ 7}\text{N} +\ ^{0}_{-1}\text{e}$$
• Emisión gamma: no cambia ninguno de los números.

Ejemplo resuelto. El polonio-210 se desintegra por emisión alfa. Escriba la ecuación.

• La alfa elimina 4 y 2: $A: 210 - 4 = 206$; $Z: 84 - 2 = 82$.
  $$^{210}_{\ 84}\text{Po} \rightarrow\ ^{206}_{\ 82}\text{X} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• Verificar que ambas filas estén equilibradas ✓ (no se requiere el nombre de la hija).

La desintegración es aleatoria: no se puede predecir para un solo núcleo; solo el comportamiento promedio de muchos es predecible.

Vida media: el tiempo para que (a) el número de núcleos del isótopo en una muestra se reduzca a la mitad, o (b) la tasa neta de conteo / actividad disminuya hasta la mitad de su nivel inicial. Resta primero el fondo de las lecturas del detector y mantenga la geometría del detector sin cambios.

• A partir de una gráfica: leer el tiempo que tarda la tasa de conteo en reducirse a la mitad; repetir durante varias reducciones y promediar.
• Después de $n$ semividas, la fracción restante es $1/2^n$ (HT: expresar como una razón).

Ejemplo resuelto. La actividad de una muestra desciende de 800 Bq a 200 Bq en 12 años.

• Reducciones a la mitad: $800 \to 400 \to 200$ representa dos reducciones a la mitad.
  $$t_{1/2} = \frac{12\ \text{years}}{2} = 6\ \text{years}$$

Demanda real de AQA, Junio 2025 8463/1H P07.4: el polonio-210 tiene una vida media de 138 días. El número de átomos disminuye de 256 000 a 16 000: cuatro reducciones a la mitad, por lo tanto el tiempo es de $4 \times 138 = 552$ días. P07.5 compara números iguales de átomos de Po-209 y Po-210: el Po-209 con mayor vida media tiene menor actividad. La condición de población igual es importante.

• Contaminación: átomos radiactivos no deseados sobre o dentro de un objeto o persona. El peligro persiste mientras los átomos permanezcan ahí, desintegrándose sobre o en el cuerpo.
• Irradiación: exponer un objeto a radiación. El objeto irradiado no se vuelve radioactivo.

La contaminación puede continuar irradiando tejidos mientras permanezcan los átomos radiactivos. La exposición desde una fuente externa termina cuando dicha fuente se retira o se protege eficazmente. Compare la actividad de la fuente, el tipo de radiación, la distancia, el tiempo de exposición y si el material está dentro del cuerpo; la contaminación no siempre produce la dosis más alta. La alfa externa tiene baja penetración y es detenida por la piel, pero internamente su fuerte ionización puede dañar los tejidos vivos cercanos.

Precauciones: sostener las fuentes con pinzas, mantenerlas a una distancia, limitar el tiempo de exposición, apuntarlas lejos de las personas, almacenarlas en cajas revestidas de plomo. Los hallazgos sobre los efectos de la radiación están publicados y revisados por pares para poder ser verificados.

La radiación de fondo nos rodea todo el tiempo:

• natural: rocas (gas radón), rayos cósmicos del espacio, alimentos e isótopos de origen natural en el cuerpo;
• artificial: residuos de pruebas de armas, accidentes nucleares, usos médicos.

La dosis depende de la ocupación y ubicación (alta altitud, ciertas industrias). Unidad de dosis: sieverts (1000 mSv = 1 Sv; recordatorio no requerido).

Las mediciones de una muestra deben restar primero la tasa de conteo de fondo.

Vida media y riesgo: para un igual número de núcleos inestables, una vida media más corta implica mayor actividad. La cantidad y las condiciones de exposición también son relevantes. Una fuente de larga vida puede requerir almacenamiento seguro durante muchos años. Un trazador médico debe permanecer activo el tiempo suficiente para la investigación, luego desintegrarse rápidamente para reducir la dosis posterior. Una fuente de alarma contra incendios debe mantenerse útil durante años.

Usos médicos (cada uno = exploración o destrucción):

• Exploración: un trazador emisor de gamma (p. ej., tecnecio-99m) inyectado para que los órganos aparezcan en una escáner; la gamma escapa del cuerpo; una vida media adecuada limita la dosis después del escáner.
• Destrucción: haces de gamma enfocados o fuentes implantadas matan células cancerosas (radioterapia); beta para afecciones cutáneas.

Evaluación de riesgos: comparar la dosis y las consecuencias del procedimiento frente al riesgo de la enfermedad —con números de la pregunta.

Fisión: la división de un núcleo grande e inestable (uranio-235, plutonio-239).

• La fisión espontánea es rara: el núcleo generalmente absorbe un neutrón primero.
• Se divide en dos núcleos más pequeños de tamaño aproximadamente igual, liberando dos o tres neutrones y rayos gamma; se libera energía y todos los productos portan energía cinética.
• Los neutrones liberados pueden causar más fisiones —una reacción en cadena. Un reactor la controla (las barras de control absorben neutrones); la explosión de un arma es una reacción en cadena descontrolada.
• Debes dibujar o interpretar el diagrama: neutrón entra → dos fragmentos + neutrones salen → ramificación en cadena.

Fusión: dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado; parte de la masa se convierte en energía de radiación. Para unirse, los núcleos positivos deben acercarse mucho a pesar de su repulsión eléctrica. No describa la fusión como enlace químico ni afirme que cada sistema de fusión es libre de residuos.

• Encuentre protones, neutrones y electrones a partir de $A,Z$; identifique isótopos e iones.
• Explique cómo la evidencia experimental cambió los modelos atómicos.
• Compare las propiedades α/β/γ y seleccione fuentes adecuadas para un uso.
• Balance ecuaciones individuales de alfa/beta y compruebe ambas filas.
• Encuentre la vida media y la reducción neta (HT); determine la actividad a partir de la pendiente de una tangente.
• Resta el fondo; distinga entre los conteos del detector y la actividad de la fuente.
• Compare los riesgos y precauciones de irradiación y contaminación.
• (solo física) Explique el fondo, los usos médicos, las elecciones de vida media y la fisión/fusión.

Errores comunes

• Intercambiar número másico y número atómico. El número superior es protones + neutrones; el inferior son protones; neutrones = superior − inferior.
• Cambiar el número másico en la desintegración beta. Un neutrón se convierte en protón y un electrón sale del núcleo: el número atómico aumenta en 1, el número másico permanece igual.
• Pensar que dos vidas medias eliminan toda la muestra. Después de dos vidas media queda $\tfrac14$; después de tres, queda $\tfrac18$.
• Leer una vida media sin restar el fondo. Corrige primero cada conteo, o la actividad parecerá disminuir demasiado lentamente.
• Decir que un objeto irradiado se vuelve radiactivo. Solo la contaminación introduce átomos radiactivos sobre o dentro de él.
• Llamar gamma a la radiación más peligrosa en todas partes. Gamma penetra más pero ioniza menos; alfa dentro del cuerpo es la más dañina.
• Confundir fisión y fusión. La fisión divide un núcleo grande (uranio, plutonio); la fusión une núcleos ligeros (hidrógeno en las estrellas).