El núcleo en acción
Algunos núcleos son inestables: emiten radiación al azar, decaen por vidas medias y — en reactores y estrellas — liberan energía mediante fisión o fusión. Esta sección cubre notación atómica, las tres radiaciones ionizantes con sus poderes de penetración, cálculos de vida media, la reacción en cadena de fisión y por qué la fusión ilumina las estrellas pero no nuestras centrales eléctricas.
Edexcel International GCSE Física 4PH1, Sección 7 (declaraciones 7.1–7.26). Unidades: bequerel (Bq), con tiempo en s, min o h.
Radioactividad
Un átomo contiene protones y neutrones en un núcleo; la notación $^{A}_{Z}X$ indica el número másico (de nucleones) A y el número atómico (de protones) Z. Los isótopos comparten Z pero difieren en neutrones.
Los núcleos inestables emiten — aleatoriamente — alfa α (núcleo de helio, $^4_2$He), beta-minus β⁻ (un electrón, creado cuando un neutrón se convierte en protón) y gamma γ (onda electromagnética de alta energía, sin partículas). Balanceo: tanto el número másico como la carga se conservan.
Verificación resuelta. Carbono-14: $^{14}_{6}C \rightarrow {}^{14}_{7}N + {}^{0}_{-1}e$ — A permanece 14; carga 6 = 7 + (−1) ✓. Radón: $^{222}_{86}Rn \rightarrow {}^{218}_{84}Po + ^{4}_{2}He$.
| Radiación | Naturaleza | Ionizante | Alcance en aire |
|---|---|---|---|
| alfa | 2p + 2n | más fuerte | pocos cm |
| beta | electrón rápido | medio | decenas de cm |
| gamma | onda EM | más débil | metros |
Detección: película fotográfica (insignia) o un tubo Geiger-Müller. La radiación de fondo proviene de rocas y rayos cósmicos (espacio), alimentos, usos médicos y residuos nucleares.
Actividad (en bequerels; 1 Bq = 1 desintegración/s) disminuye progresivamente: la vida media es el tiempo para que la mitad de los núcleos sin desintegrar decaigan. Verificación resuelta. 800 Bq con vida media 6 h: después de 24 h (4 vidas medias) la actividad es $= 800/2^4 = 50$ Bq.
*Una curva de desintegración que se reduce a la mitad cada vida media, anotada en cada reducción.
Usos: trazadores médicos (vida media corta, gamma), tratamiento del cáncer, esterilización, control de espesor (beta a través de papel). La contaminación (material radioactivo sobre usted — debe eliminarse) difiere de la irradiación (exposición a radiación — cesa cuando la fuente se retira). Peligros: mutación del ADN, daño celular y tisular; los residuos radioactivos deben almacenarse de forma segura durante sus largas vidas medias.
Fisión y fusión
Dividir un núcleo grande o unir dos pequeños — ambos liberan energía y cada uno impulsa una máquina diferente.
Fisión: un neutrón impacta en U-235, dividiéndolo en dos núcleos hijas radiactivos, 2–3 neutrones y energía cinética — y si esos neutrones impactan más en U-235, se produce una reacción en cadena. El moderador desacelera los neutrones para que dividan los núcleos eficientemente; las varillas de control absorben neutrones para mantener la tasa estable; el blindaje protege a los trabajadores. La fusión une núcleos pequeños en uno más grande, convirtiendo masa en energía — la fuente del Sol. La fusión requiere temperatura y presión enormes porque los protones con carga positiva se repelen electrostáticamente — los núcleos deben colisionar lo suficientemente rápido para superar esa repulsión.
Compruébalo tú mismo
- En $^{19}_{9}F$, indica el número de protones, neutrones y electrones en el átomo neutro.
- Nombra las tres radiaciones ionizantes y sus naturaleza.
- Escribe la ecuación completa para la desintegración alfa de $^{226}_{88}Ra$.
- ¿Qué radiación es detenida por el papel y cuál atraviesa el aluminio?
- Menciona dos fuentes de radiación de fondo.
- Define vida media.
- Una fuente de 3200 Bq tiene vida media de 8 días. Encuentra su actividad después de 32 días.
- Indica la diferencia entre contaminación e irradiación.
- Nombra las funciones del moderador, las varillas de control y el blindaje en un reactor.
- ¿Por qué la fusión necesita temperaturas tan altas?
Respuestas: 1 9 protones, 10 neutrones, 9 electrones; 2 alfa — núcleo de helio (2p+2n); beta-menor — electrón rápido; gamma — onda electromagnética de alta energía; 3 $^{226}_{88}Ra \rightarrow {}^{222}_{86}Rn + {}^{4}_{2}He$; 4 alfa detenida por papel; gamma atraviesa el aluminio (requiere plomo grueso); 5 cualquier dos: rocas/materiales de construcción, rayos cósmicos, alimentos/bebidas, médica, gas radón, residuos nucleares; 6 el tiempo necesario para que la mitad de los núcleos no descompuestos (o la actividad) se descompongan; 7 32 días = 4 vidas medias: $3200 \rightarrow 1600 \rightarrow 800 \rightarrow 400 \rightarrow 200$ Bq; 8 contaminación — material radiactivo adherido a ti, el peligro persiste hasta ser eliminado; irradiación — exposición a radiación desde una fuente, termina cuando se retira la fuente; 9 el moderador desacelera neutrones para fisión eficiente; las varillas de control absorben neutrones para regular la tasa; el blindaje absorbe la radiación que escapa para proteger a los trabajadores; 10 los protones con carga positiva de dos núcleos se repelen electrostáticamente, por lo que deben colisionar a velocidad enorme — solo alcanzable a muy alta temperatura y presión — para acercarse lo suficiente como para fusionarse.