Todo lo que te rodea está hecho de átomos —sin embargo, un átomo es casi completamente espacio vacío. Si el núcleo tuviera el tamaño de una canica, todo el átomo sería del tamaño…
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5.1
El átomo
Syllabus
5.1.1 El átomo
Núcleo
Complemento
1 Describir la estructura de un átomo en términos de un núcleo con carga positiva y electrones con carga negativa orbitando alrededor del núcleo
3 Describir cómo la dispersión de partículas alfa ($\alpha$) por una lámina metálica fina apoya el modelo nuclear del átomo, proporcionando evidencia para: (a) un núcleo muy pequeño rodeado principalmente de espacio vacío (b) un núcleo que contiene la mayor parte de la masa del átomo (c) un núcleo con carga positiva
2 Conocer cómo los átomos pueden formar iones positivos al perder electrones o iones negativos al ganar electrones
5.1.2 El núcleo
Núcleo
Complemento
1 Describir la composición del núcleo en términos de protones y neutrones
6 Describir los procesos de fisión nuclear y fusión nuclear como la división o unión de núcleos, incluyendo la ecuación nuclear y una descripción cualitativa de los cambios de masa y energía sin valores numéricos
2 Indicar las cargas relativas de protones, neutrones y electrones como +1, 0 y –1 respectivamente
7 Conocer la relación entre el número de protones y la carga relativa del núcleo
3 Definir los términos número atómico$Z$ y número másico$A$, y ser capaz de calcular el número de neutrones en un núcleo
8 Conocer la relación entre el número másico y la masa relativa del núcleo
4 Utilizar la notación nuclear $^{A}_{Z}\text{X}$
5 Explicar qué se entiende por isótopo e indicar que un elemento puede tener más de un isótopo
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Un átomo 原子 está formado por un pequeño núcleo 原子核 central con electrones 电子 que se mueven a su alrededor (en órbitas 轨道, como los planetas alrededor del Sol).
El núcleo tiene una carga 电荷 positiva.
Los electrones tienen carga negativa.
El átomo en su conjunto es neutro, porque las cargas positivas y negativas son iguales.
Casi toda la masa 质量 está en el núcleo, pero el núcleo es muy pequeño en comparación con todo el átomo. Por lo tanto, un átomo es mayoritariamente espacio vacío.
El átomo nuclear: un núcleo denso y pequeño de protones y neutrones, con electrones en órbitas a su alrededor
Iones
Un átomo es neutro, pero puede ganar o perder electrones para convertirse en un ión 离子.
Pierde uno o más electrones → un ion positivo (ahora hay más protones que electrones).
Gana uno o más electrones → un ion negativo.
El experimento de dispersión alfa
Este experimento proporcionó la evidencia para el modelo nuclear. Las partículas alfa α粒子 (pequeñas, rápidas, positivas) fueron disparadas contra una lámina de oro 金箔 muy fina, y se observó la dispersión 散射 (la forma en que rebotaban).
Los resultados y lo que nos dicen:
Casi todas las partículas alfa pasaron rectas. → El átomo es mayoritariamente espacio vacío.
Algunas fueron desviadas 偏转 (curvadas) en ángulos pequeños. → El núcleo tiene carga positiva, lo que repele las partículas alfa positivas.
Muy pocas rebotaron casi directamente hacia atrás. → El núcleo es muy pequeño y muy pesado, y contiene la mayor parte de la masa del átomo.
La mayoría de las partículas alfa pasan rectas; algunas son desviadas y muy pocas rebotan en el núcleo denso y pequeño
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Dentro del átomo
Un núcleo pequeño y denso se encuentra en el centro con electrones en capas a su alrededor — arrastra el número de protones y observa cómo se llenan las capas hacia afuera.
El núcleo está compuesto por dos tipos de partículas, llamadas conjuntamente nucleones 核子:
protones 质子, que tienen una carga relativa 相对 de $+1$;
neutrones 中子, que tienen una carga relativa de $0$ (son neutros).
Un electrón tiene una carga relativa de $-1$. Un protón y un neutrón tienen cada uno una masa relativa de aproximadamente $1$; un electrón es casi sin masa en comparación.
Dos números describen un núcleo:
el número atómico 质子数$Z$ (también llamado número de protones) — el número de protones;
el número másico 核子数$A$ (también llamado número de masa) — el número de protones más neutrones.
Por lo tanto, el número de neutrones es $A - Z$.
Escribimos un núcleo en notación de nuclido 核素:
$$^{A}_{Z}\text{X}$$
donde X es el símbolo químico. Por ejemplo, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ tiene $79$ protones y $197 - 79 = 118$ neutrones. La carga relativa de todo el núcleo es simplemente $+Z$ (aquí $+79$), y su masa relativa es de aproximadamente $A$.
Isótopos
Los isótopos 同位素 son átomos del mismo elemento (el mismo $Z$) pero con diferente número de neutrones (diferente $A$). Se comportan igual en química pero diferente en el núcleo. Por ejemplo, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ y $^{14}_{\ 6}\text{C}$ son ambos carbono.
Los isótopos de carbono tienen los mismos seis protones pero diferente número de neutrones, por lo que son el mismo elemento con diferente masa
Fisión y fusión nuclear
En la fisión nuclear 核裂变, un núcleo pesado absorbe un neutrón y luego se divide en dos núcleos más pequeños, liberando dos o tres neutrones y mucha energía 能量:
Un neutrón divide un núcleo de U-235 en dos núcleos más pequeños, liberando más neutrones y energía
Los números superiores (números másicos) se equilibran en ambos lados, y lo mismo ocurre con los números inferiores (números atómicos). Puedes usar esto para encontrar un número faltante —por ejemplo, cuántos neutrones se liberan.
En la fusión nuclear 核聚ver, dos núcleos ligeros se unen para formar uno más pesado, también liberando energía. Así es como el Sol produce su energía, uniendo núcleos de hidrógeno 氢 para formar helio 氦. La reacción de abajo —dos formas pesadas del hidrógeno (deuterio y tritio) uniéndose para formar helio— es la que se utiliza en reactores de fusión en la Tierra:
En la fusión, dos núcleos ligeros se unen para formar uno más pesado, liberando un neutrón y energía —la reacción deuterio-tritio utilizada en reactores de fusión
Tanto en la fisión como en la fusión, una pequeña cantidad de masa se pierde y se convierte en energía.
Una central nuclear utiliza la energía de la fisión para generar electricidad; las torres liberan calor residual en forma de vapor
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La reacción en cadena de fisión
Un neutrón divide un núcleo de uranio, lo que libera energía Y más neutrones — estos dividen más núcleos, y así sucesivamente.
2 Conocer las fuentes que contribuyen significativamente a la radiación de fondo, incluidas: (a) gas radón (en el aire) (b) rocas y edificios (c) alimentos y bebidas (d) rayos cósmicos
3 Conocer que la radiación nuclear ionizante se puede medir utilizando un detector conectado a un contador
4 Utilizar la tasa de conteo medida en conteos / s o conteos / minuto
5.2.2 Los tres tipos de emisión nuclear
Núcleo
Suplemento
1 Describir la emisión de radiación desde un núcleo como espontánea y aleatoria en dirección
2 Identificar las emisiones alfa ($\alpha$), beta ($\beta$) y gamma ($\gamma$) del núcleo recordando: (a) su naturaleza (b) sus efectos de ionización relativos (c) sus capacidades de penetración relativas ($\beta^+$ no están incluidos, $\beta$-partículas se tomarán para referirse a $\beta^-$)
3 Describir la desviación de partículas $\alpha$, partículas $\beta$ y radiación $\gamma$ en campos eléctricos y campos magnéticos
4 Explicar sus efectos de ionización relativos con referencia a: (a) energía cinética (b) carga eléctrica
5.2.3 Desintegración radiactiva
Núcleo
Suplemento
1 Conocer que la desintegración radiactiva es un cambio en un núcleo inestable que puede resultar en la emisión de partículas $\alpha$ o partículas $\beta$ y/o radiación $\gamma$, y conocer que estos cambios son espontáneos y aleatorios
3 Conocer que los isótopos de un elemento pueden ser radiactivos debido a un exceso de neutrones en el núcleo y/o a que el núcleo sea demasiado pesado
2 Indicar que durante la desintegración $\alpha$ o $\beta$, el núcleo cambia al de un elemento diferente
4 Describir el efecto de la desintegración $\alpha$, desintegración $\beta$ y emisiones $\gamma$ sobre el núcleo, incluyendo un aumento en la estabilidad y una reducción en el número de neutrones en exceso; ocurre el siguiente cambio en el núcleo durante la emisión $\beta$: neutrón $\rightarrow$ protón + electrón
5 Utilizar ecuaciones de desintegración, usando notación de nuclidos, para mostrar la emisión de partículas $\alpha$, partículas $\beta$ y radiación $\gamma$
5.2.4 Vida media
Núcleo
Suplemento
1 Definir la vida media de un isótopo particular como el tiempo necesario para que la mitad de los núcleos de ese isótopo en cualquier muestra se desintegren; recordar y utilizar esta definición en cálculos simples, que pueden incluir información en tablas o curvas de desintegración (los cálculos no incluirán radiación de fondo)
2 Calcular la vida media a partir de datos o curvas de desintegración de los cuales no se ha restado la radiación de fondo
3 Explicar cómo el tipo de radiación emitida y la vida media de un isótopo determinan qué isótopo se utiliza para aplicaciones tales como: (a) alarmas contra incendios domésticas (detectores de humo) (b) irradiación de alimentos para matar bacterias (c) esterilización de equipos mediante rayos gamma (d) medición y control de espesores de materiales con la elección de radiaciones vinculada a la penetración y absorción (e) diagnóstico y tratamiento del cáncer mediante rayos gamma
5.2.5 Medidas de seguridad
Núcleo
Suplemento
1 Indicar los efectos de las radiaciones nucleares ionizantes sobre los seres vivos, incluyendo muerte celular, mutaciones y cáncer
2 Describir cómo los materiales radiactivos se mueven, utilizan y almacenan de forma segura
3 Explicar las medidas de seguridad para toda la radiación ionizante en términos de reducir el tiempo de exposición, aumentar la distancia entre la fuente y el tejido vivo y utilizar blindajes para absorber la radiación
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Desintegración radiactiva y vida media
Un núcleo inestable 不稳定 tarde o temprano se descompondrá y emitirá radiación 辐射. Esto es desintegración 衰变radioactiva 放射性. Un núcleo puede ser inestable porque tiene demasiados neutrones, o porque es demasiado pesado.
La desintegración es espontánea 自发 (sucede por sí sola, y no se puede acelerar ni frenar) y aleatoria 随机 (no se puede decir qué núcleo se desintegrará después, ni exactamente cuándo).
Radiación de fondo
Hay radiación a nuestro alrededor todo el tiempo. Esta es la radiación de fondo 背景辐射. Sus principales fuentes son:
gas radón 氡 en el aire (generalmente la fuente más grande);
rocas y edificios;
alimentos y bebidas;
rayos cósmicos 宇宙射线 del espacio.
Medición de la radiación
La radiación se puede medir con un detector 探测器 conectado a un contador 计数器. La tasa de conteo 计数率 es el número de conteos por segundo (o por minuto).
Para obtener la tasa de conteo real de una fuente, primero mida la tasa de conteo de fondo por separado, luego sústráyala. La respuesta es la tasa de conteo corregida 修正:
Ejemplo resuelto. Un detector colocado junto a una fuente marca $250$ conteos/min. Con la fuente retirada, la tasa de conteo de fondo es de $30$ conteos/min. Encuentre la tasa de conteo corregida.
$$250 - 30 = 220\ \text{counts/min}$$
Un contador Geiger portátil detecta radiación ionizante y muestra la tasa de conteo en su pantalla
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Desintegración radiactiva
N = N₀·bᵗ
El número de núcleos inestables decae exponencialmente.
La radiación puede ser de uno de tres tipos. Cada tipo es ionizante 电离, lo que significa que puede arrancar electrones de los átomos en su camino.
Tipo
Qué es
Efecto ionizante
Lo detiene
alfa (α)
un núcleo de helio: 2 protones + 2 neutrones, carga $+2$
más fuerte
una hoja de papel, o unos pocos cm de aire
beta (β)
un electrón en movimiento rápido, carga $-1$
medio
unos pocos mm de aluminio 铝
gamma (γ)
una onda electromagnética de alta energía 电磁波, sin carga
más débil
plomo grueso 铅 o hormigón (solo se reduce, nunca se detiene completamente)
Así que una partícula alfa es la más ionizante pero la menos penetrante 穿透 (se absorbe fácilmente). Una partícula beta β粒子 está a mitad de camino. La radiación gamma γ射线 es la menos ionizante pero la más penetrante.
El papel detiene la alfa, unos milímetros de aluminio detienen la beta, y el plomo grueso solo reduce la gamma
Podemos explicar los efectos de ionización desde la carga y la energía cinética 动能: una partícula alfa tiene una gran carga ($+2$) y es lenta y pesada, por lo que atrae con fuerza a los electrones que encuentra e ioniza mucho. Una partícula beta tiene una carga menor y se mueve más rápido, por lo que ioniza menos.
Desviación en campos
Como las partículas alfa y beta tienen carga, son desviadas por un campo eléctrico 电场 y por un campo magnético 磁场. Se curvan en direcciones opuestas, porque sus cargas tienen signos opuestos, y la partícula beta más ligera se curva más. Los rayos gamma no tienen carga, por lo que no se desvían en absoluto.
La alfa y la beta se curvan en direcciones opuestas; la beta más ligera se curva más, y la gamma sin carga no se desvía
5.2
Ecuaciones de desintegración
Cuando un núcleo se desintegra, los números de nucleones y protones deben estar equilibrados en ambos lados.
Desintegración alfa — el núcleo pierde 2 protones y 2 neutrones, por lo que $A$ disminuye en $4$ y $Z$ disminuye en $2$. Se convierte en un elemento diferente:
Ejemplo resuelto. Un núcleo de radio $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ emite una partícula alfa. Encuentra el número de nucleones y el número de protones del nuevo núcleo.
La desintegración alfa reduce $A$ en $4$ y $Z$ en $2$:
Emisión gamma — el núcleo solo pierde energía, por lo que $A$ y $Z$ no cambian. La desintegración alfa y beta dejan el núcleo más estable 稳定; a menudo se emite gamma al mismo tiempo para llevarse la energía sobrante.
5.2
Vida media
Como la desintegración es aleatoria, no podemos seguir un solo núcleo. En su lugar, describimos una gran muestra 样品 usando su vida media.
La vida media 半衰期 de un isótopo es el tiempo necesario para que la mitad de los núcleos inestables de una muestra se desintegren. Después de cada vida media, la tasa de conteo (o el número de núcleos inestables restantes) se reduce a la mitad.
Por ejemplo, si una fuente tiene una tasa de conteo de $800$ cuentas/min y una vida media de $3$ horas:
Tiempo / horas
0
3
6
9
Tasa de conteo / (cuentas/min)
800
400
200
100
Después de $6$ horas (dos vidas medias), la tasa de conteo se ha reducido a la mitad dos veces: $800 \to 400 \to 200$. Puedes leer una vida media en una gráfica de desintegración encontrando el tiempo para que la tasa de conteo baje de cualquier valor a la mitad de este. Si las lecturas incluyen radiación de fondo, resta la tasa de conteo de fondo de cada lectura primero, luego encuentra la vida media a partir de los valores corregidos.
Ejemplo resuelto. La actividad de una fuente baja de $800$ cuentas/min a $100$ cuentas/min. Su vida media es de $5$ días. ¿Cuánto tiempo tardó esto?
Cuenta los dobleces: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ son tres semividas, por lo que el tiempo es $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.
Cada semivida $T$ la tasa de conteo se reduce a la mitad: $N_0 \to N_0/2 \to N_0/4 \to N_0/8$
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Semivida — observa la desintegración de los núcleos
Cada núcleo tiene una probabilidad fija de desintegrarse, al azar. Avanza en el tiempo: aproximadamente la mitad de los núcleos restantes se desintegran cada semivida, por lo que el conteo se reduce a la mitad, luego a la mitad nuevamente.
5.2
Aplicaciones de la radiactividad
El isótopo elegido para una tarea depende de su tipo de radiación y de su semivida:
Detectores de humo 烟雾报警器 usan una fuente alfa (la alfa se bloquea fácilmente, por lo que es segura fuera del detector, y una semivida larga significa que dura años);
usar radiación en alimentos o equipos mata las bacterias 细菌 y gérmenes — esto necesita rayos gamma penetrantes para esterilizar 消毒 el artículo sellado;
medir y controlar el espesor de hojas de papel o metal usa una fuente beta (la cantidad que pasa a través cambia con el espesor);
un trazador médico 医用示踪剂 es una pequeña cantidad de un isótopo emisor de gamma con semivida corta, inyectado en el cuerpo: un detector fuera del cuerpo sigue su trayectoria, los rayos gamma escapan fácilmente del cuerpo, y la actividad disminuye rápidamente hasta un nivel seguro;
los rayos gamma se usan para detectar y tratar el cáncer 癌症 dentro del cuerpo, porque pueden atravesar (o entrar en) el cuerpo.
Radioterapia: una máscara de malla mantiene al paciente inmóvil mientras láseres de alineación dirigen los rayos gamma con precisión hacia un tumor para tratar el cáncer
La radiación ionizante daña las células vivas 细胞. Puede causar muerte celular, mutaciones 突变 (cambios en los genes) y cáncer.
Al trabajar con fuentes radiactivas, mantén la dosis 剂量 (la cantidad de radiación recibida) baja mediante:
reducir el tiempo de exposición 照射 — pasar lo menos posible cerca de la fuente;
aumentar la distancia entre tú y la fuente;
usar blindaje 屏蔽, como plomo, entre la fuente y tu cuerpo.
Las fuentes radiactivas deben manipularse con pinzas (no con las manos desnudas), mantenerse apuntando lejos de las personas y almacenarse en una caja revestida de plomo.
El número nucleónico (arriba) es protones + neutrones; el número atómico (abajo) son solo los protones. Número de neutrones = número nucleónico − número atómico.
Los isótopos tienen el mismo número atómico pero diferentes números nucleónicos — el mismo elemento con diferente número de neutrones.
Clasifica las radiaciones de dos formas: la alfa es la más ionizante pero menos penetrante (detenida por papel); la gamma es la menos ionizante pero más penetrante (requiere plomo grueso). La beta está en medio (detenida por unos milímetros de aluminio).
En cada ecuación de desintegración, los números superiores deben equilibrarse y los números inferiores deben equilibrarse. Desintegración alfa: $A-4$, $Z-2$. Desintegración beta: $A$ sin cambios, $Z+1$.
Siempre resta la tasa de fondo antes de usar las lecturas de una fuente. Después de $n$ semividas, la tasa de conteo se ha reducido a la mitad $n$ veces — cuenta los dobleces en lugar de adivinar a partir del tiempo total.
Lecciones interactivas sobre este tema
Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.
