viernes, 16 de septiembre de 2011

Distintas fuentes radiactivas alfa, beta y gamma medidas con contador Geiger


Un contador Geiger es un instrumento que permite medir la radiactividad de un objeto o lugar.Es un detector de partículas y de radiaciones ionizantes.

Está formado, normalmente, por un tubo con un fino hilo metálico a lo largo de su centro. El espacio entre ellos está aislado y relleno de un gas, y con el hilo a unos 1000 voltios relativos con el tubo.

Un ion o electrón penetra en el tubo (o se desprende un electrón de la pared por los rayos X o gamma) desprende electrones de los átomos del gas y que, debido al voltaje positivo del hilo central, son atraídos hacia el hilo. Al hacer esto ganan energía, colisionan con los átomos y liberan más electrones, hasta que el proceso se convierte en un alud que produce un pulso de corriente detectable (que se escucha en el video). Relleno de un gas adecuado, el flujo de electricidad se para por sí mismo o incluso el circuito eléctrico puede ayudar a pararlo.

Al instrumento se le llama un "contador" debido a que cada partícula que pasa por él produce un pulso idéntico, permitiendo contar las partículas (normalmente de forma electrónica) pero sin decirnos nada sobre su identidad o su energía (excepto que deberán tener energía suficiente para penetrar las paredes del contador).
Contador Geiger-Müller

El primer dispositivo llamado "contador Geiger", que sólo detectaba partículas alfa, fue inventado por el físico alemán Hans Geiger y su colega neocelandés sir Ernest Rutherford en 1908. En 1928 el propio Geiger mejoró el dispositivo con la ayuda del entonces estudiante Walther Müller, de forma que era capaz de detectar mayor número de radiaciones ionizantes.

La versión actual del contador fue desarrollada por el físico Sidney H. Liebson en 1947. Este dispositivo tiene una duración mayor que los dispositivos originales de Geiger y precisa de un voltaje inferior.

Fuente: Wikipedia

¿Cómo se descubrió la radiactividad?

En el año 1886 el científico francés Henri Becquerel descubrió (accidentalmente) la emisión de radición por parte de un compuesto de uranio (les llamó "rayos uránicos"). Sin embargo, el fenómeno de la radiactividad, como propiedad, no sólo del uranio sino también de otros elementos, fue descubierto por Marie Curie.

Radiactividad: ecuaciones nucleares

Las emisiones o desintegraciones radiactivas se representan mediante ecuaciones nucleares, escribiendo:
  • a la izquierda el núcleo emisor, indicando el número atómico y en número másico del mismo.
  • una flecha que indica que ha ocurrido una transformación.
  • a la derecha la radiación emitida y el núcleo resultante, indicando también su número atómico y su número másico.
Emisión alfa α 
Se sabe que el núcleo de uranio-235 emite una partícual α. Esta transformación se puede representar mediante la siguiente ecuación nuclear:

La ecuación nuclear se lee:
"Un núcleo de uranio-235 emite una partícula alfa y se transforma en un núcleo de torio-231".

Observa que al emitir una partícula alfa:
  • disminuye el número atómico (Z); se pierden dos protones. En este caso, Z disminuye de 92 a 90. 
  • disminuye el número másico (A); se pierden en total 4 nucleones. En este caso, A disminuye de 235 a 231. 
Si cambia el número atómico se forma un elemento diferente, en este ejemplo el uranio, Z=92, se convierte en torio, Z=90.


Emisión beta β
El núcleo de carbono-14 emite una partícula β. Esta transformación se representa:
La ecuación nuclear se lee:
"Un núcleo de carbono-14 emite una partícula beta y se transforma en un núcleo de nitrógeno-14"

Observa que al emitirse una partícula beta:
  • aumenta el número atómico (Z); se forma un protón.  En este caso, Z aumenta de 6 a 7.
         Recuerda que esto se debe a que, durante un emisión beta, un neutrón del núcleo se transforma en un protón y un electrón.
  •   no cambia en número másico (A).

Emisión gamma γ 
Una emisión gamma (γ) consiste en ondas electromagnéticas de naturaleza similar a la luz, en general con mayor energía que los rayos X. Por lo tanto, al emitirse radiación gamma no se modifica ni el número atómico ni el número másico del núcleo emisor, sólo cambia su energía. No se modifica Z, entonces el elemento es el mismo.

Ejemplos:

Mediante los paréntesis rectos y el asterisco se representa un núcleo inestable por exceso de energía.

Las emisiones α y β no se dan simultáneamente, pero sí pueden darse consecutivamente. Las emisiones γ pueden acompañar a las emisiones α y β.

Radiactividad: tipos de emisiones radiactivas


Dijimos que los núcleos inestables tienden a estabilizarse espontáneamente emitiendo emitiendo partículas, ondas electromagnéticas o ambas, transformándose en otros núcleos.

Las partículas emitidas pueden ser:
  • Partículas alfa. Se simbolizan mediante la letra griega α; cada partícula alfa está formada por dos protones y dos neutrones.
Núcleo radiactivo emitiendo una partícula alfa.
       
  • Partículas beta. Se representan con la letra griega β; cada partícula beta es un electrón.
Emisión de una partícula beta.
En el núcleo no hay electrones, ¿cómo es posible que un electrón escape del núcleo atómico?
Lo que ocurre es que, en el núcleo, un neutrón se transforma en un protón y un electrón que luego es emitido fuera del átomo.
La radiación emitida se denomina radiación gamma y se simbolizan con la letra griega γ .Es un tipo de radiación electromagnética, y por tanto formada por fotones.
Radiación gamma.

jueves, 15 de septiembre de 2011

El NÚCLEO: Inestabilidad nuclear

Consideremos que:
  • El núcleo es extremadamente pequeño en comparación con el tamaño total del átomo.
  • El núcleo está formado por protones y neutrones, muy juntos, ocupando un pequeño volumen.
El núcleo está formado por protones y neutrones.
         
  • Lo protones tienen carga positiva.
  • Las cargas eléctricas de igual signo se repelen. 
       
Entonces,
      ¿Por qué los protones, con igual carga, pueden estar juntos en el núcleo? ¿acaso no se repelen? 

El modelo considera la existencia de un tipo especial de fuerza, llamada fuerza nuclear fuerte, que impide la separación de los protones apesar de la repulsión eléctrica que existe entre ellos.
También podemos suponer que los neutrones, al no tener carga eléctrica, contribuyen a disminuir las repulsiones entre protones.

Inestabilidad nuclear y fuerza nuclear fuerte1
Todo lo que observamos en el universo se encuentra sometido a solamente cuatro fuerzas, llamadas fuerzas fundamentales. Estas fuerzas son:
  • La fuerza de atraccción gravitatoria.
  • La fuerza electromagnética.
  • La fuerza nuclear fuerte.
  • La fuerza nuclear débil
Para entender el fenómeno de la inestabilidad nuclear sólo es necesario considerar, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética
En la tabla siguiente encontrarán las cuatro fuerzas en orden de mayor a menor intensidad:
Notemos que la fuerza nuclear fuerte es 100 veces mayor que la electromagnética, de ahí su nombre, es la fuerza más fuerte que existe. Pero a diferencia de la electromagnética solamente puede actuar dentro de un radio de acción de 0,000000000000001 m. A diferencia de la electromagnética que actúa siempre.
Existe otra diferencia muy importante, la fuerza electromagnética puede ser atractiva o repulsiva. Entre cargas iguales es repulsiva y entre cargas diferentes es atractiva. En cambio la fuerza fuerte es siempre atractiva y así tiene que ser para mantener la estabilidad del núcleo atómico y consecuentemente de toda la materia. El núcleo atómico esta formado por protones, de carga positiva y neutrones, sin carga eléctrica. Los protones se encuentran sometidos a la repulsión de la fuerza electromagnética, para que esta fuerza de repulsión no destruya el núcleo atómico tiene que existir otra fuerza mucho más intensa que la electromagnética y que mantenga unido a los protones y neutrones del núcleo. Esta es la fuerza nuclear, que la denominamos fuerza nuclear fuerte. La característica de esta fuerza nuclear fuerte es que es atractiva y interacciona solamente dentro del núcleo, recordemos que su distancia de acción es muy pequeña. Además esta interacción actúa entre protones y protones, neutrones y neutrones y entre protones y neutrones. Por supuesto, los neutrones al no tener carga eléctrica solamente notan la fuerza nuclear fuerte, en cambio los protones al tener carga positiva notan la fuerza de repulsión electromagnética y la fuerza de atracción nuclear fuerte.

Los diferentes elementos se forman añadiendo protones en el núcleo atómico, pero a medida que el núcleo va creciendo aumenta su volumen y por supuesto su radio. Al colocar más protones aumenta la fuerza de repulsión electromagnética, pero la naturaleza es sabia y al ir creciendo el número de protones aumenta más el número de neutrones. Es decir, los neutrones actúan como un "pegamento" entre protones, a más protones mucho más pegament. Con todo esto, resulta que los núcleos grandes contienen más neutrones que protones. Pero al ir añadiendo protones y neutrones llega un momento que el diámetro nuclear es mayor que la distancia de acción de la fuerza nuclear fuerte. Esto es cuando el diámetro nuclear es mayor que los 0,000000000000001 m. 

¿Qué ocurre entonces?
Cuando el tamaño nuclear supera los 60 protones y neutrones se vuelve inestable. Los protones mas alejados solamente notan la fuerza de repulsión electrostática, la fuerza nuclear fuerte no los alcanza, y salen despedidos del núcleo en direcciones opuestas.  
En la imagen se representa el núcleo. Algunos protones y neutrones dentro del radio de acción de la fuerza nuclear fuerte, pero hay dos protones que se encuentran más lejos y solamente interaccionan mediante la fuerza de repulsión electrostática. Estos protones saldrán expedidos del núcleo.
Cuando esto ocurre, decimos que el núcleo es inestable.
Inestable: Que es incapaz de mantener o recuperar el equilibrio. Que sufre continuas o frecuentes alteraciones de sus condiciones y características. Elemento o sustancia que tiende a alterarse, descomponerse o sufrir una reacción química rápidamente.
 

Radiactividad 
A partir de lo que hemos expuesto es fácil ver que las causas naturales de la inestabilidad nuclear son:
  • Exceso de protones.
  • Elevado número de nucleones.
  • Exceso de energía. 
Los núcleos tienden a estabilizarse espontáneamente emitiendo partículas, ondas electromagnéticas, o ambas, según el caso, transformándose en otros núcleos.
Este fenómeno se conoce como RADIACTIVIDAD.

La radiactividad es el fenómeno que se produce en el núcleo de algunos átomos, los cuales se modifican emitiendo radiaciones.

Se denomina radioisótopos a los isótopos que espontáneamente se transforman liberando energía, son radiactivos. Los núcleos d estos isótopos se denominan radionucleidos.

En general, de cada elemento existen isótopos estables e isótopos inestables o radioisótopos.
Protio y deuterio son los isótopos estables del hidrógeno, mientras que el tritio es el isótopo inestable o  radiactivo.
 Fuentes:
 1Tomado y adaptado de http://abcienciade.blogspot.com/2008/03/radioactividad.html
  Libro "Todo se transforma" Saravia, Segurola, Franco, Nassi. Editorial Contexto. 

sábado, 27 de agosto de 2011

sábado, 20 de agosto de 2011

Masa atómica

Como podrás imaginar, el pequeñisimo tamaño de los átomos hace que sea imposible medir sus masas directamente en la balanza. Sin embargo es posible determinar masas atómicas relativas, es decir, comparando la masa de un átomo de un elemento con la masa de otro átomo que se toma como patrón.

A partir de 1961 se eligió como patrón al isótopo más estable del carbono, el carbono-12, al que se le asigna arbitrariamente el valor de 12,0000 unidades de masa atómica. En base a él se define la unidad de masa atómica (uma) que se representa con la letra griega µ.
  

1 unidad de masa atómica (µ) =  una doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12 =
1,66 x 10-24g


Entonces:
Se llama masa atómica relativa a la masa de un átomo medida por comparación con la del carbono-12. 
 
Si decimos que un átomo de magnesio tiene una masa de 24,0 unidades de masa atómica, interpretamos que este átomo tiene una masa doble a la del átomo de carbono-12.

¿Cómo se determina la masa atómica de cada uno de los elementos considerando la existencia de los isótopos?
Con un instrumento llamado espectrómetro de masas se determina la masa de cada uno de los isótopos de un elemento y su abundancia. A partir de esos datos se calcula el promedio.
Espectrómetro de masas


Espectrómetro de masas de doble sector
(SIdI, UAM)

jueves, 11 de agosto de 2011

Número atómico y número másico

Número atómico (Z)
El número atómico de un elemento es un entero igual al número de protones que hay en el núcleo de un átomo del elemento. 

Z= No de p+ 

Como sabemos, en un átomo hay la misma cantidad de protones y electrones, por lo tanto, el número atómico coincide también con el número de electrones de un átomo.

El número atómico se representa con la letra Z y se indica como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento.

Por ejemplo: 11Na  

El número atómico identifica al elemento tanto como su nombre o como su símbolo químico. Es igual para todos los átomos de un mismo elemento.
Es decir si nos referimos al elemento con Z=11, estamos haciendo referencia al sodio cuyo símbolo es Na. Esto significa que todos los átomos de sodio tienen 11 protones en el núcleo.


Número másico (A)
El número másico, o número de masa, es un entero igual a la suma del número de protones y del número de neutrones que hay en el núcleo de un átomo. 

A= No de p+  +   No de no 

El número másico se representa con la letra A y se indica como supraíndice a la izquierda del símbolo químico del elemento. 

Por ejemplo:
 
Número atómico Z= 11
Como hemos dicho, un átomo de sodio tiene 11 protones en el núcleo. Como es eléctricamente neutro, también tiene 11 electrones en la periferia.

Número másico A=23
El núcleo, está formado por 23 partículas de las cuales 11 son protones.
El resto, son neutrones. Por lo tanto tiene 12 neutrones.
A - Z= 23 - 11 = 12


Isótopos

Aunque el número atómico es el mismo para todos los átomos de un determinado el elemento. No sucede lo mismo con el número másico. Es decir que pueden existir átomos de un mismo elemento que posean números másicos diferentes.

Se llama isótopos a los átomos de un mismo elemento que tienen diferente masa. Es decir, átomos que tienen igual número de protones, pero difernte número de neutrones.

Los isótopos, por lo tanto, tienen igual valor de Z (número de protones) por ser átomos de un mismo elemento; se diferencian en el valor de A porque tienen diferente número de neutrones.

La palabra  isótopo significa iso "igual", topo "lugar" (en la tabla periódica).

Los elementos químicos están formados por mezclas de isótopos.

viernes, 5 de agosto de 2011

¿Se pueden ver los átomos?

El avance tecnológico ha permitido realizar algunas visualizaciones del átomo. Actualmente pueden obtenerse imágenes de los átomo de la superficie de algunos sólidos utilizando un Microscopio de efecto túnel (STM) y procesando con un software especializado. La resolución del microscopio de efecto túnel es espectacular: menos de un décimo del radio promedio de un átomo, y ha permitido obtener mapas muy precisos de superficies de metales o de semiconductores, en los que cada átomo puede distinguirse de su vecino (ayuda inapreciable para las necesidades de la microelectrónica moderna), y ha proporcionado también imágenes atómicas de moléculas de ADN.

El microscopio está equipado con una “aguja” en cuya punta sólo hay un átomo. Esta aguja se posiciona a una pequeñísima distancia de una superficie muy lisa de materia conductora o semiconductora, y se estable una pequeña diferencia de potencial entre aguja y materia. La aguja hace múltiples barridos sobre la superficie y un ordenador va captando la reacción de los electrones de la materia bajo el efecto de túnel a través de las intensidades eléctricas que se provocan. El resultado es esa especie de mapa topográfico en 3D de los átomos que componen la materia que recogen estas imágenes.

Algunas imágenes:




Fuentes: http://1.bp.blogspot.com
             http://aportes.educ.ar
             http://www.crhea.cnrs.fr/crhea-en
             http://www.cienciateca.com
             http://www.ciencias.ies-bezmiliana.org

¿Cuán pequeño es un átomo?

Los invito a que vean la siguiente animación creada por la Universidad de Utah. Está impresionante. Y nos permite imaginarnos mejor ¡lo increíblemente pequeños que son los átomos!

Átomos y estructura atómica

Recordemos que hemos definido los átomos como esas partículas que no se pueden ver con el microscopio y que forman todo el Universo, desde las piedras a los seres vivos, desde el planeta hasta las estrellas.

Una definición  más formal es la siguiente:

Un átomo es la unidad cuantificable más pequeña de un elemento químico que puede existir, ya sea sólo o en combinación química con otros átomos del mismo o de otro elemento.

En otras palabras, un átomo es la partícula más pequeña que posee las propiedades del elemento al que pertenece. Los átomos se conservan indivisibles en las reacciones químicas (no en reacciones nucleares).

Un ejemplo quizás pueda aclarar esta idea:

Imagina que tienes un trozo de cobre y comienzas a dividirlo en pedacitos cada vez más pequeños. Una vez, dos veces, tres veces, cuatro veces, etc. ¿Hasta cuándo puede seguir este proceso?
Es decir, ¿hasta qué punto se podría dividir el cobre? 
Respuesta: se podría dividir el trozo de cobre hasta obtener los átomos de cobre por separado. Si dividieramos esos átomos, los fragmentos obtenidos ya no presentarían las propiedades del cobre. Es decir, ya no sería "cobre". 
A ésto nos referimos cuando decimos que el átomo es la partícula más pequeña de un elemento químico que puede existir.


¿Esto quiere decir que los átomos son las partículas más pequeñas que existen en el Universo?
La respuesta es NO. Son las partículas más pequeñas de un elemento químico. Que no es lo mismo.
Como veremos, los átomos están formados a su vez por otras partículas más pequeñas llamadas partículas subatómicas (y éstas, a su vez, por otras más pequeñas).


Dentro de la filosofía de la antigua Grecia, la palabra átomo se empleaba para referirse a la parte más pequeña de materia y se considerada indestructible (átomo, en griego significa "indivisible"). Ya entonces, Demócrito (460-370 a.C.) entendía que todas las sustancias existentes son diferentes porque están constituidas por diversos tipos de unidades diminutas. El conocimiento de su tamaño y su naturaleza avanzó muy lentamente a lo largo de los siglos. Hoy sabemos que los átomos no son indivisibles, ni son sencillas esferas macisas como fueron imaginadas durante mucho tiempo, sino que tienen una determinada estructura.

Estructura de los átomos
En los átomos se diferencian dos zonas o regiones:
  • núcleo, parte central
  • periferia, espacio que rodea al núcleo 
El diámetro del núcleo es aproximadamente 100.000 veces menor que el diámetro de la periferia. Es decir, el núcleo es muy pequeño en comparación con la periferia.

Para tener una idea, si un átomo fuera del tamaño del estadio Centenario, el núcleo sería más pequeño que un grano de arena colocado en el centro de la cancha.

Se conocen tres partículas subatómicas fundamentales:
  • el protón
  • el neutrón
  • el electrón
Estas partículas están presentes en todos los átomos, excepto en algunos átomos de hidrógeno que no tienen neutrones.

Ubicación de las partículas subatómicas
Los protones y los neutrones forman el núcleo y por eso se les llama nucleones.
Los electrones se mueven en la periferia, sin trayectoria definida, y la probabilidad de encontrarlos es mayor en los orbitales.
En un átomo de cualquier elemento el número de protones y el número de electrones son iguales.

¿Dónde están los electrones?












No podemos saber a ciencia cierta dónde está un electrón en un momento dado, ya que existe algo llamado principio de incertidumbre (que estudiarás en cursos posteriores), pero al menos podemos tener una idea de cuál es la zona de mayor probabilidad de encontrar a los electrones. Esa zona se llama orbital.

Un orbital es una zona del espacio alrededor del núcleo donde es mayor la probabilidad de encontrar a los electrones. 

En esa zona la probabilidad de encontrar al electrón es aproximadamente 95%. "Probabilidad" significa "posibilidad". Esto significa que de 100 veces que se busque al electrón, 95 veces se lo "encontrará" en esa zona, moviéndose, pero sin girar en órbitas alrededor del núcleo.

Entonces, actualmente se rechaza la idea de los electrones girando en órbitas alrededor del núcleo y surge el concepto de orbital, zona donde es mayor la probabilidad de encontrar a los electrones moviéndose sin trayectoria conocida.

Representación de un átomo del elemento helio (He)
Es muy difícil "representar" un átomo, debido a su complejidad y a que se pueden cometer errores justamente por intentar simplificar la realidad. Pero, para tener una idea de lo que estamos hablando, vamos a recurrir a  una representación por computadora de un átomo de helio (He). Repetimos: se trata de un modelo, una representación de la realidad.
Modelo de un átomo de helio.  En la ampliación se muestran dos protones y dos neutrones que forman el núcleo de este átomo. La región sombreada alrededor del núcleo corresponde a un orbital "s" donde es más probable encontrar los dos electrones de este átomo. El orbital se representa como una zona difusa en los bordes ya que la probabilidad de encontrar los electrones disminuye a medida que nos alejamos del núcleo. 


Características de las partículas subatómicas
  • El protón se representa p+ : tiene carga positiva y se le adjudica una masa relativa igual a 1.
  • El electrón se representa e-: tiene  carga negativa y una masa casi 2000 veces menor a la masa del protón.
  •  El neutrón se representa n0: no tiene carga y su masa es apenas algo mayor que la del protón.

Resumiendo:
  • La masa del átomo está concentrada prácticamente en el núcleo.
  • Como el volumen del núcleo es extremadamente pequeño respecto al volumen de la periferia, y en él se concentra la masa del átomo, se deduce que es muy denso.
  • En el núcleo está la carga positiva del átomo.
  • La carga negativa se encuentra en la periferia.
  • Los átomos son eléctricamente neutros, es decir tienen igual número de protones (positivos) que de electrones (negativos).

jueves, 4 de agosto de 2011

Tabla periódica con curiosidades de los elementos químicos

En esta tabla no encontrarás información sobre energías de ionización ni sobre configuraciones electrónicas ni sobre otras cosas tan serias. 

Aquí hallarás datos curiosos y anecdóticos sobre los elementos químicos y su historia.
La página: http://ciencianet.com/tabla.html