Modelos Atómicos, Radiactividad y Procesos Nucleares: Fundamentos y Aplicaciones

Evolución de los Modelos Atómicos

Modelo de Rutherford

El modelo de Rutherford postula que el átomo está formado por un núcleo central muy pequeño y una corteza electrónica. En el núcleo se concentra toda su carga positiva y casi toda su masa. En la corteza, los electrones (con carga negativa) giran alrededor del núcleo.

Modelo de Bohr

Según el modelo de Bohr, los electrones giran alrededor del núcleo describiendo solo determinadas órbitas circulares permitidas, cada una con un nivel de energía específico. Los electrones no irradian energía mientras permanecen en estas órbitas.

Modelo Atómico Actual (Mecano-Cuántico)

La diferencia más importante del modelo atómico actual con el del átomo de Bohr es que se sustituye la idea de que el electrón se sitúa en determinadas capas o niveles de energía por la probabilidad de encontrar al electrón en una cierta región del espacio alrededor del núcleo, denominada orbital. Un orbital es, por tanto, una región del espacio en la que existe una probabilidad máxima (generalmente superior al 90%) de encontrar al electrón.

Conceptos Atómicos Fundamentales

Isótopos

Se llaman isótopos a los átomos de un mismo elemento químico que tienen el mismo número de protones (igual número atómico, Z) pero se diferencian en el número de neutrones (diferente número másico, A). Por tanto, se representan con el mismo símbolo químico pero tienen diferente masa atómica.

Iones

Un ión es un átomo o molécula que ha ganado o perdido electrones, adquiriendo así una carga eléctrica neta. Cuando un átomo pierde electrones, adquiere carga positiva y se convierte en un ión positivo o catión. Cuando un átomo gana electrones, adquiere carga negativa y se convierte en un ión negativo o anión.

Radiactividad: Emisión Nuclear y sus Tipos

La radiactividad es el proceso espontáneo que experimentan algunos núcleos atómicos inestables, que les lleva a emitir partículas o radiación electromagnética para transformarse en núcleos más estables. Los átomos que presentan esta propiedad se denominan isótopos radiactivos. La radiación emitida puede ser de tres tipos principales:

• Radiación Alfa (α): Son partículas formadas por dos protones y dos neutrones (núcleos de Helio). Su carga es positiva (+2) y se emiten a gran velocidad. Es una radiación ionizante, pero tiene muy poco poder de penetración (puede ser detenida por una hoja de papel).
• Radiación Beta (β): Está formada por electrones (β-) o positrones (β+) emitidos desde el núcleo cuando un neutrón se transforma en un protón o viceversa. Su carga es negativa (electrones) o positiva (positrones) y su masa es muy pequeña. Tiene mayor poder de penetración que las partículas alfa (puede atravesar algunos milímetros de aluminio).
• Radiación Gamma (γ): Es una radiación electromagnética neutra, del mismo tipo que la luz pero de mucha mayor energía y menor longitud de onda. No tiene masa ni carga. Tiene un gran poder de penetración; para detenerla es necesario utilizar gruesas placas de plomo o de hormigón. Suele acompañar a las emisiones alfa y beta.

Reacciones Nucleares: Fisión y Fusión

Fisión Nuclear

El proceso de fisión nuclear tiene lugar cuando el núcleo de un átomo pesado (como algunos isótopos radiactivos de elementos como el uranio o el plutonio) se rompe o divide en núcleos de átomos más pequeños, generalmente como resultado del bombardeo con neutrones. Este proceso libera una gran cantidad de energía, neutrones adicionales y radiación gamma.

Fusión Nuclear

La fusión nuclear se produce cuando algunos núcleos de átomos muy pequeños (ligeros), como los isótopos del hidrógeno (deuterio y tritio), se unen o fusionan para dar núcleos de átomos mayores. Este proceso también libera enormes cantidades de energía y es la fuente de energía del Sol y otras estrellas.

Aplicaciones de los Isótopos Radiactivos

Los isótopos radiactivos, debido a su desintegración y emisión de radiación, tienen múltiples aplicaciones en diversos campos:

• Como fuente de energía: En las centrales nucleares se obtienen grandes cantidades de energía eléctrica aprovechando la fisión controlada de isótopos radiactivos de uranio y plutonio.
• Aplicaciones en investigaciones y experimentos científicos: Los núcleos de los isótopos radiactivos se desintegran emitiendo radiación alfa, beta o gamma. Tienen diferentes usos, como:
  • Datación: Para determinar la antigüedad de un hallazgo arqueológico (ej. Carbono-14) o formaciones geológicas.
  • Investigaciones forenses: Como trazadores para identificar sustancias o seguir procesos.
  • Medicina: Diagnóstico de enfermedades (gammagrafías, Tomografía por Emisión de Positrones - PET) y tratamiento (radioterapia contra el cáncer).
  • Industria: Control de calidad (medición de espesores, detección de fugas), esterilización de material médico y alimentos.
  • Agricultura: Estudio de la absorción de nutrientes por las plantas, control de plagas.

Gestión de Residuos Radiactivos

Los residuos radiactivos son materiales que contienen o están contaminados con nucleidos radiactivos en concentraciones superiores a las establecidas. Su gestión es fundamental debido a su potencial peligrosidad para la salud y el medio ambiente:

• Residuos de baja y media actividad: Son aquellos que dejan de ser peligrosos para la salud en un periodo que puede alcanzar unos trescientos años como máximo. Provienen de hospitales, industria, investigación y de la operación de centrales nucleares (ropa, herramientas, etc.).
• Residuos de alta actividad: Proceden fundamentalmente de restos del combustible gastado de las centrales nucleares o del armamento nuclear. Contienen isótopos con vidas medias muy largas y tardarán miles de años en dejar de ser nocivos para la salud, requiriendo sistemas de almacenamiento geológico profundo y seguro a largo plazo.

Propiedades Físicas: Cambios de Estado

Punto de Fusión

El punto de fusión de una sustancia es la temperatura constante a la cual se produce el cambio de estado de sólido a líquido, a una presión determinada. Durante este proceso, la sustancia absorbe calor (calor latente de fusión) sin aumentar su temperatura. El punto de fusión coincide con el punto de solidificación (líquido a sólido).

Punto de Ebullición

El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura constante a la cual se produce el cambio de estado de líquido a gas en toda la masa del líquido, a una presión determinada. Durante la ebullición, la sustancia absorbe calor (calor latente de vaporización) sin aumentar su temperatura. El punto de ebullición coincide con el punto de condensación (gas a líquido).