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Guía para el docente Fenómenos nucleares y sus aplicaciones Partículas nucleares y reacciones nucleares
Guía para el docente Descripción curricular - Nivel: 4º medio - Subsector: Ciencias químicas - Unidad temática: Fenómenos nucleares y sus aplicaciones - Palabras claves: radiactividad, partículas nucleares, partículas alfa, partículas beta y radiación gamma. - Contenidos curriculares: Fenómenos nucleares y sus aplicaciones - Isótopos y estabilidad nuclear. Radiactividad natural y cinética de desintegración. Concepto de vida media y de serie radiactiva. Datación de objetos de interés arqueológico e histórico. - Fisión y fusión nuclear. La bomba atómica y los reactores nucleares. El impacto de las tecnologías nucleares sobre la vida del ser humano, en particular sus consecuencias éticas, sociales y psicológicas. Ventajas, beneficios, peligros y amenazas de la utilización de las tecnologías nucleares en diversos ámbitos. - Aplicación de los isótopos y de la radiación a la medicina, agricultura e investigación química y bioquímica. Efectos de la radiación sobre los seres vivos. - Contenidos relacionados: - 1° medio Los procesos químicos Los materiales - 2° medio Modelo atómico de la materia - 3° medio Reactividad y equilibrio químico Cinética - 4° medio Procesos químicos industriales - Aprendizajes esperados - Identifican los factores determinantes de la estabilidad nuclear. - Distinguen las diferentes clases de emisiones radiactivas y sus propiedades. - Reconocen los principales beneficios de la utilización de tecnologías nucleares para el ser humano. - Reconocen y evalúan los riesgos para el ser humano de las emisiones radiactivas naturales e inducidas y aprenden sobre métodos de protección.
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Aprendizajes esperados de esta actividad: - Comprender qué es la radiactividad a partir de la estructura atómica. - Comprender cómo son las reacciones nucleares y en qué se diferencian con las reacciones químicas. - Identificar la energía producto de las reacciones nucleares como posible fuente de energía. - Identificar las partículas nucleares producto de las reacciones nucleares. - Conocer aplicaciones de la radiactividad en ciencia y medicina. Recursos digitales asociados de www.educarchile.cl: - Ficha: Partículas nucleares y reacciones nucleares - Juego: “El ahorcado”. - Animación: “Partículas nucleares”. - Diapositivas digitales (ppt): “Fenómenos nucleares”. Actividades para este tema: En este documento hay dos actividades vinculadas al tema de Fenómenos nucleares y sus aplicaciones. -
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Actividad “¿Cuál es la diferencia entre una reacción nuclear y una reacción química?” está orientada a la comprensión de la radiactividad, sus reacciones, y la utilización de la energía producto de estas reacciones. Comprende, además una investigación acerca de la bomba atómica y los reactores nucleares utilizados en la generación de energía. Actividad “¿Qué emite la radiactividad?”, está orientada a conocer la naturaleza de las partículas nucleares y las aplicaciones de la radiactividad en diferentes campos de la ciencia y medicina.
A continuación encontrarás los contenidos que tratan estas actividades y sugerencias sobre cómo desarrollarlas con tus estudiantes.
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ACTIVIDAD: ¿Cuál es la diferencia entre una reacción nuclear y una reacción química? 1. Mapa de contenidos tratados Radiactividad Referencia histórica Inestabilidad nuclear
Desintegración natural
Comparación con reacciones químicas
Fusión
Todas las reacciones nucleares conllevan una gran liberación de energía hacia los alrededores.
Fisión
Bomba atómica
2. Desarrollo de la actividad: ¿Cuál es la diferencia entre una reacción nuclear y una reacción química? Paso 1 Esta actividad permite conocer cómo son las reacciones nucleares y en qué se diferencian a una reacción química. Sugerimos comenzar recordando: - Estructura atómica de la materia. - Estructura del núcleo atómico. Para introducir la radiactividad, puede preguntar - ¿Cómo es posible que partículas de la misma carga estén reunidas en el núcleo atómico? Guíe esta pregunta hacia la estabilidad de un núcleo atómico, para terminar en el concepto de radiactividad. Paso 2 Continúe la actividad con reacciones nucleares: - Desintegración natural: fisión y fusión nuclear. Haga hincapié en que las reacciones nucleares son exotérmicas puede hacer relación a la bomba atómica y la gran cantidad de energía liberada. 3
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Paso 3 Entregue la guía para el estudiante. Esta guía cuenta con una pequeña introducción la que pueden leer en conjunto. La guía se encuentra disponible en el portal educarchile. Los estudiantes deben reunir información acerca de la radiactividad, esta información se encuentra disponible en el portal en Internet educarchile, y pueden buscarla en otros medios en Internet o bien en textos para el estudiante. Se encuentra disponible también, en educarchile, una presentación de diapositivas digitales (ppt), llamada “fenómenos nucleares”. Paso 4 Una vez que los estudiantes hayan reunido la información necesaria, contesten las siguientes preguntas, cuyas respuestas se encuentran a continuación. 1. Realiza una investigación que te permita descubrir cómo es una reacción nuclear, y en qué se diferencia a una reacción química. Con esta información, confecciona una tabla de comparación entre ambas reacciones. Las reacciones nucleares ocurren a partir de isótopos de elementos que son inestables y, por lo tanto, se desintegran formando otros elementos más chicos. Existen reacciones artificiales en que se logra desintegrar un átomo a partir del bombardeo de éste con partículas subatómica, formando otro átomo. Las reacciones nucleares se escriben igual que una reacción química, pero como se trata de diferentes isótopos de un elemento, se indica el número másico y atómico de éste. En una reacción nuclear, no sólo se forman nuevos elementos, también va acompañada de nuevas partículas subatómicas y altas cantidades de energía. Reacciones químicas Reacciones nucleares Los átomos se reordenan por la Los elementos o los isótopos de un ruptura y formación de enlaces elemento generan otro elemento al químicos cambiar la constitución del núcleo del átomo. En la ruptura y formación de los En las reacciones pueden participar enlaces solo participan los protones, neutrones, electrones y electrones. otras partículas elementales. Las reacciones van acompañadas Las reacciones van acompañadas por la absorción o liberación de por la absorción o liberación de cantidades de energía relativamente enormes cantidades de energía. 3 Li7 + 1H1 ===>2 2He4 + 23000000 pequeñas. CO2 + 2 H2O + Kcal CH4 + 2 O2 200 kcal La temperatura, presión y Las velocidades de reacción concentración de los reactantes y generalmente no se ven afectadas catalizadores son factores que por la temperatura, la presión o los determinan la velocidad de una catalizadores. reacción.
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2. ¿Qué tienen en común la fisión y fusión nuclear? La fisión nuclear corresponde a la división de un núcleo pesado en otros más livianos de masa intermedia y uno o más neutrones. La fusión en cambio, es la combinación de núcleos livianos para formar uno más estable. La fisión y fusión nuclear van acompañadas de la emisión de altas cantidades de energía, lo que hace que sean exotérmicas. En esta propiedad radica el gran interés del mundo científico en estudiar las reacciones nucleares, que muchas veces son llamadas reacciones termonucleares.
3. En relación a la energía producida por las reacciones nucleares: a. ¿Por qué se dice que esta energía es “energía limpia”? La energía producida y utilizada hoy en día emite al medio ambiente grandes cantidades de CO2 (dióxido de carbono), el que es considerado un fuerte contaminante atmosférico por ser un gas responsable del efecto invernadero. Las consecuencias de la presencia de este gas en la atmósfera es el aumento de la temperatura del planeta, haciendo que aumente la temperatura de los mares y océanos, derretimiento de los hielos y cambio climático entre otros efectos. La producción de energía nuclear no emite a la atmósfera este contaminante, y por eso se considera la energía nuclear como energía limpia. Si embargo este tipo de energía conlleva otros peligros, debido a que estas reacciones emiten grandes cantidades de energía las que pueden ser descontroladas. b. ¿Qué es un reactor nuclear? Un reactor nuclear es un dispositivo donde se produce una reacción nuclear controlada. Pueden ser utilizados en la obtención de energía, la producción de materiales fisionables, o simplemente para la investigación de estas reacciones.
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c. ¿Qué opinas de la construcción de un reactor nuclear para la generación de energía para tu ciudad? Esta es una pregunta personal, sin embargo intente que esté correctamente justificada, evaluando la cantidad de energía limpia producida en contraste con la cantidad de energía producida en forma convencional. Por otra parte, que considere los riesgos que involucra la manipulación de estas reacciones. d. ¿Qué ocurrió en Chernobil? En Chernobil ocurrió un accidente en la planta nuclear que operaba en la ciudad (1986) debido al sobrecalentamiento del reactor nuclear que terminó en la explosión de hidrógeno acumulado en el lugar. Esta explosión provocó la muerte instantánea de 31 personas, alrededor de 135.000 personas tuvieron que ser evacuadas, la radiación afectó a aproximadamente 155.000 km², y debieron permanecer extensas áreas deshabitadas durante muchos años. La radiación se extendió a la mayor parte de Europa, permaneciendo los índices de radiactividad en niveles peligrosos durante varios días. Se estima que se liberó unas 500 veces la radiación de la bomba atómica arrojada en Hiroshima en 1945. 4. ¿Qué es la bomba atómica? La fisión nuclear se aplicó por primera vez para fabricar la bomba atómica. La fisión del uranio - 235, conlleva una reacción en cadena incontrolable que libera grandes cantidades de energía. La clave de la bomba atómica, es la masa de uranio – 235 que se utilice. Se pueden construir pequeñas bombas atómicas que utilicen pequeñas cantidades de uranio – 235, algunas de ellas equivalen a 20.000 toneladas de TNT (trinitrotolueno) liberando 8 x 1013 J de energía. Las bombas atómicas lanzadas en Hiroshima (Japón, 1945) fueron construidas con uranio – 235, sin embargo la bomba lanzada sobre Nagazaki tres días después, contenía plutonio – 239 que reacciona de la misma forma que el uranio, como reacción en cadena. Paso 5 Para concluir la actividad, pídale a sus estudiantes que realicen una tabla de posibles daños que produjo la radiactividad en los habitantes de Chernobil luego del accidente nuclear producido en 1986.
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ACTIVIDAD: ¿Qué emite la radiactividad? Duración: dos horas pedagógicas 1. Mapa de contenidos tratados Radiactividad Partículas radiactivas
Partículas sub atómicas
Partículas alfa
Partículas beta
Radiación gamma
2. Desarrollo de la actividad: ¿Qué emite la radiactividad? Paso 1 Esta actividad está orientada a que los estudiantes comprendan la naturaleza de las partículas nucleares y sus aplicaciones. Para comenzar esta actividad, recuerde los siguientes conceptos: - Estabilidad nuclear - Radiactividad. Si es necesario, recuerde cuáles son las partículas subatómicas: - Protón - Neutrón - Electrón Para continuar con este tema, dirija a sus estudiantes hacia las partículas nucleares, con la pregunta: - ¿Qué se emite en la radiactividad? Recuérdeles que cuando ocurre una reacción nuclear no sólo se emite energía, si no que también se forman nuevos productos, como núcleos nuevos y partículas subatómicas. Paso 2 Pregunte a sus estudiantes cómo balancearían la siguiente reacción nuclear: 212 84
Po ⎯ ⎯→ 208 82 Pb + X
Para ayudarlos puede comenzar preguntando: - ¿Está completa esta reacción? - ¿A qué corresponderá la letra X? - ¿Son iguales los números másicos en el Po y Pb? - ¿Son iguales los números atómicos del Po y Pb?
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Dirija la atención hacia el número másico y atómico. La idea es que ellos descubran que algo más está involucrado en esta reacción. Pueden incluso llegar a la expresión: 24 X , sin saber el nombre de esta partícula. Recomendamos que una vez que los estudiantes lleguen a esta expresión, indíqueles las nuevas partículas: partículas alfa, beta y radiación gamma, además de positrones. Paso 3 Entregue la guía para el estudiante que se encuentra disponible en el portal educarchile. Los estudiantes deben buscar información sobre radiactividad, esta información se encuentra disponible en el mismo portal o bien pueden buscarla en otros medios de internet o sus textos. Lean la guía todos juntos, también pueden acceder a ella en línea. Una vez reunida toda la información, comiencen la actividad completando la tabla. A continuación, indicamos la tabla completa. A) Tabla resumen de naturaleza de la radiación Radiación
Naturaleza
Carga
Masa
Simbología
[Kg] Alfa
Núcleo de helio
+2
6,65x10-
Poder
de
penetración
α , 24He,
2
He +2
Poco
27
Beta
Electrón
-1
9,11x10-
e− ,
−1
e0 , β
Regular
31
Gamma
Radiación
0
0
+1
9,11x10-
γ
Mucho
electromagnética Positrón
Electrón positivo
0 +1
e , e+
31
Neutrón
Neutrón
0
1.68x10-
nº
27
Protón
Protón
+1
1.68x10-
p+
27
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Paso 4 La segunda parte de la actividad, pretende que sus estudiantes comparen la naturaleza de las partículas nucleares y comprendan que la radiactividad se utiliza en campos de la ciencia y en medicina. Inicie la segunda parte de la actividad. En esta, también se requiere de material bibliográfico para investigar nuevos usos de la radiactividad. Las respuestas a las preguntas de la guía se encuentran a continuación. 1. Las partículas alfa son las partículas más grandes y con más masa, en cambio la radiación gamma (radiación electromagnética) es energía desprendida de la reacción nuclear. En relación a esto, ¿cómo crees que serán los efectos que cada una de estas partículas puede tener sobre el ser humano? Las partículas alfa son un núcleo de helio, cuentan con dos protones y dos neutrones y, por lo tanto, tienen carga positiva. En cambio, la radiación gamma es radiación electromagnética de alta energía que es desprendida de una reacción nuclear. Si consideramos estas características, la radiación gamma transporta mucha más energía que las partículas alfa, las que viajan más lento y son muchísimo más grandes y, por lo tanto, tienen menor poder de penetración en el cuerpo humano. Los efectos que tiene la radiación electromagnética es mucho mayores que las partículas alfa. 2. Ordena las partículas alfa, beta y gamma, en orden creciente de poder de penetración. Según orden creciente de poder de penetración: Partículas alfa < partículas beta < radiación gamma 3. Antes de continuar la actividad, pueden ver la animación “Partículas nucleares”, la que ilustra el poder de penetración de estas partículas.
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Paso 5 Esta parte de la actividad pretende que los estudiantes conozcan las aplicaciones de la radiactividad. Puede comenzar recogiendo las ideas previas de sus estudiantes. Algunos de ellos pueden conocer algunas de estas aplicaciones. En general, las aplicaciones más conocidas son aquellas en el campo de la medicina. Para esto, puede preguntar: - ¿Utilizamos la radiactividad? - ¿Utilizamos las partículas radiactivas? - ¿Podemos utilizar estas emisiones en aplicaciones prácticas? En la guía para el estudiante encontrarán una aplicación de las partículas nucleares: A veces se trabaja con elementos que decaen en forma natural emitiendo, en forma controlada partículas o energía. Estas partículas pueden ser utilizadas en algunas ramas de la ciencia o bien, en medicina. Por ejemplo, en química se utilizan isótopos de elementos radiactivos para descubrir mecanismos de una reacción química regular. Debido a que el isótopo utilizado emite una partícula radiactiva conocida, es posible seguir o rastrear esta partícula inestable que decae en el tiempo, o bien las radiación emitida por este isótopo. De ese modo, los científicos descubren cómo ocurre una determinada reacción química. También se utilizan isótopos radiactivos en medicina para el tratamiento de ciertos tumores. En la mayoría de los casos, utilizan isótopos que emiten radiación electromagnética la que daña las células de origen tumoral. 4. Investiga sobre otras aplicaciones de la radiactividad hoy en día. Otros ejemplos de aplicaciones de la radiactividad son: Los isótopos estables y radiactivos tienen varias aplicaciones en la ciencia y en la medicina. En química se utilizan para determinar estructuras de compuestos, seguir el curso de una reacción química (determinación de los pasos que se realizan en la fotosíntesis), determinar la edad de ciertos objetos (mediante la técnica del carbono-14 se logró determinar que los papiros del Mar Muerto tienen aproximadamente entre 1917 y 2000 años), etc. En medicina se usan, por ejemplo, en el sodio-24, que inyectado al torrente sanguíneo como una solución salina puede ser monitoreado para rastrear el flujo de sangre y detectar posibles constricciones u obstrucciones en el sistema circulatorio. El yodo-131 se ha utilizado para probar la actividad de la glándula tiroides; otro isótopo, el yodo-132, se usa para producir imágenes del cerebro; el cobalto-60, para la destrucción de tumores cancerosos; el arsénico-74, para localizar tumores cerebrales; el cobalto-58, para la determinación del nivel vitamínico B; el cromo-51, para la estimación de volúmenes de líquidos del cuerpo; el fósforo-32, para la detección de cáncer en la piel; el hierro-59, para calcular la rapidez de formación de glóbulos rojos y el oro-198, para el cáncer de próstata.
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Sumado a todo esto, se puede determinar la antigüedad de objetos que en alguna época fueron o formaron parte de organismos vivos, como pueden ser los huesos, utilizando la vida media del isótopo radiactivo carbono-14. En la materia viva, la relación entre el carbono-14 y el carbono-12 (no radiactivo) permanece relativamente constante. El carbono-14 que hay en nuestra atmósfera se origina por la reacción entre un átomo de nitrógeno y un neutrón que proviene de la atmósfera superior, como lo indica la siguiente reacción nuclear: 14 7
N + 01n ⎯ ⎯→146 C + 11H El carbono-14 se desintegra y forma una partícula beta, de acuerdo con la siguiente ecuación nuclear:
14 6
C⎯ ⎯→147 N +
0 −1
e
Se considera que la relación entre el carbono-14 y el carbono-12 en el tejido vivo es constante durante milenios. Cuando el tejido de una planta o un animal muere, el contenido de carbono-14 disminuye porque ya no se le ingiere ni utiliza. Por tanto, en el tejido muerto la relación del carbono-14 y el carbono-12 disminuye con el tiempo, siendo así la relación una medida de la edad de la muestra. De la misma manera, se utiliza la vida media del uranio-238 para determinar la edad de diferentes objetos no vivos, como por ejemplo las rocas. En estos cálculos se emplea la relación del uranio-238 radiactivo con el plomo-206 no radiactivo, con una vida media de 4,5 x 109 años. De acuerdo con los resultados de la aplicación de este método, la edad de las rocas más antiguas sobre la Tierra parece ser cercana a 4 x 109 años. Paso 6 Concluya la actividad, con una reflexión en que se destaque el buen uso de la energía nuclear, más allá de los efectos negativos que se han presenciado en el mundo. Los estudiantes deben entender que la energía nuclear, y su uso eficiente son alternativas energéticas hoy en día, cuyo uso aún requiere mucho estudio. Es decir, a pesar de la mala utilización de la energía nuclear en bombas atómicas, esta energía tiene numerosas aplicaciones en ciencia y medicina, y quizás quedan muchas otras por descubrir.
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