Conducir al oro
Isaac Newton, considerado el abuelo de la física, también fue alquimista. La alquimia fue la búsqueda de transformar metales como el plomo o el hierro en oro. Aunque Newton nunca logró producir esta transformación, la alquimia sentó las bases de la química moderna.
Ahora sabemos que los elementos pueden transmutar o cambiar de un elemento a otro, pero no es a través de un proceso químico. Es un proceso nuclear que ocurre en el núcleo del átomo. Vamos a ver cómo funciona.
El núcleo
El núcleo del átomo contiene dos partículas elementales: el protón y el neutrón.
- Los protones están cargados positivamente y tienen una masa de 1 AMU (unidad de masa atómica, aproximadamente igual a 1,66 x 10-27 kg).
- Los neutrones tienen un poco más de masa que un protón, pero sus masas pueden estimarse en 1 AMU cada una. Sin embargo, un neutrón no tiene carga eléctrica. Puede recordar esto pensando que el neut en el neutrón representa «neutral».
Para que un núcleo sea estable, la proporción de neutrones a protones debe estar dentro de un cierto rango. Los elementos con números atómicos inferiores a 20 son estables con una relación de 1 neutrón a 1 protón. Los números atómicos que van del 21 al 83 son estables cuando tienen 1,5 neutrones por cada protón. Si la relación neutrón a protón de un isótopo (versión específica de un elemento) no está dentro de estos rangos, sufrirá una desintegración radiactiva.
La desintegración radiactiva es la reconfiguración espontánea del núcleo de un isótopo para estabilizar su relación neutrón / protón. Veamos cómo los neutrones y los protones pueden convertirse entre sí.
Mapa Conceptual del Modelo Estándar de la Física de Partículas
Interruptor de partículas nucleares
Primero, veamos la notación utilizada para representar reacciones nucleares:
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Decaimiento de protones
Digamos que un isótopo específico tiene demasiados protones en comparación con la cantidad de neutrones en su núcleo. Por tanto, ese protón se convertirá en neutrón.
Conductividad eléctrica de metales: Ejemplos y fórmula
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Los números inferiores representan la carga eléctrica de las partículas. El protón de la izquierda tiene una carga de 1. En el lado derecho del signo de rendimiento (flecha), aparece un neutrón (n) junto con otras dos partículas. El 0/1 e se llama partícula beta-plus o positrón. Es la versión positiva de un electrón, que es antimateria.
Observe que los números inferiores se suman para igualar la carga del protón. La partícula del extremo derecho es un neutrino. No tiene carga y casi no tiene masa, pero se requiere en la ecuación para la conservación de la energía y el momento.
Decaimiento de neutrones
Si un nucleido tiene demasiados neutrones, un neutrón se convertirá en un protón.
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Observe que aparece un neutrino junto con un electrón estándar, también llamado partícula beta menos . La carga total se conserva porque la suma de los valores de carga eléctrica de las partículas de la derecha es igual a la carga eléctrica de la partícula de la izquierda.
Desintegración nuclear
Ahora, veamos la desintegración del núcleo de un átomo inestable. La carga eléctrica siempre se conserva en estos procesos. Pasaremos por ambos tipos de desintegración beta, pero dejamos de lado los neutrinos ya que son neutrales.
Beta-plus
El carbono-10 tiene una relación protón-neutrón de 4 neutrones por 6 protones. Necesita más neutrones para ser estable, por lo tanto, un protón puede convertirse en neutrón a través de la desintegración beta-plus.
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Note que la carga eléctrica se conserva. El carbono-10 tiene una carga de +6 y la carga de boro +5 añadida a la carga de +1 del positrón es igual a +6.
Beta-menos
El carbono 14 tiene la relación protón-neutrón de 8 neutrones a 6 protones, y esto no está en el rango estable que discutimos anteriormente. Un neutrón tiene que convertirse en un protón, y lo hace a través de la desintegración beta-menos.
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Nuevamente, la carga eléctrica neta en ambos lados del signo de rendimiento es idéntica. +6 a la izquierda y (7 + (- 1)) = +6 a la derecha.
Aniquilación de partículas
Uno de los santos griales de la física es aprovechar el poder de las colisiones materia-antimateria. El famoso libro de Dan Brown, «Ángeles y demonios», se centra en este fenómeno.
Cada partícula subatómica tiene su gemelo oscuro: la antipartícula. Vimos un ejemplo de esto en la sección anterior con electrones y anti-electrones (positrones). Cuando un electrón y un positrón interactúan, se destruyen entre sí y todo lo que queda es energía. La carga eléctrica se conserva porque la carga neta antes de que interactúen es cero, ¡y es cero después de que interactúan!
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Observe el negativo a la izquierda y el positivo a la derecha. -1 + 1 = 0. Después de la colisión, no hay partículas, por lo que la carga sigue siendo cero.
Resumen de la lección
La conservación de la carga eléctrica es una ley fundamental de conservación.
La desintegración radiactiva es el cambio de un elemento a otro mediante la reconfiguración de su núcleo.
La aniquilación de partículas elementales es cuando la materia y su equivalente de antimateria chocan y se destruyen entre sí, emitiendo energía en el proceso.
El cambio neto de carga antes y después de estos procesos es cero.
Para cualquier elemento con número atómico 20 o menos, si la relación neutrón-protón del núcleo de un átomo no es 1 neutrón por 1 protón, se desintegrará. Del mismo modo, para elementos con números atómicos 21 – 83, tiene que haber 1,5 neutrones por cada 1 protón para que sea estable.
Si un núcleo necesita más neutrones y menos protones, un protón se convierte en neutrón y se denomina desintegración de protones . Para mantener la carga eléctrica neta igual, se genera un electrón positivo (positrón o beta-plus ).
Si un núcleo necesita más protones y menos neutrones, un neutrón se convertirá en un protón y se denomina desintegración de neutrones . Se generará un electrón estándar ( beta-menos ) para mantener la misma carga eléctrica neta.
Los neutrinos también se emiten con estas desintegraciones, pero son eléctricamente neutrales.
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