Elementos transuránicos: definición y producción

Elementos transuránicos

Imagínese si tuviera el poder de echar azúcar a la gelatina y la gelatina la convirtiera en una galleta. Eso sería bastante asombroso, ¿no crees? Bueno, tenemos la tecnología para hacer algo similar y tan asombroso como esto, pero no con la comida. Podemos crear nuevos elementos agregando partículas a los núcleos de los átomos. ¡Descubramos de qué se trata todo esto!

Número atómico

El número atómico de un elemento nos dice cuántos protones contiene en su núcleo. El elemento más básico que existe es el hidrógeno. El hidrógeno tiene un protón. Si agregamos otro protón al núcleo de hidrógeno, ya no sería hidrógeno. Sería helio porque el helio tiene dos protones en su núcleo. Esto nos dice que el número atómico de un elemento define qué elemento es. No hay dos elementos que tengan el mismo número atómico.

El uranio es un elemento con número atómico 92. El prefijo “trans” significa “más allá”, por lo que los elementos transuránicos son aquellos con números atómicos superiores a 92. Sólo hay 26 elementos que encajan en esta categoría. De estos, los únicos elementos que se han observado en la naturaleza son el neptunio y el plutonio, que tienen números atómicos 93 y 94, respectivamente. El resto de ellos están hechos de forma sintética.

Estas tres filas son las últimas filas de la tabla periódica. Todos estos elementos son elementos transuránicos, excepto los elementos de la fila central, torio (Th) y protactinio (Pa).

Sin embargo, todos los elementos transuránicos son radiactivos. Esto significa que se descomponen espontáneamente en otros elementos en un esfuerzo por estabilizar sus núcleos. Sin embargo, antes de que puedan deteriorarse, tienen que existir, lo que significa que deben fabricarse. Veamos cómo se hace.

Síntesis de elementos transuránicos

Las reacciones químicas de síntesis ocurren cuando dos o más elementos intercambian o comparten electrones para formar un nuevo compuesto químico. Una reacción nuclear de síntesis es similar a una reacción química de síntesis en algunos aspectos, pero diferente en otros. Es similar porque estamos sumando dos cosas juntas, pero diferente porque estamos lidiando con un cambio en el núcleo frente a la nube de electrones.

Aceleradores de partículas

Los aceleradores de partículas son dispositivos que usan energía electromagnética para acelerar partículas cargadas como los protones a velocidades lo suficientemente altas como para que puedan penetrar el núcleo de un átomo. Una de estas máquinas, llamada ciclotrón, fue utilizada por científicos de la Universidad de California en Berkeley para crear el elemento transuranio, el curio.

Los aceleradores de partículas utilizan energía electromagnética para acelerar las partículas cargadas

Aceleraron un núcleo de helio, conocido como partícula alfa (α) y lo rompieron en un átomo de plutonio-239. La ecuación nuclear de esta reacción es:

Los números en la parte superior son los números de masa, que indican la suma de los protones y neutrones. Los números inferiores indican la carga eléctrica del átomo o partícula. Si la partícula es un elemento, el valor inferior es el número atómico. La masa y la carga eléctrica deben conservarse y se conservan en esta ecuación porque la masa del lado izquierdo de la ecuación es igual a la masa del lado derecho. La carga en el lado izquierdo de la ecuación también es igual a la carga en el lado derecho de la ecuación.

Reactores nucleares

Los reactores nucleares son dispositivos que contienen material radiactivo que está siendo dividido por neutrones libres generados en el proceso de fisión. La fisión ocurre cuando un átomo pesado se divide en átomos y neutrones más ligeros. Los neutrones libres bombardean otros átomos provocando que se dividan y el proceso continúa. A veces, ciertos átomos están presentes en el reactor por lo que absorben neutrones generando nuevos elementos.

Un núcleo de reactor nuclear con el combustible nuclear eliminado

El plutonio se puede poner en un reactor nuclear y, después de unos pocos pasos, se genera el elemento transuránico americio. Los dos primeros pasos involucran dos isótopos (diferentes versiones de un elemento en función del número de neutrones en sus núcleos) de plutonio que absorben un neutrón que termina en Pu-241. El 241 en Pu-241 es el número de masa del isótopo. Las dos reacciones nucleares que generan Pu-241 son:

El símbolo al final de la reacción después de los dobles ceros es un gamma, que indica que se emite radiación gamma

Pu-241 es radiactivo y su núcleo se desintegra al emitir una partícula beta (Β), que esencialmente es un electrón. Un neutrón se convierte en un protón y para mantener la conservación de la carga eléctrica, una partícula sin masa cargada negativamente es expulsada del núcleo. El otro producto de la desintegración beta de Pu-241 es americio-241. La ecuación para este decaimiento es:

Los restantes elementos transuránicos se sintetizan a través de aceleradores de partículas o mediante la desintegración radiactiva de elementos pesados ​​fabricados en reactores nucleares.

Resumen de la lección

Hay 26 elementos que están después del uranio en la tabla periódica. Estos elementos se denominan elementos transuránicos y su número atómico varía de 93 a 118. Solo se han observado neptunio y plutonio en la naturaleza. Los restantes elementos transuránicos deben fabricarse.

Los aceleradores de partículas utilizan energía electromagnética para acelerar las partículas cargadas, como los protones, a velocidades lo suficientemente altas como para que, cuando chocan contra un átomo pesado, se genere un nuevo elemento. Por ejemplo, acelerar una partícula alfa (núcleo de helio) y aplastarla en un átomo de plutonio genera el elemento curio.

Los reactores nucleares propagan reacciones de fisión , mediante las cuales los elementos pesados ​​absorben un neutrón libre y se dividen en elementos más ligeros y más neutrones libres. A veces, ciertos elementos se colocan en reactores nucleares para absorber neutrones, lo que genera un nuevo elemento. Por ejemplo, Pu-239 absorbe un neutrón que genera Pu-240, que absorbe otro neutrón que genera Pu-241. Este isótopo de plutonio se desintegra en americio-241 emitiendo una partícula beta, que es esencialmente un electrón.