A les profunditats de la matèria by 5minutsciencia

2 t a Unit

7,5 % 4,7 %

A les profunditats de la matèria

3,4 %

25,7 %

49,2 %

A partir de l’experiència diària podem verificar que la matèria és divisible. Però, ¿fins a quin punt la matèria es pot dividir? La divisibilitat arriba a tal extrem, que les partícules obtingudes no es poden observar ni mitjançant els microscopis més potents, sinó que només en podem conèixer les propietats per les seves interaccions amb el nostre entorn. Moltes vegades percebem de manera limitada la realitat que ens envolta, com a conseqüència de l’abast reduït dels nostres sentits. A mesura que ens endinsem a les profunditats de la matèria, sempre apareixen noves sorpreses. Així com l’àtom està format per protons, neutrons i electrons, també els protons estan formats per partícules encara més petites: els quarks. Per estudiar la matèria a distàncies tan petites, ens calen grans experiments, ja que a menor distància necessitem més energia per endinsar-nos en la matèria. El més important d’aquests experiments és el LHC, que està a punt de començar a funcionar al CERN (Consell Europeu per a la Recerca Nuclear) a Suïssa. Qui sap si permetrà trobar altres partícules elementals, encara més petites que els quarks i els electrons!

Oxigen

Potassi

2,6 %

Silici

Magnesi

2,4 %

Alumini

Hidrogen

1,9 %Oxig en 0,9 S%i l i c 0,6 % i A um 1,1 l% in

Ferro

Titani

Calci

Altres

Pota sSodi s Mag i i Ferr ne s o i Hidr Calc oge n i Tita Diagrama de la distribució terrestre. ni Sodels di elements Aa l’escorça ltres

Imatge observada amb un microscopi atòmic que mostra una escultura atòmica artificial.

37 Dos àtoms amb diferent nombre de protons.

nombre màssic (A)

32 16

Símbol

nombre atòmic (Z)

PARAULES CLAU àtom protó neutró electró isòtop ió nombre atòmic nombre màssic radioactivitat fissió fusió

Notació per caracteritzar un àtom de sofre. De la seva notació podem deduir que l’àtom de sofre conté 16 protons i 16 neutrons.

OBJECTIUS DIDÀCTICS: La radioactivitat és molt útil tant per a la detecció com per al tractament del càncer.

1. Identificar i conèixer les partícules que formen els àtoms. 2. Entendre el concepte de nombre atòmic, nombre màssic i isòtop. 3. Saber determinar els nombres màssic i atòmic per diferents àtoms. 4. Entendre els fenòmens radioactius, tant els naturals com els artificials. 5. Conèixer les aplicacions beneficioses de la radioactivitat artificial.

2 t a t i n U 1. Els àtoms i els seus components La matèria que ens envolta és molt diversa i conèixer els seus components ha estat un dels grans reptes dels científics al llarg de la història. Per exemple, els antics grecs pensaven que la matèria estava constituïda per quatre elements: terra, aire, foc i aigua. Actualment sabem que la matèria està formada per partícules molt petites, és a dir, que la matèria no és infinitament divisible. Aquestes partícules són el que avui en dia coneixem com a àtoms. Els àtoms estan formats per partícules encara més petites. Aquestes partícules s’anomenen protons, neutrons i electrons. • Els protons es troben a la part central de l’àtom, anomenat nucli de l’àtom, i tenen càrrega elèctrica positiva. • Els neutrons també es troben en el nucli de l’àtom i no tenen càrrega elèctrica. • Els electrons es troben a la part externa de l’àtom o escorça i tenen càrrega elèctrica negativa, el valor de la qual és idèntic a la càrrega dels protons. Ens podem imaginar un model d’àtom semblant al nostre sistema solar, on el Sol seria el nucli i els electrons, els planetes girant al seu voltant. Podem resumir les propietats de aquestes tres partícules en la taula següent:

2. Isòtops i ions PER SABER-NE MÉS Per copsar les dimensions de l’àtom imaginem la següent comparació: si en un camp de futbol posem una pilota de golf al centre i una agulla de cap en una de les porteries, la distància entre la pilota i l’agulla és en proporció igual a la distància del nucli a l’electró.

Cada àtom esta format per un conjunt de partícules subatòmiques. Els àtoms es diferencien pel nombre de protons o de neutrons. Àtoms amb el mateix nombre de protons corresponen al mateix element químic.

1 protó

2 protons

Representació de dos àtoms amb diferent nombre de protons. Aquests àtoms pertanyen a dos elements diferents perquè tenen diferent quantitat de protons.

PARAULES CLAU

La quantitat de neutrons que tenen els àtoms no és fix. Hi ha àtoms que difereixen en el nombre de neutrons però tenen el mateix nombre de protons: són els isòtops.

àtom protó neutró electró 2 neutrons 1 protó

1 neutró 1 protó

38 Partícula fonamental

Representació

Càrrega elèctrica

Protó

Neutró

Electró

-1

Els àtoms que tenen el mateix nombre de protons i electrons s’anomenen àtoms neutres, ja que tenen el mateix nombre de càrregues negatives i positives. neutró

electró

3 electrons 3 protons 3 neutrons

A C T I V I T A T S 2.1. L’àtom més senzill (el d’hiprotó

drogen) està constituït per un electró i un protó. Representa’l. 2.2. Quina càrrega té el nucli

d’un àtom? Raona la teva resposta. Model representant un àtom, on veiem el nucli envoltat pels electrons.

Representació d’un àtom neutre, on el número d’electrons és el mateix que el de protons.

En certes circumstàncies els àtoms poden perdre o guanyar electrons. Aquests nous àtoms s’anomenen ions. Els ions poden ser de dos tipus: anions i cations. • Si un àtom guanya electrons queda carregat negativament i s’anomena anió. • Si un àtom perd electrons queda carregat positivament i s’anomena catió.

Representació de dos àtoms amb el mateix nombre de protons i diferent nombre de neutrons. Aquests àtoms formen part del mateix element, però tenen diferent quantitat de neutrons, per tant, són isòtops.

PER SABER-NE MÉS Alguns isòtops naturals tenen unes aplicacions molt útils. Així, per exemple, el carboni té un isòtop, el carboni-14 (C-14), que es pot trobar en molts objectes. Aquest isòtop, en ser inestable, es desintegra a mesura que passa el temps. Mesurant l’abundància del C-14 en un objecte podem saber la seva antiguitat, i això té moltes aplicacions, per exemple en arqueologia.

PARAULES CLAU isòtop ió

2 t a t i n U 2.1. Caracterització dels àtoms de la natura

3. La taula periòdica dels elements

Els àtoms de la natura es poden caracteritzar pel nombre de protons que conté cadascun i per la seva massa. • El nombre de protons que hi ha en el nucli d’un àtom s’anomena nombre atòmic i es representa amb la lletra Z. Aquest nombre atòmic és el que fa que un àtom sigui diferent dels altres. • Els àtoms també es poden caracteritzar pel nombre màssic, que representa la seva massa. El nombre màssic correspon al nombre total de partícules (protons més neutrons) que hi ha en el nucli de l’àtom. Es representa amb la lletra A. Per caracteritzar un àtom determinat es fa servir aquesta notació:

PER SABER-NE MÉS La massa dels electrons és negligible, ja que és molt petita en comparació amb la massa del protó i del neutró; per tant, no contribueix al nombre màssic.

PARAULES CLAU nombre atòmic nombre màssic

nombre màssic (A)

Na 11

Símbol

1 1

nombre atòmic (Z)

De la seva notació podem deduir que l’àtom de sodi (Na) conté 11 protons i 12 neutrons en el seu nucli.

Recordem que els isòtops d’un element són àtoms que tenen el mateix nombre de protons però diferent nombre de neutrons. Per tant, tenen el mateix nombre atòmic però diferent nombre màssic. Els isòtops del liti (Li), per exemple, es representen de la següent manera: 6 3

7 3

Classificar els diferents elements químics en un ordre lògic va ser un dels esforços principals del científics des de l’Edat Mitjana. Després de molts intents, va ser el químic rus Mendeleiev qui, a finals del segle XIX, va ordenar els diferents elements en funció de les seves propietats, en el que avui en dia coneixem com a taula periòdica dels elements. Actualment, en la taula periòdica els elements estan ordenats pel seu nombre atòmic, però quan Mendeleiev la va crear es desconeixia la teoria atòmica de la matèria. Ell va ordenar els elements per les seves propietats comunes, com per exemple les propietats químiques, i la seva predicció més espectacular és que hi havia uns buits a la taula amb elements que encara no es coneixien. El descobriment d’aquests elements, amb les propietats exactament predites per Mendeleiev, va donar un fort impuls a les teories que afirmaven que la matèria estava formada per àtoms. 4

Taula periòdica dels elements

HELI

A C T I V I T A T S 7

Nombre atòmic

LITI

BERIL·LI

Símbol

HIDROGEN

Nom (Normes de la IUPAC de 1997)

MAGNESI

POTASSI

CALCI

ESCANDI

TITANI

VANADI

CROM

RUBIDI

ESTRONCI

ITRI

ZIRCONI

CESI

BARI

La-Lu 89 103

FRANCI

RADI

Ac-Lr

Nb Mo NIOBI

MOLIBDÈ

HAFNI

TÀNTAL

TUNGSTÈ

104

105

106

RUTHERFORDI

DUBNI

SEABORGI

Mn Fe MANGANÈS

FERRO

Tc Ru TECNECI

RUTENI

Re Os RENI

107

OSMI

108

Bh Hs BOHRI

HASSI

BOR

CARBONI

NITROGEN

OXIGEN

FLUOR

Na Mg SODI

2.3. Completa la taula següent a partir de la representació dels dos isòtops del liti, tenint en compte que són

1 HIDROGEN

Dmitri Ivanovitx Mendeleiev.

ALUMINI

SILICI

FÒSFOR

SOFRE

CLOR

6 3

7 3

Nombre de neutrons

Nombre d’electrons

Nombre atòmic

Nombre màssic

Lantànids

Actínids

LANTANI

CERI

PRASEODIMI

COBALT

NÍQUEL

COURE

ZINC

GAL·LI

GERMANI

ARSÈNIC

SELENI

BROM

CRIPTÓ

RODI

PAL·LADI

PLATA

CADMI

INDI

ESTANY

ANTIMONI

TEL·LURI

IODE

XENÓ

IRIDI

PLATÍ

MERCURI

TAL·LI

PLOM

BISMUT

POLO NI

ÀSTAT

RADÓ

109

110

111

112

Metalls

Mt Uun Uuu Uub MEITNERI

UNUNNILI

UNUNUNI

Nd Pm Sm Eu

GADOLINI

TERBI

ACTINI

TORI

PROTOACTINI

URANI

SAMARI

EUROPI

Np Pu Am Cm Bk NEPTUNI

PLUTONI

No metalls

UNUNBI

AMERICI

CURI

BERKELI

Dy Ho DISPROSI

Cf CALIFORNI

HOLMI

Er ERBI

100

Tm Yb TULI

101

ITERBI

102

Es Fm Md No EINSTEINI

FERMI

MENDELEVI

NOBELI

Lu LUTECI

103

Lr LAURENCI

Taula periòdica dels elements. 2.4. Si un àtom és elèctricament neutre, quina relació hi ha entre el nombre de protons i d’electrons?

3.1. Distribució dels elements a la taula periòdica

2.5. De

La taula periòdica s’organitza en grups i períodes. Els grups són les columnes verticals i els períodes les files horitzontals. Tots els elements que formen part d’un grup tenen propietats químiques semblants.

l’ió positiu amb Z=3 i A=7 digues quina quantitat d’electrons, protons i neutrons té. De quin àtom es tracta?

ARGÓ

NEODIMI

PROMETI

Ar 36

àtoms neutres: Nombre de protons

NEÓ

2 t a t i n U D’altra banda, la taula periòdica es divideix en dos grans conjunts d’elements, el dels metalls i el dels no metalls, separats per una línia en escaleta. A continuació pots veure un recull dels elements metàl·lics i no metàl·lics més coneguts, amb el seu corresponent símbol. Metalls

Símbol

No metalls

Símbol

Alumini

Hidrogen

Sodi

Heli

Calci

Argó

Magnesi

Neó

Crom

Fluor

Níquel

Brom

Coure

Clor

Estany

Iode

Ferro

Carboni

Mercuri

Nitrogen

Silici

Plata

Fòsfor

Platí

Sofre

Plom

Bor

PER SABER-NE MÉS Els símbols amb els quals representem els elements químics provenen del nom en llatí d’aquest element. Per exemple: el símbol de l’or és Au, del llatí aurum.

• Els no metalls estan situats a la dreta de la taula periòdica. El caràcter no metàl·lic d’un element és més gran quan més a la dreta d’un període i més amunt en un grup es troba a la taula periòdica. La majoria dels elements no metàl·lics, a temperatura ambient són gasos. També n’hi ha de sòlids o de líquids, però amb un baix punt de fusió, com és el cas del sofre, el fòsfor i d’altres. Els no metalls no són bons conductors tèrmics ni elèctrics. En estat sòlid són fràgils i presenten dureses variables.

3.3. Abundància relativa dels elements a la natura A l’escorça terrestre els elements més abundants són l’oxigen i el silici, ja que junts sumen una proporció del 74,9%. Del 75% al 98,9% correspon només a vuit elements. La resta d’elements, com l’or, el platí i el mercuri formen l’1,1% restant. En els éssers vius els elements es distribueixen de manera diferent. Els elements més abundants són l’oxigen i el carboni, que representen una proporció del 82%. Un 16% correspon només a quatre elements i el 2% restant esta constituït per sodi, potassi, magnesi, ferro, clor, sofre, iode i pels anomenats oligoelements, molt poc abundants però imprescindibles per a la vida.

Titani

Urani

3.2. Propietats dels metalls i dels no metalls Com hem dit anteriorment, els elements químics es poden classificar en elements metàl·lics i elements no metàl·lics. Ara veurem quines són les seves respectives propietats. • Els metalls, tal i com podem veure a la taula periòdica, estan situats a les zones esquerra i central del sistema periòdic. En general, els metalls són sòlids a temperatura ambient, és a dir, que tenen temperatures de fusió i d’ebullició molt elevades, excepte el mercuri, que fon a -39ºC i el gal·li, que fon a 30ºC. La majoria dels metalls són dúctils i mal·leables, i quan es tallen presenten una brillantor característica. La major part són extremament estables, però n’hi ha, com el franci o el cesi, que són molt reactius amb el medi ambient, de manera que són molt difícils d’observar en la natura. Una característica molt important del metalls és que tots ells són conductors elèctrics, per les raons que estudiarem més endavant, i són bons conductors tèrmics, és a dir, que són bons transmissors de la calor. Els metalls més conductors són l’or, la plata i el coure. Mercuri.

La temperatura d’ebullició de les substàncies que acostumem a manipular en la vida quotidiana, com l’aigua, són moderades (100ºC). En canvi, per als elements metàl·lics en general, les temperatures d’ebullició són molt més elevades (més de 1000ºC). Per això sempre els observem en estat sòlid.

10 %

20 %

62 %

7,5 % 4,7 %

PER SABER-NE MÉS Zinc

1% 2% 2% 3%

25,7 %

49,2 %

Elements a l’escorça terrestre.

3,4 % 2,6 % 2,4 % 1,9 %Oxi gen 0,9 % Si 0,6 % lici lum 1,1A% ini Ferr o Calc i Sod i

Oxigen

Potassi

Silici

Magnesi

Alumini

Hidrogen

Ferro

Titani

CalciP otas s Sodi Mag i nes i Hidr oge n Tita ni Altre s

Altres

Oxigen Carboni Hidrogen Nitrogen Calci Fòsfor Altres elements

Elements a la matèria viva.

A C T I V I T A T S 2.6. Dibuixa i completa una taula periòdica i situa-hi

2.9. Enumera les propietats dels següents elements: or,

només els elements que hi ha al quadre de la pàgina anterior.

mercuri, ferro, fluor i nitrogen.

2.7. Escriu els noms dels elements químics que corres-

ponen als símbols següents: Ba, W, Rn, Co, Pt, Cr, Pd, Li, K, Kr, Cd i Nd. 2.8. Ordena els següents elements en funció del seu caràcter no metàl·lic (de més a menys caràcter): clor, fluor, seleni, fòsfor i sofre.

2.10. Per què creus que l’oxigen i el silici són els elements més abundants a l’escorça de la Terra? Posa exemples de substàncies que continguin aquests elements. 2.11. Fixa’t que molts dels materials que utilitzem estan

formats per elements poc abundants. Quines conseqüències pot tenir aquesta pràctica i quina seria una possible solució?

Oxigen Carboni Hidrogen Nitrogen Calci Fòsfor 43Altres el

2 t a t i n U 4. La radioactivitat

La radioactivitat sovint es relaciona amb accidents com el de Txernòbil (Ucraïna), on hi va haver una fuga de radiació, o de Costa Rica, on una desena de persones van patir una sobredosi l’any 1996. També tenim presents, per descomptat, les bombes atòmiques i les seves fatídiques conseqüències. En canvi, es coneixen molt poc els efectes beneficiosos de la radioactivitat. La radioactivitat es troba a tot arreu: a les plantes, en l’aire que respirem, a casa nostra, etc. De fet, existeix des que es va formar la Terra, fa uns 4500 milions d’anys. La radioactivitat no la podem percebre pels sentits, però en els últims anys hem après a detectar-la, mesurar-la i controlar-la. La radiació no només la genera la indústria nuclear o les armes nuclears. De fet, el 87% de la radiació que rebem prové de fonts naturals –com els raigs còsmics, alguns materials de l’escorça terrestre, etc.– i el 13% prové de les activitats humanes. Entre les activitats humanes, la major part de la radiació prové de les aplicacions mèdiques, i només un 0,1% de la radiació que rebem és deguda a la indústria nuclear. Per entendre l’origen físic de la radioactivitat, cal saber que els àtoms que constitueixen la matèria són estables, però hi ha alguns dels seus isòtops que es transformen espontàniament, emetent radiacions i alliberant energia: es tracta de la radioactivitat natural.

4.1. El descobriment de la radioactivitat PARAULES CLAU radioactivitat

El fenomen de la radioactivitat va ser descobert l’any 1896 pel científic francès Henri Becquerel, en observar que unes plaques fotogràfiques guardades en un calaix juntament amb sals d’urani, s’havien velat, aparentment per les radiacions emeses per aquestes sals. L’any 1898 el matrimoni format per Pierre i Marie Curie va aprofundir en les investigacions del fenomen descobert per Becquerel: van veure que el tori emetia radiacions mol semblants a les de l’urani i van trobar nous elements radioactius, als que van anomenar poloni i radi. Aquests fets van provocar una convulsió mundial en el camp de la física i de la química per tal de poder explicar aquest nou fenomen.

4.2. La radioactivitat natural: elements radioactius

La central nuclear de Txernòbil després de l’accident de 1986.

La Terra és un planeta radioactiu. La radioactivitat natural prové de la transformació dels materials radioactius que componen l’escorça terrestre i de les radiacions procedents de l’espai exterior, que constitueixen la radiació còsmica. Això vol dir que existeix un fons de radioactivitat natural des de la creació del nostre planeta. Fins i tot el nostre 40 cos conté certs compostos radioactius com el potassi-40 ( 19 K) i el carboni-14 ( 14 C). 6 Afortunadament per nosaltres i per a la resta d’éssers vius, la quantitat d’aquestes radiacions naturals és prou petita com per no causar danys greus en el nostre organisme.

PER SABER-NE MÉS Maria Sklodowska va néixer a Varsòvia l’any 1867. Es va traslladar a París el 1891, on es va llicenciar en Física i Matemàtiques. L’any 1895 es va casar amb Pierre Curie, amb qui va investigar en condicions molt precàries les propietats de les radiacions descobertes per Becquerel. Aquests estudis els van suposar la concessió del Premi Nobel de Física l’any 1904. Madame Curie va ser la primera dona en ocupar una càtedra a la Universitat de París. L’any 1911 va tornar a rebre el Premi Nobel, en aquesta ocasió de Química. Va morir de leucèmia als 67 anys, a causa dels efectes de les radiacions.

Madame Curie treballant en el seu laboratori.

2 t a t i n U En el fenomen de la radioactivitat, els àtoms d’un element es transformen en àtoms d’un altre element. En aquesta transformació, el nucli de l’àtom emet partícules a gran velocitat: les més habituals són els nuclis d’heli (formats per 2 protons i 2 neutrons), anomenades radiació α (alfa); els electrons, anomenades radiació β (beta); i la radiació γ (gamma) composta per fotons, com els de la llum visible, però amb més energia.

4.3. La llei de desintegració radioactiva Els àtoms d’elements radioactius no es desintegren tots alhora, sinó que ho fan gradualment. Els elements radioactius estan caracteritzats pel temps de semidesintegració: és el temps necessari per tal que una determinada quantitat de l’element radioactiu es redueixi a la meitat, a causa de la desintegració de l’altra meitat. Aquest temps pot anar des de fraccions de segon fins a milions d’anys.

Partícules emeses pels elements radioactius Nom

Temps de semidesintegració d’alguns elements radioactius

Alfa

Beta

Gamma

Nucli d’heli

Electrons ràpids

Feix de fotons

Poloni

214 Po 84

1,5·10-4 segons

Protoactini

234 Pa 91

1,4 minuts

14 C 6

5730 anys

Carboni Composició

Càrrega

Positiva

Negativa

Radi

226 Ra 88

1,62·103 anys

Urani

234 U 92

2,35·105 anys

Sense càrrega

234

Energia

Penetració Protecció

Augment d’energia

Augment de la capacitat de penetració

full de paper

full d’alumini

bloc de plom

Observem que el temps de semidesintegració de l’urani 92 U és de 2,35·105 anys. Això vol dir que a partir d’una certa quantitat d’urani, se n’haurà desintegrat la meitat al cap de 2,35·105 anys; la meitat que en quedi es desintegrarà al cap de 2,35·105 anys més, etc. És per això que quan es parla de residus radioactius es parla de baixa, mitja o alta activitat.

Taula amb les propietats de les partícules emeses per elements radioactius.

4.4. La radioactivitat artificial

L’emissió de partícules i radiacions per part de nuclis naturals inestables amb la finalitat d’aconseguir arribar a una situació d’estabilitat, constitueix la radioactivitat natural. Els àtoms dels elements que experimenten aquesta transformació s’anomenen elements radioactius. La radiació gamma pot penetrar profundament dins d’un material. La penetració en els organismes vius pot comportar canvis en la seva estructura. Des de l’origen de l’Univers, la radioactivitat natural existeix tant en els objectes inanimats com en els éssers vius. Els isòtops radioactius es desintegren, emetent radiacions i transformant-se en altres àtoms. Al final d’aquesta cadena de desintegracions s’arriba a un element estable, o sigui no radioactiu. Aquest procés pot durar des de pocs segons, per a alguns elements, a milers i milers d’anys, per a d’altres.

La situació canvia amb la radioactivitat artificial, com per exemple amb les radiacions que es produeixen a l’interior d’una central nuclear. La radioactivitat artificial és un fenomen d’iguals característiques que la natural, amb l’única diferència que els nuclis radioactius són produïts artificialment en un laboratori. Els nuclis radioactius es produeixen per determinades aplicacions, però també poden ser un subproducte de les reaccions que tenen lloc en els reactors nuclears, com els de les centrals elèctriques nuclears.

PER SABER-NE MÉS Rebem una enorme quantitat de radiació natural. Per exemple, cada hora rebem 100.000 raigs còsmics de neutrons, respirem 30.000 àtoms radioactius que es desintegren als nostres pulmons i que provenen dels elements radioactius presents a l’escorça terrestre, i ens travessen 200 milions de raigs gamma.

Central nuclear d’Ascó (Tarragona).

2 t a t i n U L’any 1934, Irène Curie (filla de Pierre i de Marie Curie) i el seu marit, Frédéric Joliot, van descobrir la radioactivitat artificial. En bombardejar una làmina d’alumini-27 amb partícules alfa van observar que apareixia un nou isòtop radioactiu, el fòsfor-30. Per aquest descobriment varen obtenir el Premi Nobel de Química de l’any 1935. Aquesta experiència demostra que, bombardejant nuclis estables, es poden fabricar radioisòtops que no existeixen en la naturalesa. Actualment es produeixen artificialment centenars de radioisòtops per aplicacions molt diverses.

• Els mètodes de datació es fonamenten en el període de semidesintegració dels isòtops radioactius. Si es coneix la quantitat d’isòtop radioactiu que hi ha en un determinat material en un moment donat del passat i es coneix el seu període de desintegració, podem saber l’edat d’un objecte amb molta aproximació, mesurant la quantitat d’aquest isòtop que encara no s’ha desintegrat. El carboni-14 s’utilitza especialment per determinar l’edat dels objectes de menys de 50.000 anys. En un organisme viu, el carboni-14 es renova durant tota la seva vida, mantenint-se una proporció estable. En morir aquest organisme, la majoria del seu carboni-12 es manté estable, però el carboni-14 no és capaç de renovar-se, i es va desintegrant. Com menys carboni-14 té, més antiga és la mostra.

4.5. Aplicacions de la radioactivitat

A diferència del que moltes persones pensen, els éssers humans hem utilitzat la radioactivitat pel nostre propi benefici. Moltes de les aplicacions de la radioactivitat, per exemple, es donen en camp de la medicina. Una altra de les aplicacions que es va donar a la radioactivitat, però, va ser en la indústria d’armament. Durant la Segona Guerra Mundial, les ciutats de Hiroshima i Nagasaki van ser testimonis del poder destructiu de les bombes atòmiques. El fenomen de la radioactivitat ha tingut aplicacions en àmbits com la medicina, l’agricultura, la biologia, la indústria o l’obtenció d’energia, entre d’altres. En el sector de la indústria alimentària, per exemple, una gran varietat d’aliments són irradiats per desinfectar-los i esterilitzar-los, amb l’objectiu de prolongar la seva conservació. Molts anys d’investigacions han demostrat que aquests tipus de radiacions no tenen efectes negatius en els aliments i, com a conseqüència, són beneficiosos. Entre d’altres aplicacions de la radioactivitat podem destacar els mètodes de datació i la radioteràpia.

Activitat resolta Hem obert una tomba a Egipte i hi trobem blat. Sabem que hi ha 2,3 2,3·10-3 mg de carboni-14 per kg de blat quan el blat és viu, és a dir, quan era una planta. Busquem la quantitat que ens queda de carboni-14 i trobem que s’ha reduït a la meitat: 1,15·10-3 mg. Com que el temps de desintegració del carboni-14 és de 5730 anys, deduïm que han passat 5730 anys des que aquest blat va morir. Posem 6000 anys, per fer números rodons. El blat, per tant, va ser posat a la tomba uns 4000 anys abans de Crist. La ciutat d’Hiroshima va quedar destruïda per una bomba atòmica el 6 d’agost de 1945.

• La radioteràpia és una forma eficaç de lluita contra el càncer: les radiacions ionitzants presenten preferència per les cèl·lules tumorals i s’hi adrecen, concentrant-s’hi i destruint-les. Les cèl·lules sanes queden menys afectades. Al voltant d’un 40 o un 50% de tumors cancerosos es tracten amb radioteràpia.

Accelerador lineal per a radioteràpia. La radioactivitat és molt útil per a la detecció i per al tractament de tumors.

2 t a t i n U 4.6. Efectes de les radiacions

5. L’energia nuclear

Estem exposats a diversos tipus de radiacions ionitzants, ja sigui voluntàriament, com quan prenem el Sol o ens fem una radiografia, o bé involuntàriament. Els efectes de tots els tipus de radiacions són equivalents, sigui quina sigui la font. Les radiacions a què estem sotmesos poden ser d’origen natural o artificial: • Les radiacions d’origen natural provenen dels rajos ultraviolats del Sol, de l’espai, de l’atmosfera i de la mateixa Terra. • Les radiacions d’origen artificial provenen de l’activitat industrial o de l’ús mèdic (els raigs X utilitzats per fer radiografies i els feixos de partícules per a la radioteràpia). Aplicació dels raigs X en la medicina: la radiografia.

A C T I V I T A T S

PARAULES CLAU

En trencar les unions entre els àtoms d’una molècula es desprèn una certa quantitat d’energia. El mateix passa al trencar les unions entre els protons i neutrons que hi ha en el nucli, però l’energia que es desprèn, anomenada energia nuclear, és molt més gran. Aquesta font d’energia es pot utilitzar en aplicacions pacífiques –per aconseguir energia elèctrica en les central nuclears–, o en aplicacions bèl·liques –per generar destrucció mitjançant les bombes atòmiques. L’energia nuclear es pot alliberar mitjançant dos processos: la fissió o la fusió. • En la fissió nuclear un nucli d’urani-235 absorbeix neutrons, el que provoca que es trenqui en dos nuclis més petits, generant nous elements, i allibera tres neutrons més que poden impactar en nous nuclis d’urani. Aquest fenomen dóna lloc a una reacció en cadena, molt ràpida, que genera una gran quantitat d’energia. • En la fusió, en canvi, dos nuclis lleugers (per exemple isòtops de l’hidrogen, el deuteri i el triti) poden fusionar-se generant un nucli més pesant, com l’heli, i alliberant gran quantitat d’energia. La reacció de fusió s’anomena termonuclear perquè té lloc a molt alta temperatura. És la reacció que es produeix en el Sol i les estrelles. Actualment es treballa en la fusió controlada com una font d’energia important, donat que allibera més energia que la fissió, no genera residus perillosos i el combustible que necessita, l’hidrogen, es troba en gran abundància a la natura, a diferència dels materials radiactius que es necessiten en el procés de fissió, que són escassos. El projecte ITER (International Thermonuclear Energy Reactor) investiga les tècniques necessàries per produir energia a partir de processos de fusió nuclear controlada.

fissió fusió

Àtom d’urani-235

51 La fissió d’1 kg d’urani-235 allibera la mateixa quantitat d’energia que 2500 tones de carbó.

2.12. Tenim un quilogram de 226 Ra. 88

La major part de la radiació que rep una persona correspon a radioactivitat natural i prop d’una quarta part a la pràctica mèdica. Els efectes de la radiació ionitzant que es rep depenen del tipus de radiació, de la intensitat i de la sensibilitat dels teixits que la reben. Es consideren les dosis rebudes per la irradiació del cos sencer homogèniament, i s’exclouen les radiacions mèdiques, ja que en sessions de radioteràpia s’utilitzen radiacions molt localitzades i controlades. En casos de dosis considerables de radiació s’han observat efectes biològics a llarg termini, com l’augment del risc de càncer. Altres efectes, segons la quantitat de radiació rebuda, van des de nàusees i un descens del nombre de globus blancs fins a greus problemes de salut que requereixen hospitalització.

Calcula quant de temps es necessita per tal que aquest quilogram es redueixi a 250 g a causa de la desintegració. I perquè es redueixi a 125 g?

Triti

Deuteri

2.13. En una excavació arqueo-

lògica es troba una destral de fusta. Es mesura la quantitat de carboni-14 que té i troben que és una quarta part de la quantitat que es troba en els arbres vius. Dedueix quina és l’edat d’aquesta destral, si el temps de semidesintegració del C-14 és de 5730 anys.

Heli

Neutró

La fusió d’una mescla d’1 kg de deuteri i triti allibera la mateixa quantitat d’energia que 10.000 tones de carbó.

Reactor de fusió nuclear experimental del projecte ITER .

2 t a t i n U 5.1. La producció d’electricitat

5.2. Els residus nuclears

Les reaccions en cadena de fissió de l’urani s’utilitzen en les centrals nuclears per produir electricitat.

El combustible consumit que encara té una elevada activitat radioactiva es considera un residu d’alta activitat i es tracta com a tal. El primer pas és emmagatzemar-lo en la pròpia central en condicions segures. Posteriorment s’envia a una central de reciclatge per processar-lo i recuperar la màxima quantitat de material radioactiu. Un cop processats, el residus d’alta activitat radioactiva tornen a la central nuclear d’origen. El transport dels residus des de la central elèctrica a la planta de reciclatge i viceversa comporta riscos i s’ha de fer sota grans mesures de seguretat. Finalment, els residus radioactius no admeten més processos de reciclatge. Aleshores existeixen dues propostes: a) L’anomenada proposta tècnica consisteix a emmagatzemar aquests residus, actius durant milers d’anys, de la forma més segura possible. b) La proposta química consisteix a investigar la forma de continuar la descomposició radioactiva fins acabar obtenint productes no radioactius. Els perill dels residus radioactius i el fet que algun dels productes generats en les centrals es pugui utilitzar en la producció d’armes atòmiques, fa que l’energia d’origen nuclear sigui àmpliament rebutjada. Per la seva banda, la indústria elèctrica defensa l’energia nuclear a causa de la seva nul·la contribució al canvi climàtic, ja que no genera diòxid de carboni. Tots nosaltres hauríem de ser conscients del que significa actualment la producció d’energia elèctrica i actuar en conseqüència, evitant-ne al màxim l’ús excessiu o el malbaratament.

Turbina

Cor de reactor

Alternador

Bomba

En el reactor, la fissió de l’urani-235 dóna lloc a nous nuclis radioactius, tres neutrons i gran quantitat d’energia. Alguns del nuclis radioactius generats poden reaccionar en el reactor nuclear proporcionant energia. Aquesta energia serveix per escalfar aigua en un circuit. Tant el reactor com aquest primer circuit d’aigua estan tancats en una cambra que impedeix que surti qualsevol mena de radiació. Aquest primer circuit d’aigua escalfa, al seu torn, un segon circuit, fins aconseguir vapor a alta pressió. Aquest vapor d’aigua a alta pressió pot sortir de la zona aïllada, va a parar a la turbina i la fa girar. La turbina fa girar l’alternador, que és el que produeix l’electricitat. En una central elèctrica, només una petita proporció del combustible nuclear reacciona. Quan el combustible ja no és útil per a la generació d’energia, encara queda molt combustible radioactiu i nous elements que s’han generat, com el plutoni, que també són radioactius.

Esquema del funcionament d’un reactor de fissió nuclear.

Residus nuclears submergits en un tanc especial d’emmagatzematge. Els residus radioactius emmagatzemats es mantenen actius durant milers d’anys.

A C T I V I T A T S 2.14. Repartiu-vos en grups pe-

tits i busqueu informació sobre l’energia nuclear. Cada grup redactarà un breu informe a favor o en contra. Després, un portaveu de cada grup exposarà les seves conclusions a la resta de la classe.

El racó d’Internet Arxiu

Edició

Visualització

Preferits

Endarrere Adreça

Eines Cerca

Esquema de la unitat

Ajuda Preferits Vincles

http://www.espaibarcanova.cat

LA MATÈRIA

INTRODUCCIÓ En aquesta unitat hem vist com el àtoms, que durant molt de temps es van creure que eren els components més petits de la matèria, estan en realitat compostos per altres partícules encara més petites: els protons, els neutrons i els electrons. De fet, des de fa uns 30 anys sabem que, al seu torn, els protons i els neutrons també estan formats per partícules encara més petites: els anomenats quarks i els gluons (el nom de gluons prové de l’anglès glue, és a dir, pega). Com hem estudiat, el fenomen de la radioactivitat es deu a les emissions dels nuclis atòmics quan canvien d’estat per passar a una situació més estable. Com més nuclis tinguem, més radiació experimentarem. El ritme de la desintegració dels nuclis ve determinat per una constant, τ (tau), la constant de desintegració, que és diferent en cada cas.

neutró

quarks

està formada per protons

constitueixen

neutrons

electrons els elements

estables es poden trobar

que s’ordenen

Busca informació sobre el món de les partícules elementals, sobre les propietats dels elements químics i sobre la radioactivitat.

radioactius

emeten en el sistema periòdic

PROCÉS é 1. Consulta els enllaços 1, 2 i 3 del web www.espaibarcanova.cat. Fes una llista de totes les partícules ele1 mentals que pots trobar. Més endavant, durant aquest curs, estudiarem l’energia elèctrica, però existeixen altres formes d’energia a la natura, com la nuclear. Mira si encara pots trobar altres exemples d’energies diferents entre partícules elementals.

2. A l’enllaç 4 trobaràs una versió interactiva de la taula periòdica. Si prems sobre cada element observaràs les seves característiques i propietats. Escull cinc elements de la taula periòdica, anota les seves propietats i compara-les amb el que has après en aquesta unitat.

estan constituïts per

protó

TASCA

àtoms

3. A l’enllaç 5 pots veure, a través d’un experiment virtual, com varia un procés radioactiu canviant la constant de desintegració. A l’enllaç 6 pots seguir la cadena de desintegracions radioactives de qualsevol nucli, com per exemple el famós urani, que és el combustible habitual en les centrals nuclears.

RECURSOS

radiació (α, β i γ) que consta de

divuit grups

set períodes

i conté

Per elaborar aquest treball, cal que entris al web: www.espaibarcanova.cat

metalls i no metalls

Internet

2 t a t i n U Resum gràfic

ió 2. neutró 1. fissió 5.

Neutrons

A les profunditats de la matèria Àtom que ha perdut o guanyat electrons.

àtom 1.

Partícula que es troba en el nucli dels àtoms i que no té càrrega elèctrica.

nombre atòmic 2.1.

Na 11

Símbol

nombre atômic (Z) electró 1.

Nombre de protons que hi ha en el nucli d’un àtom. Reacció en cadena , molt ràpida i que genera una gran quantitat d’energia, a causa de l’absorció de neutrons d’un nucli d’urani-235, que provoca el seu trencament en dos nuclis més petits i allibera tres neutrons més, que poden impactar en nous nuclis d’urani.

Electró nombre màssic 2.1.

56 nombre màssic (A)

23 Partícula que es troba a l’escorça de l’àtom i que té càrrega elèctrica negativa.

Partícula que forma la matèria.

Símbol

Massa d’un àtom, que correspon al nombre de protons més el nombre de neutrons.

protó 1.

fusió 5. radioactivitat 4. Protons isòtop 2.

Partícula que es troba en el nucli dels àtoms i que té càrrega elèctrica positiva. Àtom que té el mateix nombre de protons que un altre, però diferent nombre de neutrons.

Emissió de radiacions i alliberament d’energia a causa de la transformació d’un isòtop.

Reacció que allibera una gran quantitat d’energia, a causa de la fusió de dos nuclis lleugers (per exemple isòtops de l’hidrogen, el deuteri i el triti) que generen un nucli més pesant (per exemple, d’heli).

L’àtom i els seus components 2.15.

Completa el quadre següent amb els noms, els símbols i els nombres atòmics de quatre elements que pertanyin a grups diferents: 2.26.

Quants protons i quants neutrons té l’àtom 42 He ? Nom de l’element

Símbol

Nombre atòmic (Z)

La notació d’un àtom és: A=35 i Z=17. Calcula el nombre de protons si el nombre de neutrons és 18.

2.16.

El nombre màssic d’un àtom és 16 i el seu nombre atòmic, 8. Dibuixa aquest àtom. 2.17.

2.18.

Un àtom té un nombre atòmic de 93 i un nombre màssic de 238. Calcula el nombre de neutrons i electrons que té. Amb l’ajuda de la taula periòdica, digues de quin àtom es tracta. Representa aquest element fent servir la notació atòmica.

Darrerament s’han descobert altres elements químics a part dels que apareixen en la taula periòdica d’aquesta unitat. Esbrina quins són, quins noms tenen, i quines són les seves principals característiques. ¿Són tots ells naturals o alguns són artificials, és a dir, creats per l’activitat humana?

Isòtops i ions

La radioactivitat

2.19.

Dibuixa un ió negatiu.

Un àtom té un protó i un neutró. A quin element pertany? Calcula el seu nombre màssic.

2.27.

AC T I V I TAT S

2 t a t i n U

Enumera les partícules que apareixen en les reaccions nuclears i en els processos radioactius, i explica la seva naturalesa.

2.28.

2.20.

Completa el quadre següent amb algun fenomen tecnològic relacionat amb la radioactivitat que hagi aportat beneficis a la disciplina que s’especifica:

2.29.

Considera l’ió negatiu amb Z=17 i A=35. Digues quina quantitat d’electrons, protons i neutrons té. De quin àtom es tracta?

2.21.

Disciplina

Fenomen tecnològic

Medicina

Determina el nombre atòmic i el nombre màssic dels següents àtoms: a) un catió amb una càrrega positiva, 12 electrons i 11 neutrons. b) un anió amb dues càrregues negatives, 23 electrons i 25 neutrons. 2.22.

Alimentació Arqueologia Indústria

La taula periòdica dels elements 2.23. Escriu el nom de dos metalls i de dos no metalls que coneguis, indicantne alguna propietat característica. 2.24.

De cada parell d’elements, indica quin presenta més caràcter metàl·lic i

per què: a) sodi i cesi. b) silici i estany. Dins del grup del no metalls sorprèn trobar una de les substàncies més dures que existeixen a la natura. Busca informació i digues quina pot ser aquesta substància.

2.25.

Imagina’t que tens un espectròmetre. Si hi passa una càrrega elèctrica positiva, la desvia en una direcció (diguem cap amunt) i succeeix el contrari si la càrrega elèctrica és negativa. Tenim tres mostres radioactives que emeten, respectivament, radiació alfa, beta i gamma. Raona què passarà quan cada tipus de radiació travessi l’espectròmetre. 2.30.

Dossier

A C T I V I T A T S d’avaluació

2 t a t i n U

1. Quants protons i quants neutrons té l’àtom

234 91

Pa ?

2. Un àtom té A=201 i 80 protons. Calcula el nombre atòmic i el nombre de neutrons. ¿A quin element

químic pertany? 3. Dibuixa un ió positiu. 4. Busca informació sobre els isòtops de l’hidrogen i les seves aplicacions tecnològiques. Aquests isòtops

Unitat 2

l e d l a t n e m i r e p x e L’estudi : a i r è t a m a l e d cor els acceleradors

són tants importants que tenen noms propis. Esbrina quins són.

5. Anota cinc metalls que es trobin en diferents grups del sistema periòdic. 6. Observa les propietats de quatre substàncies, indicades en la taula següent:

Densitat (g/cm3)

Punt de fusió (ºC)

Punt ebullició (ºC)

Conductivitat elèctrica

5,91

2.070

Bona

3,12

-7

Dolenta

11,3

328

1.760

Bona

0,0014

-249

-246

Molt dolenta

Substància

’estudi de l’estructura de la matèria en l’àmbit microscòpic depèn de les energies de què disposem. Per fer un dels primers estudis de l’àtom i per descobrir l’electró es van invertir pocs electrovolts (eV), és a dir, poca energia. Per al descobriment del nucli i els seus components (protons i neutrons) es van requerir quantitats d’energia milions de vegades superiors. Per dur a terme l’exploració de l’estructura dels protons i dels neutrons van ser necessàries quantitats d’energia molt més grans. En general, aquestes energies les podem trobar a la natura, entre els raigs còsmics que no sabem ben bé d’on provenen i ens bombardegen contínuament. Molts dels primers descobriments de la física de partícules van ser possibles gràcies a l’estudi dels raigs còsmics. Avui dia, per a l’exploració experimental de la matèria, s’han construït acceleradors de partícules cada vegada més potents. En aquests acceleradors es fa seguir a les partícules una trajectòria circular; d’aquí ve el nom de ciclotró. A aquestes partícules se’ls comunica cada cert temps una energia suficient perquè donin voltes i més voltes.

a) Quina substància és líquida a temperatura ambient? b) Quina substància és sòlida a temperatura ambient? c) Quina substància és un gas a temperatura ambient? d) Quines són substàncies metàl·liques i quines no metàl·liques? e) Quina d’aquestes substàncies podria fondre sobre la teva mà? 7. Observa la taula dels temps mitjans de desintegració dels elements radioactius de la pàgina 47, i in-

tenta explicar per què el carboni-14 és especialment útil per datar objectes antics, i no, per exemple, el poloni-214. 8. Hem vist que la reacció de fusió termonuclear requereix temperatures molt elevades. Les bombes

d’hidrogen són bombes que obtenen l’energia a partir de reaccions termonuclears. Esbrina els mecanismes que utilitzen aquestes bombes per obtenir les temperatures necessàries i produir la fusió nuclear.

l de l’accel Interior del túne interior. mouen en el seu

os de part erador. Els feix

ícules es

1,6·10-19 J = 1eV 1 eV és l’energia que guanya un electró quan és accelerat per un potencial d’1 volt.

Dimensions de l’accelerador de partícules, comparades amb les de la ciutat de Ginebra (Suïssa).