A les profunditats

de la matèria

36

A partir de l’experiència diàriapodem verificar que la matèria ésdivisible.

Però, ¿fins a quin punt la matè-ria es pot dividir? La divisibilitatarriba a tal extrem, que les partí-cules obtingudes no es poden ob-servar ni mitjançant els microsco-pis més potents, sinó que nomésen podem conèixer les propietatsper les seves interaccions amb elnostre entorn. Moltes vegadespercebem de manera limitada larealitat que ens envolta, com aconseqüència de l’abast reduïtdels nostres sentits.

A mesura que ens endinsem ales profunditats de la matèria,sempre apareixen noves sorpreses.Així com l’àtom està format perprotons, neutrons i electrons,també els protons estan formatsper partícules encara més petites:els quarks. Per estudiar la matèriaa distàncies tan petites, ens calengrans experiments, ja que a menordistància necessitem més energiaper endinsar-nos en la matèria. Elmés important d’aquests experi-ments és el LHC, que està a puntde començar a funcionar alCERN (Consell Europeu per a laRecerca Nuclear) a Suïssa. Quisap si permetrà trobar altres partí-cules elementals, encara més peti-tes que els quarks i els electrons!

Unitat 2

A les profunditats

de la matèria

37

àtomprotóneutróelectró isòtop

iónombre atòmicnombre màssicradioactivitat

fissiófusió

PARAULES CLAU

OBJECTIUS DIDÀCTICS:

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.

nombre màssic (A)

nombre atòmic (Z)

Símbol

32

16S

AluminiFerro

Potassi

CalciSodi

MagnesiHidrogenTitaniAltres

Silici

Oxigen

Alumini

Ferro

Potassi

Calci

Sodi

Magnesi

Hidrogen

Titani

Altres

Silici

Oxigen

49,2 %

25,7 %

7,5 %

4,7 %

3,4 %

2,6 %

2,4 %

1,9 %0,9 %0,6 %1,1 %

Imatge observada amb un microscopi atòmic que mostrauna escultura atòmica artificial.

La radioactivitat és molt útil tant per a la detecció com per altractament del càncer.

Dos àtoms amb diferent nombre de protons.

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

Diagrama de la distribució dels elements a l’escorça terrestre.

2. Isòtops i ions

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

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

Els àtoms que tenen el mateix nombre de protons i electrons s’ano-menen àtoms neutres, ja que tenen el mateix nombre de càrregues ne-gatives i positives.

En certes circumstàncies els àtoms poden perdre o guanyar elec-trons. Aquests nous àtoms s’anomenen ions. Els ions poden ser dedos tipus: anions i cations.

• Si un àtom guanya electrons queda carregat negativament i s’ano-mena anió.

• Si un àtom perd electrons queda carregat positivament i s’anome-na catió.

39

1. Els àtoms i els seus components

La matèria que ens envolta és molt diversa i conèixer els seus compo-nents ha estat un dels grans reptes dels científics al llarg de la història.Per exemple, els antics grecs pensaven que la matèria estava constituï-da per quatre elements: terra, aire, foc i aigua. Actualment sabem quela matèria està formada per partícules molt petites, és a dir, que la ma-tèria no és infinitament divisible. Aquestes partícules són el que avui endia coneixem com a àtoms.

Els àtoms estan formats per partícules encara més petites. Aquestespartícules s’anomenen protons, neutrons i electrons.

• Els protons es troben a la part central de l’àtom, anomenat nuclide l’àtom, i tenen càrrega elèctrica positiva.

• Els neutrons també es troben en el nucli de l’àtom i no tenen càr-rega elèctrica.

• Els electrons es troben a la part externa de l’àtom o escorça i te-nen càrrega elèctrica negativa, el valor de la qual és idèntic a la càrre-ga dels protons. Ens podem imaginar un model d’àtom semblant alnostre sistema solar, on el Sol seria el nucli i els electrons, els planetesgirant al seu voltant.

Podem resumir les propietats de aquestes tres partícules en la taulasegüent:

38

Unitat 2Unitat 2

Partícula fonamental Representació Càrrega elèctrica

Protó p +1

Neutró n 0

Electró e- -1

PER SABER-NE MÉS

Per copsar les dimensions de l’àtomimaginem la següent comparació: sien un camp de futbol posem una pi-lota de golf al centre i una agulla decap en una de les porteries, la dis-tància entre la pilota i l’agulla és enproporció igual a la distància del nuclia l’electró.

Model representant un àtom, on veiem el nucli envoltat pels electrons.

àtomprotóneutróelectró

PARAULES CLAU

A C T I V I T A T S

2.1. L’àtom més senzill (el d’hi-drogen) està constituït per unelectró i un protó. Representa’l.

2.2. Quina càrrega té el nuclid’un àtom? Raona la teva resposta.

Representació de dos àtoms amb diferentnombre de protons. Aquests àtoms per-tanyen a dos elements diferents perquè te-nen diferent quantitat de protons.

Representació de dos àtoms amb el ma-teix nombre de protons i diferent nombrede neutrons. Aquests àtoms formen partdel mateix element, però tenen diferentquantitat de neutrons, per tant, són isò-tops.

Representació d’un àtomneutre, on el número d’e-lectrons és el mateix queel de protons.

isòtopió

PARAULES CLAU

PER SABER-NE MÉS

Alguns isòtops naturals tenen unesaplicacions molt útils. Així, per exem-ple, el carboni té un isòtop, el carbo-ni-14 (C-14), que es pot trobar enmolts objectes. Aquest isòtop, en serinestable, es desintegra a mesuraque passa el temps. Mesurant l’a-bundància del C-14 en un objecte po-dem saber la seva antiguitat, i això témoltes aplicacions, per exemple enarqueologia.

neutró

protó

electró

1 protó2 protons

1 protó1 neutró

1 protó2 neutrons

3 electrons

3 protons

3 neutrons

2.1. Caracterització dels àtoms de la natura

Els àtoms de la natura es poden caracteritzar pel nombre de protonsque conté cadascun i per la seva massa.

• El nombre de protons que hi ha en el nucli d’un àtom s’anomenanombre atòmic i es representa amb la lletra Z. Aquest nombre atòmicés el que fa que un àtom sigui diferent dels altres.

• Els àtoms també es poden caracteritzar pel nombre màssic, querepresenta la seva massa. El nombre màssic correspon al nombre totalde partícules (protons més neutrons) que hi ha en el nucli de l’àtom. Esrepresenta amb la lletra A.

Per caracteritzar un àtom determinat es fa servir aquesta notació:

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

40

Unitat 2Unitat 2

3. La taula periòdica dels elements

Classificar els diferents elements químics en un ordre lògic va ser undels esforços principals del científics des de l’Edat Mitjana. Després demolts intents, va ser el químic rus Mendeleiev qui, a finals del segle XIX,va ordenar els diferents elements en funció de les seves propietats, enel que avui en dia coneixem com a taula periòdica dels elements.

Actualment, en la taula periòdica els elements estan ordenats pelseu nombre atòmic, però quan Mendeleiev la va crear es desconeixia lateoria atòmica de la matèria. Ell va ordenar els elements per les sevespropietats comunes, com per exemple les propietats químiques, i laseva predicció més espectacular és que hi havia uns buits a la taula ambelements que encara no es coneixien. El descobriment d’aquests ele-ments, amb les propietats exactament predites per Mendeleiev, va do-nar un fort impuls a les teories que afirmaven que la matèria estava for-mada per àtoms.

3.1. Distribució dels elements a la taula periòdica

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

41

nombre màssic (A)

nombre atòmic (Z)

Símbol23

11Na

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

PER SABER-NE MÉS

La massa dels electrons és negligi-ble, ja que és molt petita en compa-ració amb la massa del protó i delneutró; per tant, no contribueix alnombre màssic.

nombre atòmic nombre màssic

PARAULES CLAU

A C T I V I T A T S

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

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

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

Li Li63

73

Nombre de protons

Nombre de neutrons

Nombre d’electrons

Nombreatòmic

Nombremàssic

Li63

Li73

1

11

HHIDROGEN

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

2

3

4

2

HeHELI

3

LiLITI

4

BeBERIL·LI

5

BBOR

6

CCARBONI

7

NNITROGEN

8

OOXIGEN

9

FFLUOR

10

NeNEÓ

11

NaSODI

12

MgMAGNESI

13

AlALUMINI

14

SiSILICI

15

PFÒSFOR

16

SSOFRE

17

ClCLOR

18

ArARGÓ

19

KPOTASSI

20

CaCALCI

21

ScESCANDI

22

TiTITANI

23

VVANADI

24

CrCROM

25

MnMANGANÈS

26

FeFERRO

27

CoCOBALT

28

NiNÍQUEL

29

CuCOURE

30

ZnZINC

31

GaGAL·LI

32

GeGERMANI

33

AsARSÈNIC

34

SeSELENI

35

BrBROM

36

KrCRIPTÓ

537

RbRUBIDI

38

SrESTRONCI

39

YITRI

40

ZrZIRCONI

41

NbNIOBI

42

MoMOLIBDÈ

43

TcTECNECI

44

RuRUTENI

45

RhRODI

46

PdPAL·LADI

47

AgPLATA

48

CdCADMI

49

InINDI

50

SnESTANY

51

SbANTIMONI

52

TeTEL·LURI

53

IIODE

54

XeXENÓ

655

CsCESI

56

BaBARI

57

La Lu72

HfHAFNI

73

TaTÀNTAL

74

WTUNGSTÈ

75

ReRENI

76

OsOSMI

77

IrIRIDI

78

PtPLATÍ

79

AuOR

80

HgMERCURI

81

TlTAL·LI

82

PbPLOM

83

BiBISMUT

84

PoPOLO

Metalls

Lantànids

Actínids

No metalls

NI

85

AtÀSTAT

86

RnRADÓ

787

FrFRANCI

88

RaRADI

89 104

RfRUTHERFORDI

105

DbDUBNI

106

SgSEABORGI

107

BhBOHRI

108

HsHASSI

109

MtMEITNERI

110

UunUNUNNILI

111

UuuUNUNUNI

112

UubUNUNBI

657

LaLANTANI

58

CeCERI

59

PrPRASEODIMI

60

NdNEODIMI

61

PmPROMETI

62

SmSAMARI

63

EuEUROPI

64

GdGADOLINI

65

TbTERBI

66

DyDISPROSI

67

HoHOLMI

68

ErERBI

69

TmTULI

70

YbITERBI

71

LuLUTECI

789

AcACTINI

90

ThTORI

91

PaPROTOACTINI

92

UURANI

93

NpNEPTUNI

94

PuPLUTONI

95

AmAMERICI

96

CmCURI

97

BkBERKELI

98

CfCALIFORNI

99

EsEINSTEINI

100

FmFERMI

101

MdMENDELEVI

102

NoNOBELI

103

LrLAURENCI

Taula periòdica dels elements

1

HHIDROGEN Nom

(Normes de la IUPAC de 1997)

Nombre atòmic

Símbol

-

Ac Lr-

71

103

Dmitri Ivanovitx Mendeleiev.

Taula periòdica dels elements.

• Els no metalls estan situats a la dreta de la taula periòdica. El ca-ràcter no metàl·lic d’un element és més gran quan més a la dreta d’unperíode i més amunt en un grup es troba a la taula periòdica. La majo-ria 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 bonsconductors tèrmics ni elèctrics. En estat sòlid són fràgils i presentendureses 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% cor-respon només a vuit elements. La resta d’elements, com l’or, el platí iel 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 representenuna proporció del 82%. Un 16% correspon només a quatre elementsi el 2% restant esta constituït per sodi, potassi, magnesi, ferro, clor, so-fre, iode i pels anomenats oligoelements, molt poc abundants però im-prescindibles per a la vida.

43

D’altra banda, la taula periòdica es divideix en dos grans conjuntsd’elements, el dels metalls i el dels no metalls, separats per una líniaen escaleta.

A continuació pots veure un recull dels elements metàl·lics i no me-tàl·lics més coneguts, amb el seu corresponent símbol.

3.2. Propietats dels metalls i dels no metalls

Com hem dit anteriorment, els elements químics es poden classificaren elements metàl·lics i elements no metàl·lics. Ara veurem quines sónles seves respectives propietats.

• Els metalls, tal i com podem veure a la taula periòdica, estan si-tuats 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 elmercuri, que fon a -39ºC i el gal·li, que fon a 30ºC. La majoria delsmetalls són dúctils i mal·leables, i quan es tallen presenten una bri-llantor característica. La major part són extremament estables, peròn’hi ha, com el franci o el cesi, que són molt reactius amb el medi am-bient, de manera que són molt difícils d’observar en la natura.

Una característica molt important del metalls és que tots ells sónconductors elèctrics, per les raons que estudiarem més endavant, i sónbons conductors tèrmics, és a dir, que són bons transmissors de la ca-lor. Els metalls més conductors són l’or, la plata i el coure.

42

Unitat 2Unitat 2

Metalls Símbol No metalls Símbol

Alumini Al Hidrogen H

Sodi Na Heli He

Calci Ca Argó Ar

Magnesi Mg Neó Ne

Crom Cr Fluor F

Níquel Ni Brom Br

Coure Cu Clor Cl

Estany Sn Iode I

Ferro Fe Carboni C

Mercuri Hg Nitrogen N

Or Au Silici Si

Plata Ag Fòsfor P

Platí Pt Sofre S

Plom Pb Bor B

Zinc Zn

Titani Ti

Urani U

PER SABER-NE MÉS

Els símbols amb els quals represen-tem els elements químics provenendel nom en llatí d’aquest element.Per exemple: el símbol de l’or és Au,del llatí aurum.

Mercuri.

PER SABER-NE MÉS

La temperatura d’ebullició de lessubstàncies que acostumem a mani-pular en la vida quotidiana, com l’ai-gua, són moderades (100ºC). En can-vi, per als elements metàl·lics en ge-neral, les temperatures d’ebulliciósón molt més elevades (més de1000ºC). Per això sempre els obser-vem en estat sòlid.

Elements a l’escorça terrestre. Elements a la matèria viva.

2.6. Dibuixa i completa una taula periòdica i situa-hinomés els elements que hi ha al quadre de la pàginaanterior.

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 ca-ràcter no metàl·lic (de més a menys caràcter): clor, fluor,seleni, fòsfor i sofre.

2.9. Enumera les propietats dels següents elements: or,mercuri, ferro, fluor i nitrogen.

2.10. Per què creus que l’oxigen i el silici són els ele-ments més abundants a l’escorça de la Terra? Posa exem-ples de substàncies que continguin aquests elements.

2.11. Fixa’t que molts dels materials que utilitzem estanformats per elements poc abundants. Quines conse-qüències pot tenir aquesta pràctica i quina seria una pos-sible solució?

A C T I V I T A T S

AluminiFerro

Potassi

CalciSodi

MagnesiHidrogenTitaniAltres

Silici

Oxigen

Alumini

Ferro

Potassi

Calci

Sodi

Magnesi

Hidrogen

Titani

Altres

Silici

Oxigen

Hidrogen

Nitrogen

Fòsfor

Carboni

Oxigen

Calci

Altres elements

Hidrogen

Nitrogen

Fòsfor

Carboni

Oxigen

Calci

Altres elements

49,2 %

25,7 %

7,5 %4,7 %

3,4 %2,6 %

2,4 %1,9 %0,9 %0,6 %1,1 %

62 %20 %

10 %

3 %2 %

1 %

2 %

4.1. El descobriment de la radioactivitat

El fenomen de la radioactivitat va ser descobert l’any 1896 pel cientí-fic francès Henri Becquerel, en observar que unes plaques fotogràfi-ques guardades en un calaix juntament amb sals d’urani, s’havien ve-lat, aparentment per les radiacions emeses per aquestes sals.

L’any 1898 el matrimoni format per Pierre i Marie Curie va apro-fundir en les investigacions del fenomen descobert per Becquerel: vanveure que el tori emetia radiacions mol semblants a les de l’urani i vantrobar nous elements radioactius, als que van anomenar poloni i radi.Aquests fets van provocar una convulsió mundial en el camp de la físi-ca i de la química per tal de poder explicar aquest nou fenomen.

4.2. La radioactivitat natural: elements radioactius

La Terra és un planeta radioactiu. La radioactivitat natural prové de latransformació dels materials radioactius que componen l’escorça ter-restre i de les radiacions procedents de l’espai exterior, que constituei-xen la radiació còsmica. Això vol dir que existeix un fons de radio-activitat natural des de la creació del nostre planeta. Fins i tot el nostrecos conté certs compostos radioactius com el potassi-40 ( K) i el car-boni-14 ( C).

Afortunadament per nosaltres i per a la resta d’éssers vius, la quan-titat d’aquestes radiacions naturals és prou petita com per no causardanys greus en el nostre organisme.

PER SABER-NE MÉS

Maria Sklodowska va néixer a Varsòvial’any 1867. Es va traslladar a París el1891, on es va llicenciar en Física iMatemàtiques. L’any 1895 es va casaramb Pierre Curie, amb qui va investigaren condicions molt precàries les pro-pietats de les radiacions descobertesper Becquerel. Aquests estudis els vansuposar la concessió del Premi Nobelde Física l’any 1904. Madame Curie vaser la primera dona en ocupar una cà-tedra a la Universitat de París. L’any1911 va tornar a rebre el Premi Nobel,en aquesta ocasió de Química. Va morirde leucèmia als 67 anys, a causa delsefectes de les radiacions.

Madame Curie treballant en el seu la-boratori.

45

4. La radioactivitat

La radioactivitat sovint es relaciona amb accidents com el deTxernòbil (Ucraïna), on hi va haver una fuga de radiació, o de CostaRica, on una desena de persones van patir una sobredosi l’any 1996.També tenim presents, per descomptat, les bombes atòmiques i les se-ves fatídiques conseqüències. En canvi, es coneixen molt poc els efec-tes beneficiosos de la radioactivitat.

La radioactivitat es troba a tot arreu: a les plantes, en l’aire que res-pirem, 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 percebrepels sentits, però en els últims anys hem après a detectar-la, mesurar-lai controlar-la.

La radiació no només la genera la indústria nuclear o les armes nu-clears. De fet, el 87% de la radiació que rebem prové de fonts naturals–com els raigs còsmics, alguns materials de l’escorça terrestre, etc.– iel 13% prové de les activitats humanes. Entre les activitats humanes,la major part de la radiació prové de les aplicacions mèdiques, i nomésun 0,1% de la radiació que rebem és deguda a la indústria nuclear.

Per entendre l’origen físic de la radioactivitat, cal saber que elsàtoms que constitueixen la matèria són estables, però hi ha alguns delsseus isòtops que es transformen espontàniament, emetent radiacions ialliberant energia: es tracta de la radioactivitat natural. 44

Unitat 2Unitat 2

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

radioactivitat

PARAULES CLAU

4019

146

4.3. La llei de desintegració radioactiva

Els àtoms d’elements radioactius no es desintegren tots alhora, sinóque ho fan gradualment. Els elements radioactius estan caracteritzatspel temps de semidesintegració: és el temps necessari per tal que unadeterminada quantitat de l’element radioactiu es redueixi a la meitat,a causa de la desintegració de l’altra meitat. Aquest temps pot anar desde fraccions de segon fins a milions d’anys.

Observem que el temps de semidesintegració de l’urani U és de2,35·105 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 queen 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 bai-xa, mitja o alta activitat.

4.4. La radioactivitat artificial

La situació canvia amb la radioactivi-tat artificial, com per exemple amb lesradiacions que es produeixen a l’inte-rior d’una central nuclear. La radioac-tivitat artificial és un fenomen d’igualscaracterístiques que la natural, amb l’-única diferència que els nuclis radioac-tius són produïts artificialment en unlaboratori.

Els nuclis radioactius es produeixenper determinades aplicacions, peròtambé poden ser un subproducte de lesreaccions que tenen lloc en els reactorsnuclears, com els de les centrals elèctri-ques nuclears.

47

En el fenomen de la radioactivitat, els àtoms d’un element es trans-formen en àtoms d’un altre element. En aquesta transformació, el nu-cli de l’àtom emet partícules a gran velocitat: les més habituals són elsnuclis d’heli (formats per 2 protons i 2 neutrons), anomenades radia-ció α (alfa); els electrons, anomenades radiació β (beta); i la radia-ció γ (gamma) composta per fotons, com els de la llum visible, peròamb més energia.

L’emissió de partícules i radiacions per part de nuclis naturals ines-tables amb la finalitat d’aconseguir arribar a una situació d’estabilitat,constitueix la radioactivitat natural. Els àtoms dels elements que expe-rimenten 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 es-tructura.

Des de l’origen de l’Univers, la radioactivitat natural existeix tant enels objectes inanimats com en els éssers vius.

Els isòtops radioactius es desintegren, emetent radiacions i trans-formant-se en altres àtoms. Al final d’aquesta cadena de desintegra-cions s’arriba a un element estable, o sigui no radioactiu. Aquest pro-cés pot durar des de pocs segons, per a alguns elements, a milers i mi-lers d’anys, per a d’altres.

46

Unitat 2Unitat 2

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

PER SABER-NE MÉS

Rebem una enorme quantitat de ra-diació natural. Per exemple, cadahora rebem 100.000 raigs còsmicsde neutrons, respirem 30.000 àtomsradioactius que es desintegren alsnostres pulmons i que provenen delselements radioactius presents a l’es-corça terrestre, i ens travessen 200milions de raigs gamma.

Nom

Composició

Alfa

Nucli d’heli

Beta

Electrons ràpids

Partícules emeses pels elements radioactius

Càrrega Positiva Negativa

EnergiaAugment d’energia

PenetracióAugment de la capacitat de penetració

Protecció full de paper full d’alumini

Gamma

Feix de fotons

Sense càrrega

bloc de plom

Poloni Po 1,5·10-4 segons

Protoactini Pa 1,4 minuts

Carboni C 5730 anys

Radi Ra 1,62·103 anys

Urani U 2,35·105 anys

Temps de semidesintegració d’alguns elements radioactius

21484

23491

22688

23492

146

23492

Central nuclear d’Ascó (Tarragona).

• Els mètodes de datació es fonamenten en el període de semide-sintegració dels isòtops radioactius. Si es coneix la quantitat d’isòtopradioactiu que hi ha en un determinat material en un moment donatdel passat i es coneix el seu període de desintegració, podem saber l’e-dat d’un objecte amb molta aproximació, mesurant la quantitat d’a-quest isòtop que encara no s’ha desintegrat.

El carboni-14 s’utilitza especialment per determinar l’edat dels ob-jectes de menys de 50.000 anys. En un organisme viu, el carboni-14 esrenova durant tota la seva vida, mantenint-se una proporció estable.En morir aquest organisme, la majoria del seu carboni-12 es manté es-table, però el carboni-14 no és capaç de renovar-se, i es va desintegrant.Com menys carboni-14 té, més antiga és la mostra.

2,3

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

49

L’any 1934, Irène Curie (filla de Pierre i de Marie Curie) i el seu ma-rit, Frédéric Joliot, van descobrir la radioactivitat artificial. En bom-bardejar una làmina d’alumini-27 amb partícules alfa van observar queapareixia un nou isòtop radioactiu, el fòsfor-30. Per aquest descobri-ment varen obtenir el Premi Nobel de Química de l’any 1935.

Aquesta experiència demostra que, bombardejant nuclis estables, espoden fabricar radioisòtops que no existeixen en la naturalesa.Actualment es produeixen artificialment centenars de radioisòtops peraplicacions molt diverses.

4.5. Aplicacions de la radioactivitat

A diferència del que moltes persones pensen, els éssers humans hemutilitzat la radioactivitat pel nostre propi benefici. Moltes de les apli-cacions de la radioactivitat, per exemple, es donen en camp de la me-dicina. Una altra de les aplicacions que es va donar a la radioactivitat,però, va ser en la indústria d’armament. Durant la Segona GuerraMundial, les ciutats de Hiroshima i Nagasaki van ser testimonis del po-der destructiu de les bombes atòmiques.

El fenomen de la radioactivitat ha tingut aplicacions en àmbits comla medicina, l’agricultura, la biologia, la indústria o l’obtenció d’ener-gia, entre d’altres. En el sector de la indústria alimentària, per exemple,una gran varietat d’aliments són irradiats per desinfectar-los i esterilit-zar-los, amb l’objectiu de prolongar la seva conservació. Molts anysd’investigacions han demostrat que aquests tipus de radiacions no te-nen efectes negatius en els aliments i, com a conseqüència, són benefi-ciosos.

Entre d’altres aplicacions de la radioactivitat podem destacar elsmètodes de datació i la radioteràpia.

48

Unitat 2Unitat 2

La ciutat d’Hiroshima va quedar des-truïda per una bomba atòmica el 6 d’a-gost de 1945.

Activitat resolta

Hem obert una tomba a Egipte i hi trobem blat. Sabem que hi ha2,3·10-3 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’hareduït a la meitat: 1,15·10-3 mg. Com que el temps de desintegració delcarboni-14 és de 5730 anys, deduïm que han passat 5730 anys des queaquest 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.

Accelerador lineal per a radioteràpia. Laradioactivitat és molt útil per a la detec-ció i per al tractament de tumors.

5. L’energia nuclear

En trencar les unions entre els àtoms d’una molècula es desprèn unacerta quantitat d’energia. El mateix passa al trencar les unions entre elsprotons 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 aplica-cions bèl·liques –per generar destrucció mitjançant les bombes atòmi-ques.

L’energia nuclear es pot alliberar mitjançant dos processos: la fissióo la fusió.

• En la fissió nuclear un nucli d’urani-235 absorbeix neutrons, elque provoca que es trenqui en dos nuclis més petits, generant nous ele-ments, i allibera tres neutrons més que poden impactar en nous nuclisd’urani. Aquest fenomen dóna lloc a una reacció en cadena, molt rà-pida, que genera una gran quantitat d’energia.

• En la fusió, en canvi, dos nuclis lleugers (per exemple isòtops del’hidrogen, el deuteri i el triti) poden fusionar-se generant un nucli méspesant, com l’heli, i alliberant gran quantitat d’energia. La reacció defusió 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’e-nergia important, donat que allibera més energia que la fissió, no ge-nera residus perillosos i el combustible que necessita, l’hidrogen, estroba en gran abundància a la natura, a diferència dels materials ra-diactius que es necessiten en el procés de fissió, que són escassos.

El projecte ITER (International Thermonuclear Energy Reactor) in-vestiga les tècniques necessàries per produir energia a partir de proces-sos de fusió nuclear controlada.

50 51

Unitat 2Unitat 2

fissiófusió

PARAULES CLAU

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

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

4.6. Efectes de les radiacions

Estem exposats a diversos tipus de radiacions ionitzants, ja sigui vo-luntàriament, com quan prenem el Sol o ens fem una radiografia, o béinvoluntàriament. Els efectes de tots els tipus de radiacions són equi-valents, sigui quina sigui la font. Les radiacions a què estem sotmesospoden ser d’origen natural o artificial:

• Les radiacions d’origen natural provenen dels rajos ultraviolatsdel Sol, de l’espai, de l’atmosfera i de la mateixa Terra.

• Les radiacions d’origen artificial provenen de l’activitat indus-trial o de l’ús mèdic (els raigs X utilitzats per fer radiografies i els feixosde partícules per a la radioteràpia).

La major part de la radiació que rep una persona correspon a ra-dioactivitat natural i prop d’una quarta part a la pràctica mèdica.

Els efectes de la radiació ionitzant que es rep depenen del tipus deradiació, de la intensitat i de la sensibilitat dels teixits que la reben. Esconsideren les dosis rebudes per la irradiació del cos sencer homogè-niament, i s’exclouen les radiacions mèdiques, ja que en sessions de ra-dioteràpia s’utilitzen radiacions molt localitzades i controlades.

En casos de dosis considerables de radiació s’han observat efectesbiològics a llarg termini, com l’augment del risc de càncer. Altres efec-tes, segons la quantitat de radiació rebuda, van des de nàusees i un des-cens del nombre de globus blancs fins a greus problemes de salut querequereixen hospitalització.

Aplicació dels raigs X en la medicina: laradiografia.

A C T I V I T A T S

2.12. Tenim un quilogram deRa. Calcula quant de temps es

necessita per tal que aquest quilo-gram es redueixi a 250 g a causade la desintegració. I perquè es re-dueixi a 125 g?

2.13. En una excavació arqueo-lògica es troba una destral de fus-ta. Es mesura la quantitat de car-boni-14 que té i troben que és unaquarta part de la quantitat que estroba en els arbres vius. Dedueixquina és l’edat d’aquesta destral,si el temps de semidesintegraciódel C-14 és de 5730 anys.

226

88

Reactor de fusió nuclear experimental del projecte ITER .

Àtom d’urani-235

DeuteriTriti

NeutróHeli

5.2. Els residus nuclears

El combustible consumit que encara té una elevada activitat radioac-tiva es considera un residu d’alta activitat i es tracta com a tal. El pri-mer pas és emmagatzemar-lo en la pròpia central en condicions segu-res. Posteriorment s’envia a una central de reciclatge per processar-lo irecuperar la màxima quantitat de material radioactiu. Un cop proces-sats, el residus d’alta activitat radioactiva tornen a la central nucleard’origen. El transport dels residus des de la central elèctrica a la plantade reciclatge i viceversa comporta riscos i s’ha de fer sota grans mesu-res de seguretat.

Finalment, els residus radioactius no admeten més processos de re-ciclatge. Aleshores existeixen dues propostes:

a) L’anomenada proposta tècnica consisteix a emmagatzemaraquests residus, actius durant milers d’anys, de la forma més segurapossible.

b) La proposta química consisteix a investigar la forma de continuarla descomposició radioactiva fins acabar obtenint productes no ra-dioactius.

Els perill dels residus radioactius i el fet que algun dels productes ge-nerats en les centrals es pugui utilitzar en la producció d’armes atòmi-ques, fa que l’energia d’origen nuclear sigui àmpliament rebutjada. Perla seva banda, la indústria elèctrica defensa l’energia nuclear a causa dela seva nul·la contribució al canvi climàtic, ja que no genera diòxid decarboni.

Tots nosaltres hauríem de ser conscients del que significa actual-ment la producció d’energia elèctrica i actuar en conseqüència, evi-tant-ne al màxim l’ús excessiu o el malbaratament.

52 53

Unitat 2Unitat 2

Residus nuclears submergits en un tancespecial d’emmagatzematge. Els residusradioactius emmagatzemats es mantenenactius durant milers d’anys.

5.1. La producció d’electricitat

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

En el reactor, la fissió de l’urani-235 dóna lloc a nous nuclis ra-dioactius, tres neutrons i gran quantitat d’energia. Alguns del nuclis ra-dioactius generats poden reaccionar en el reactor nuclear proporcio-nant energia. Aquesta energia serveix per escalfar aigua en un circuit.Tant el reactor com aquest primer circuit d’aigua estan tancats en unacambra 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 pressiópot sortir de la zona aïllada, va a parar a la turbina i la fa girar. La tur-bina fa girar l’alternador, que és el que produeix l’electricitat.

En una central elèctrica, només una petita proporció del combus-tible nuclear reacciona. Quan el combustible ja no és útil per a la ge-neració d’energia, encara queda molt combustible radioactiu i nouselements que s’han generat, com el plutoni, que també són radioactius.

Esquema del funcionament d’un reactorde fissió nuclear.

Cor de reactor Turbina Alternador

Bomba

A C T I V I T A T S

2.14. Repartiu-vos en grups pe-tits i busqueu informació sobrel’energia nuclear. Cada grup re-dactarà un breu informe a favor oen contra. Després, un portaveude cada grup exposarà les sevesconclusions a la resta de la classe.

55

Esquema de la unitat

54

Arxiu Edició Visualització Preferits Eines Ajuda

Endarrere Cerca

El racó d’Internet

Preferits

Vincles

Internet

Adreça http://www.espaibarcanova.cat

INTRODUCCIÓ

En aquesta unitat hem vist com el àtoms, que durant moltde temps es van creure que eren els components més pe-tits de la matèria, estan en realitat compostos per altrespartícules encara més petites: els protons, els neutrons iels electrons. De fet, des de fa uns 30 anys sabem que, alseu torn, els protons i els neutrons també estan formatsper partícules encara més petites: els anomenats quarksi els gluons (el nom de gluons prové de l’anglès glue, és adir, pega).

Com hem estudiat, el fenomen de la radioactivitat esdeu a les emissions dels nuclis atòmics quan canviend’estat per passar a una situació més estable. Com mésnuclis tinguem, més radiació experimentarem. El ritme dela desintegració dels nuclis ve determinat per una cons-tant, τ (tau), la constant de desintegració, que és diferenten cada cas.

TASCA

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

PROCÉS

é1

RECURSOS

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

constitueixen neutrons

protons

electrons

radiació (α, β i γ)

els elements

metalls i no metalls

2. A l’enllaç 4 trobaràs una versió interactiva de lataula periòdica. Si prems sobre cada element obser-varàs les seves característiques i propietats. Escullcinc elements de la taula periòdica, anota les sevespropietats i compara-les amb el que has après enaquesta unitat.

3. A l’enllaç 5 pots veure, a través d’un experimentvirtual, com varia un procés radioactiu canviant laconstant de desintegració. A l’enllaç 6 pots seguirla cadena de desintegracions radioactives de qual-sevol nucli, com per exemple el famós urani, que ésel combustible habitual en les centrals nuclears.

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

estables

està formada per

àtoms

LA MATÈRIA

radioactius

emeten

que s’ordenen

que consta de

i conté

en el sistemaperiòdic

divuit grups set períodes

es poden trobar

estan constituïtsper

protó

neutró quarks

A les profunditats de la matèria

A les profunditats de la matèria

56 5756 57

Resum gràfic

Partícula que forma la matèria.

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

Àtom que té el mateix nombre de protons que un altre, però diferent nombre de neu-trons.

Partícula que es troba en el nucli dels àtoms i que técàrrega elèctrica positiva.

Partícula que es troba a l’escorça de l’àtom i que té càr-rega elèctrica negativa.

Unitat 2Unitat 2

àtom 1.

protó 1.

neutró 1.

electró 1.

isòtop 2.

Àtom que ha perdut o guanyat electrons.

ió 2.

nombre atòmic 2.1.

Nombre de protons que hi ha en el nucli d’un àtom.

nombre atômic (Z)

Símbol

11Na

nombre màssic 2.1.

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

nombre màssic (A)

Símbol23

Na

Emissió de radiacionsi alliberament d’e-nergia a causa de latransformació d’unisòtop.

Reacció que allibera una gran quantitat d’energia, acausa de la fusió de dos nuclis lleugers (per exempleisòtops de l’hidrogen, el deuteri i el triti) que generenun nucli més pesant (per exemple, d’heli).

Reacció en cadena , molt ràpida i que ge-nera una gran quantitat d’energia, acausa de l’absorció de neutrons d’un nu-cli d’urani-235, que provoca el seu tren-cament en dos nuclis més petits i alliberatres neutrons més, que poden impactar ennous nuclis d’urani.

radioactivitat 4.

fissió 5.

fusió 5.

Protons

Neutrons

Electró

AC

TI

VI

TA

TS

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

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

La radioactivitat

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

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

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

L’àtom i els seus components

2.15. Quants protons i quants neutrons té l’àtom He ?

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

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

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 periòdi-ca, digues de quin àtom es tracta. Representa aquest element fent servir la notacióatòmica.

Isòtops i ions

2.19. Dibuixa un ió negatiu.

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

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

2.22. 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.

La taula periòdica dels elements

2.23. Escriu el nom de dos metalls i de dos no metalls que coneguis, indicant-ne alguna propietat característica.

2.24. De cada parell d’elements, indica quin presenta més caràcter metàl·lic iper què: a) sodi i cesi. b) silici i estany.

2.25. Dins del grup del no metalls sorprèn trobar una de les substàncies mésdures que existeixen a la natura. Busca informació i digues quina pot ser aquestasubstància.

58 59

AC

TI

VI

TA

TS

Unitat 2Unitat 2

4

2

Nom de l’element Símbol Nombre atòmic (Z)

Disciplina Fenomen tecnològic

Medicina

Alimentació

Arqueologia

Indústria

els acceleradors

L’estudi experimental del

cor de la matèria:

Unitat 2D o s s i e r

L’estudi de l’estructura de la matèria en l’àmbit microscòpic depèn de les ener-gies de què disposem. Per fer un dels primers estudis de l’àtom i per desco-

brir l’electró es van invertir pocs electrovolts (eV), és a dir, poca energia. Per aldescobriment del nucli i els seus components (protons i neutrons) es van reque-rir quantitats d’energia milions de vegades superiors. Per dur a terme l’explora-ció de l’estructura dels protons i dels neutrons van ser necessàries quantitats d’e-nergia molt més grans.

En general, aquestes energies les podem trobar a la natura, entre els raigs còs-mics que no sabem ben bé d’on provenen i ens bombardegen contínuament. Moltsdels primers descobriments de la física de partícules van ser possibles gràcies al’estudi dels raigs còsmics.

Avui dia, per a l’exploració experimental de la matèria, s’han construït acce-leradors de partícules cada vegada més potents. En aquests acceleradors es fa se-guir a les partícules una trajectòria circular; d’aquí ve el nom de ciclotró. A aques-tes partícules se’ls comunica cada cert temps una energia suficient perquè doninvoltes i més voltes.

AC

TI

VI

TA

TS

d

’av

alu

ac

ió

6060

Unitat 2Unitat 2

1. Quants protons i quants neutrons té l’àtom Pa ?

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

3. Dibuixa un ió positiu.

4. Busca informació sobre els isòtops de l’hidrogen i les seves aplicacions tecnològiques. Aquests isòtopssón 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:

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, elpoloni-214.

8. Hem vist que la reacció de fusió termonuclear requereix temperatures molt elevades. Les bombesd’hidrogen són bombes que obtenen l’energia a partir de reaccions termonuclears. Esbrina els me-canismes que utilitzen aquestes bombes per obtenir les temperatures necessàries i produir la fusiónuclear.

1,6·10-19 J = 1eV1 eV és l’energia queguanya un electró quanés accelerat per un po-tencial d’1 volt.

Interior del túnel de l’accelerador. Els feixos de partícules es

mouen en el seu interior.

Dimensions de l’acce-lerador de partícules,comparades amb les dela ciutat de Ginebra(Suïssa).

234

91

Substància Densitat (g/cm3) Punt de fusió (ºC) Punt ebullició (ºC) Conductivitat elèctrica

1 5,91 30 2.070 Bona

2 3,12 -7 59 Dolenta

3 11,3 328 1.760 Bona

4 0,0014 -249 -246 Molt dolenta