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Física nuclear

Esta parte de la Física estudia el comportamiento de los núcleos atómicos


Física nuclear

CORTEZA Electrones NÚCLEO Protones Neutrones PARTÍCULA

MATERIA ~ 10-9 m

Átomo

ÁTOMO ~ 10-10 m

Electrón

CARGA

MASA

Electrón (e-)

-1,6.10-19 C

9,1.10-31 kg

Protón (p+)

+1,6.10-19 C

1,67.10-27 kg

Neutrón (n)

0

1,67.10-27 kg

NÚCLEO ~ 10-14 m

NUCLEÓN ~ 10-15 m

Protón

Neutrón

Quarks


Física nuclear

El núcleo está compuesto por protones y neutrones y representa la carga positiva del átomo y el 99% de su masa.

Las partículas constituyentes del núcleo se llaman núclidos o nucleones.

Número Másico A=N+Z Número Atómico Z

Número de Neutrones N

Los átomos y sus núcleos se caracterizan por el número atómico Z (número de protones) y el número másico A (número de nucleones)


Física nuclear

Todos los átomos de un determinado elemento químico tienen el mismo número de protones (Z), pero pueden diferir en el número de neutrones.

Los átomos de un mismo elemento químico (igual Z) que tienen distinto número de neutrones (distinto A), se denominan isótopos.

Isótopos del Hidrógeno:

Isótopos del Carbono:

12 6

1 1

H(protio)

2 1

H (deuterio)

3 1

H(tritio)

C(Carbono-12) 136C (Carbono-13) 146C (Carbono-14)


Física nuclear

A pesar de la repulsión electrostática entre los protones, los nucleones se mantienen unidos debido a una fuerza muy intensa, de corto alcance y atractiva que se denomina interacción nuclear fuerte.

FUERZAS FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA Interacción

Intensidad Relativa

Alcance

Partícula Mediadora

Fuerte

1

Corto

Gluón

Electromagnética

0.0073

Largo

Fotón

Débil

10-9

Muy Corto

Bosones W , Z

Gravitacional

10-38

Largo

Gravitón


Física nuclear

El valor de la masa del núcleo de un átomo es siempre menor que la suma de las masas de los nucleones que lo componen. Esta diferencia en la masa se denomina defecto de masa (Dm).

Nucleones aislados

Núcleo

+

+ + Z protones N neutrones aislados

+

M nucleones  Z .m p  N .mn Defecto de masa:

Núcleo con Z protones N neutrones

Dm  M nucleones  M nucleo

M nucleo


Física nuclear

De acuerdo con la ecuación de Einstein, el defecto de masa es equivalente a una energía dada por:

E  Dm.c

2

Esta energía se denomina energía de enlace del núcleo y es la energía que se libera al formarse el núcleo a partir de sus nucleones constituyentes. Coincide con la energía que hay que suministrar al núcleo para separar los nucleones que lo forman.

Dividiendo la energía de enlace del núcleo entre el número de nucleones que contiene, se obtiene la energía de enlace por nucleón. Cuanto mayor es la energía de enlace por nucleón, más estable es el núcleo.

Unidad de masa atómica = 1 u =1,661.10-27 kg


Física nuclear

ΔE A (MeV)

Energía de enlace por nucleón en función del número másico

A

El núcleo más estable es el hierro-56, al que corresponde una energía de enlace por nucleón de 8,8 MeV/nucleón.


Física nuclear

Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen directamente los núcleos de los átomos, transformándose en otros distintos.

La primera reacción nuclear de la historia la produjo E. Rutherford en 1919 bombardeando núcleos de átomos de nitrógeno con partículas alfa. Las partículas alfa eran absorbidas por el núcleo, que se transformaba en otro distinto emitiendo un protón. 14 7

N 

4 2

He 

17 8

O  11 H


Física nuclear

En toda reacción nuclear se cumple siempre que la suma de los números atómicos y la suma de los números másicos a ambos lados de la reacción tienen que ser iguales.

238 92

U  01 n 

239 92

U  239 93 Np 

27 13

Al  42 He 

14 7

N  11 H  42 He 

30 15

P 

1 0

n

11 6

C

0 1

e


Física nuclear

En la naturaleza existen elementos cuyos núcleos son inestables (sustancias radiactivas), y tratan de transformarse en otros elementos estables emitiendo radiaciones capaces de penetrar cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar las placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias. Este fenómeno se conoce con el nombre de radiactividad.

Existen tres tipos de emisiones radiactivas: Radiación

a

Radiación

b

Radiación

g


Física nuclear

Naturaleza

α

Núcleos de átomos de helio

β

Electrones rápidos procedentes de neutrones que se desintegran en el núcleo 1 0

γ

n  11 p 

0 1

Carga (e)

+2

-1

Masa (u)

Energía cinética

Símbolos

He α

MeV

4 2

0

MeV

0 1

0

keVMeV

4

4 2

e

0 1

e  νe

Radiaciones electromagnéticas

0

0 0

γ

β


FĂ­sica nuclear

Carga elĂŠctrica de las emisiones radiactivas


Física nuclear

Carga eléctrica de las emisiones radiactivas

Bloque de plomo

No existe campo eléctrico: no hay desviación de las trayectorias rectilíneas de las partículas

+

sustancia radiactiva

Bloque de plomo

+

+

+

+

-

-

-

-

-

Partículas β: carga negativa Rayos γ: sin carga

Campo eléctrico

+

sustancia radiactiva

+

-

Partículas α: carga positiva


Física nuclear

Poder de penetración de las emisiones radiactivas

ALFA α BETA β GAMMA γ

NEUTRÓN Papel

Cobre Plomo Hormigón


Física nuclear

Leyes de los desplazamientos radiactivos de Soddy y Fajans Emisión de partículas α (Ley de Soddy)

A Z

X 

A 4 Z2

Y 

4 2

Partícula Alfa

A, Z

A-4, Z-2

He

Antineutrino Partícula Beta menos (electrón)

Emisión de partículas β- (Ley de Fajans)

A Z

X 

A Z1

Y 

0 1

A, Z

A, Z+1

e

Neutrino Partícula Beta más (positrón)

Emisión de partículas β+

A Z

A, Z

A, Z-1

X Z A1Y  10e

Rayo Gamma (Fotón)

A, Z

A, Z


Física nuclear


Física nuclear

TORIO-232

1.41 BILL. DE AÑOS

Cuando un núcleo radiactivo se transforma en otro por emisión a o b, el nuevo núcleo también puede ser radiactivo y originará otro núcleo distinto emitiendo nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que aparezca un núcleo estable. Todos los núcleos que proceden del inicial forman una serie o familia radiactiva.

RADIO-228

5.75 AÑOS

ACTINIO-228

6.15 HORAS

FRANCIO-224

3.3 MINUTOS

RADIO-224

3.66 DÍAS

RADÓN-220

55.6 SEGUNDOS

POLONIO-216

0.145 SEGUNDOS

Se conocen 4 series radiactivas, tres existen en la naturaleza (torio-232, uranio-238, actinio-227) y otra no (neptunio-237).

PLOMO-212

10.64 MINUTOS

BISMUTO-212

1.01 HORAS

TALIO-208

3.05 MINUTOS

PLOMO-208

ESTABLE


Física nuclear

El proceso por el cual un núcleo se transforma en otro por emisión radiactiva se denomina desintegración radiactiva. La desintegración es un proceso aleatorio que ha de estudiarse estadísticamente Muestra radiactiva

Inicial

Núcleos presentes:

No Ley de emisión radiactiva:

Final, después de un tiempo t

N

N  No  e

 λ t

l se denomina constante de desintegración y representa la probabilidad de que un determinado núcleo se desintegre en un segundo. Se mide en el S.I. en s-1


Física nuclear

Actividad radiactiva o velocidad de desintegración A es el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una muestra radiactiva.

La actividad de una muestra en el instante que contiene N núcleos radiactivos es:

A  λN La actividad radiactiva se mide en el S.I. en Becquerel (Bq):

desintegración 1 Bq  1 s Otras unidades: el curio (Ci) y el Rutherford (Rf)

1 Ci  3, 7 1010 Bq

1 Rf  106 Bq


Física nuclear

Período de semidesintegración o de semivida T es el tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos presentes en una determinada muestra se reduzca a la mitad

N0

ln 2 T λ

Núcleos presentes

0,693 T λ

Su unidad en el S.I. es el segundo (s) N0 2 N0 4

N0 16

N0 8

T

2T

3T

4T

t


Física nuclear

Vida media t representa el tiempo que por término medio tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva.

τ

1 λ

τ

T ln 2

Su unidad en el S.I. es el segundo (s)


Física nuclear

Magnitud Constante radiactiva o de

Simbolo

l

Significado Representa la probabilidad que tiene un núcleo radiactivo de desintegrarse en la unidad de tiempo.

desintegración Actividad radiactiva o velocidad de desintegración Período de semidesintegración

Vida media

Unidad SI

Otras unidades

1  s 1 s

h1 ; día1 ; año1

Es el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una muestra radiactiva.

A

A  lN

Curio (Ci) Rutherford (Rf) Becquerel (Bq) 1 Ci=3,7·1010 Bq 1 Rf= 106 Bq

N = número de núcleos presentes

T

t

Tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos presentes en una determinada muestra se reduzca a la mitad.

0,693 T l

s

h , día , año

s

h , día , año

Tiempo que por término medio tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva.

1 t l

T t 0,693


Física nuclear

Muestra radiactiva Inicial

Núcleos presentes: Actividad: Masa :

No Ao mo

N  N o  e  λ t A  A o  e  λ t m  m 0  e  λ t

Final, después de un tiempo t

N A m


Física nuclear

La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado se divide en otros dos más ligeros. En el proceso se libera una gran cantidad de energía.

235 92

U 

1 0

n 

141 56

Ba 

92 36

Kr  3 01 n

Los productos de esta reacción presentan un defecto de masa de 0,2154 u, que corresponde a una energía liberada de 200 MeV por cada núcleo de uranio-235. Los isótopos más utilizados en la fisión nuclear son el U-235 y el Pu-239Los neutrones liberados por la fisión pueden fisionar otros núcleos dando lugar a una reacción en cadena.


Física nuclear

235 92

U 

1 0

n 

141 56

Ba 

92 36

Kr  3 n 1 0


Física nuclear

REACCIÓN EN CADENA


Física nuclear

Fisión nuclear en cadena

Controlada Si el número de neutrones liberados es muy alto, se introduce un material que absorbe el exceso de neutrones y se evita que la reacción prosiga de forma incontrolada (explosiva) Se produce en las centrales nucleares y en los generadores auxiliares de submarinos

No controlada En este caso no existe ningún elemento controlador que absorba los neutrones en exceso y la reacción tiene lugar de forma explosiva pues se libera toda la energía en muy poco tiempo. Se produce en las bombas nucleares


Física nuclear

La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos ligeros se unen para formar otro más pesado. En el proceso se libera gran cantidad de energía.

Núcleo de 2 H (deuterio)

Núcleo de

1

4 2

He (helio)

+

++ + +

+

Núcleo de

3 1

H(tritio)

Fusión de los núcleos 2 1

H 

3 1

H

4 2

He 

1 0

1 0

n (neutrón)

n  Energía

Los productos de esta reacción presentan un defecto de masa de 0,0189 u, que corresponde a una energía liberada de 17,6 MeV por átomo de helio-4 formado. Para conseguir la fusión de los núcleos es necesario vencer la repulsión electrostática entre ellos, para lo que se les suministra una energía térmica muy elevada ( correspondiente a temperaturas superiores a 106 K ).


Física nuclear

Fusión nuclear en cadena

Controlada Aún no se ha conseguido de forma rentable, debido a la dificultad técnica que supone confinar los reactivos, que, a temperaturas tan elevadas, están en estado de plasma

No controlada Se produce en la bomba atómica de hidrógeno (termonuclear). Para conseguir la alta temperatura necesaria para la fusión se utiliza una bomba atómica de fisión


t2 (1)