1 Física Nuclear Página del ProyectoNewton
2 Radiactividad Fue descubierta en 1896 por el físico
francés Henri Becquerel casualmente mientras estudiaba la
fluorescencia de sales de uranio. Es una propiedad que afecta al
núcleo de los átomos de ciertas sustancias,
llamadas sustancias radiactivas, consistente en emitir
radiaciones capaces de penetrar cuerpos opacos, ionizar el aire,
impresionar las placas fotográficas y excitar la
fluorescencia de ciertas sustancias. Al poco tiempo de
descubrirse la radiactividad del uranio, se descubrieron nuevos
elementos radiactivos: torio, polonio, radio y actinio. Las
distintas radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas se
clasificaron inicialmente , según su poder de
penetración, en radiación alfa (a),
radiación beta (ß) y radiación gamma
(?)
3 Radiactividad (Cont.) Sometiendo las radiaciones emitidas por
las sustancias radiactivas a la acción de un campo
eléctrico, se comprobó que las partículas
alfa y beta tenían carga eléctrica mientras que las
radiaciones gamma no se veían afectadas por el campo. + +
+ + + – – – – – – (Gp:) + (Gp:) – Partículas a: carga
positiva Partículas ß: carga negativa Rayos ?: sin
carga (Gp:) Campo eléctrico sustancia radiactiva Bloque de
plomo (Gp:) + (Gp:) – sustancia radiactiva Bloque de plomo
Evidentemente, estas partículas y radiaciones proceden de
los átomos que forman la sustancia radiactiva, pero
¿de qué parte del átomo? ¿cuál
es su naturaleza? No existe campo eléctrico: no hay
desviación de las trayectorias rectilíneas de las
partículas
4 Hoy en día conocemos las características de las
distintas radiaciones y sabemos que se originan en el
núcleo de los átomos. neutrón protón
electrón antineutrino
5 Desintegración radiactiva Cuando un núcleo de un
átomo radiactivo emite radiación a, ß o ? el
núcleo cambia su estado energético (?) o se
transforma en otro distinto (a, ß). En este último
caso se dice que ha tenido lugar una desintegración La
desintegración radiactiva es un proceso aleatorio
gobernado por leyes estadísticas Muestra radiactiva
Inicial Final, después de un tiempo t Núcleos
presentes: Ley de emisión radiactiva: Constante radiactiva
o de desintegración representa la probabilidad que tiene
un núcleo radiactivo de desintegrarse en la unidad de
tiempo. Su unidad en el S.I. es el s –1. Así si ?
del Ra es 0,000428 años -1 = 1 / 2236 por año,
indica que la probabilidad de desintegración radiactiva es
de 1 átomo por cada 2336 átomos de radio en un
año . Esto puede parecer poco, pero recuerda que 1 mol de
radio (226 g) contienen 6,02·1023 átomos
6 Actividad radiactiva o velocidad de desintegración A es
el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una
muestra radiactiva. Otras magnitudes características de la
desintegración radiactiva La actividad de una muestra en
el instante que contiene N núcleos radiactivos es: La
actividad radiactiva se mide en el S.I. en Becquerel (Bq): Otras
unidades: el curio (Ci) y el Rutherford (Rf) En el instante
inicial la actividad es: (Es la actividad que corresponde a 1 g
de radio)
7 Otras magnitudes características de la
desintegración radiactiva (Cont.) 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. Su unidad en el
S.I. es el segundo (s) Su relación con la constante
radiactiva es: (Gp:) t (Gp:) Núcleos presentes (Gp:) T
(Gp:) 2T (Gp:) 3T (Gp:) 4T Ver deducción
8 Vida media t representa el tiempo que por término medio
tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa
de la constante radiactiva. Otras magnitudes
características de la desintegración radiactiva
(Cont.) A partir del periodo de semidesintegración podemos
escribir que:
9 Cuadro-resumen de las magnitudes radiactivas
10 Muestra radiactiva Inicial Final, después de un tiempo
t Núcleos presentes: Ley de emisión radiactiva:
Actividad: Masa :
11 Ejercicio 3 de la página 366: Datos: N = N0 ; t = 1,54
días ; a) Aplicamos la ley de emisión radiactiva:
Sustituimos el valor de N y de t: Tomamos logaritmos neperianos:
Despejamos la constante radiactiva: Si el tiempo lo
hubiésemos puesto en segundos, como 1,54 días =
133056 s, la constante radiactiva sería: b) El
período de semidesintegración T se relaciona con la
constante radiactiva ? por la expresión: También lo
hemos podido calcular en segundos.
12 Efectos biológicos y aplicaciones de la radiactividad
Grado de peligrosidad de las distintas radiaciones para el ser
humano Fuentes externas al organismo Fuentes internas al
organismo Es más peligrosa la radiación que tenga
mayor poder de penetración: Es más peligrosa la
radiación que tenga mayor poder de ionización ?
ß a a ß ? Aumento de la peligrosidad Aumento de la
peligrosidad La medida de los efectos biológicos de la
radiación Dosis absorbida Dosis equivalente Cantidad de
energía absorbida por unidad de masa de la sustancia
irradiada. Su unidad S.I. es el Gray (Gy) = 1 J/kg Es el producto
de la dosis absorbida por el coeficiente de eficacia
biológica relativa, característico de cada
radiación. Su unidad S.I. es el Sievert (Sv) ; 1 Sv = 100
rem 1 Sv es la cantidad de radiación que produce el mismo
efecto biológico que la absorción de 1 J de rayos ?
en 1 kg de materia orgánica Aplicaciones Medicina,
Industria, Química, Agricultura, etc
13 El núcleo atómico Todas las experiencias
posteriores al descubrimiento de la radiactividad indicaron que
las emisiones radiactivas era un fenómeno que afecta
sólo al núcleo de los átomos de las
sustancias radiactivas, independientes del estado físico o
químico de la misma A partir del modelo atómico de
Rutherford (1911) y del descubrimiento del neutrón (1932)
sabemos que el núcleo de los átomos está
compuesto por los protones (que aportan la carga positiva del
átomo) y los neutrones, que reciben el nombre común
de nucleones. En el núcleo se concentra más del 99%
de la masa del átomo. Los átomos y sus
núcleos se caracterizan por el número
atómico Z (el número de protones del núcleo)
y el número másico A ( el número de
nucleones del núcleo) Por tanto, un núcleo
atómico está formado por Z protones y (A – Z)
neutrones, siendo la carga positiva del núcleo +
Z·e , donde e es el valor de la carga del electrón.
Como la corteza de los átomos, los núcleos
presentan distintos niveles cuánticos de energía.
Cuando un núcleo pasa de un estado excitado (más
energético) a otro menos energético emite
energía en forma de rayos ? y rayos X, en un proceso
análogo a la emisión de radiación en las
transiciones electrónicas. Los valores de estas
energías en el núcleo son del orden del MeV,
mientras que en la corteza de los átomos son del orden del
eV.
14 ÁTOMO
15 NÚCLEO
16 Los protones y los neutrones no son tan elementales como
creíamos A su vez están formados por otras
partículas más elementales: los QUARKS En concreto,
el protón de 2 quark up y 1 quark down , y el
neutrón por 2 quark down y 1 quark up.
17 Fuerzas nucleares El radio del átomo es del orden de
10–10 m, mientras que el del núcleo es unas cien mil
veces menor, 10–15 m ( 1 fermi). ¿Cómo se
explica que en tan reducido espacio las repulsiones
eléctricas entre los protones que exige la ley de Coulomb
(no compensadas por la atracción gravitatoria entre los
nucleones, que es 1036 veces menor) no produzcan la
destrucción del núcleo? En el núcleo, a
distancias tan pequeñas, se perciben los efectos de un
nuevo tipo de fuerzas, que explican la estabilidad nuclear. Son
las fuerzas nucleares, de muy corto alcance y muy intensas. Las
hay de dos tipos, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear
débil Las características de estas fuerzas se
resumen en la siguiente diapositiva: ¿Cuál es el
valor de la fuerza gravitatoria con la que se atraen los protones
en el núcleo?: ¿Cuál es el valor de la
fuerza eléctrica con la que se repelen los protones en el
núcleo?: Comparándolas, vemos que: La fuerza
eléctrica de repulsión es: 1 6000 000 5000 000 4000
000 3000 000 2000 0001000 000 veces mayor que la fuerza
gravitatoria de atracción.
18 La fuerza nuclear fuerte : La fuerza nuclear débil
:
19
20
21 Energía de enlace (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + En
todos los núcleos de los átomos se cumple que: >
La diferencia de masas es el defecto de masa : Si se quiere
romper un núcleo para aislar sus nucleones , hay que
aportar cierta energía. Esta energía coincide con
la energía liberada al formarse el núcleo a partir
de sus nucleones aislados y recibe el nombre de energía de
enlace Esta masa, que se transforma en energía
según la ecuación de Einstein, constituye la
energía de enlace: Nucleones aislados Núcleo La
masa de estas partículas: La masa del núcleo:
22 Energía de enlace (Cont.) Para comparar la
energía de enlace de los distintos núcleos, se
calcula la energía de enlace por nucleón que es el
cociente de dividir la energía de enlace entre el
número de nucleones. Cuanto mayor es este cociente,
más estable es el núcleo, ya que se
necesitará aportar más energía para romper
el núcleo. Su valor medio es aproximadamente de 8,3 MeV
(Gp:) Energía de enlace por nucleón en
función del número másico
23 (Gp:) 100 Representación gráfica del
número de neutrones frente al número de protones
para núcleos estables número de neutrones =
número de protones número de neutrones >
número de protones Protones 6 16 26 92 Neutrones 6 16 30
146
24 Actividad 1 : Calcula el equivalente energético de la
unidad de masa atómica u Datos : 1 u = 1,66 ·10
– 27 kg ; c = 3 ·10 8 m/s 1 eV = 1,6 ·10
– 19 J Si la masa de 1 u se transforma en energía se
obtienen:
25 Ejercicio 9 de la página 348: Datos: A (Ra) = 226; Ar
(Ra) = 226,0254 u ; Z (Ra) = 88 ; m p = 1,0073 u ; m n = 1,0087 u
; a) El defecto de masa El defecto de masa ?m vale: ?m = [Z
· m p + (A – Z ) · m n ] – M N
Sustituimos los valores para el radio 226, tomando como masa
nuclear M N la masa atómica A r : ?m = [ 88 ·1,0073
+ (226 – 88) · 1,0087] – 226, 0254 = 1,8176 u
b) La energía de enlace por nucleón Hemos calculado
en el ejercicio anterior el equivalente energético de la
unidad de masa atómica. Utilizaremos este dato para
calcular la energía de enlace del radio. Como el radio
tiene A = 226 nucleones, dividiendo el valor anterior por A,
obtendremos la energía de enlace por nucleón
26 Actividad 2: Datos: ?E/A (Mn-55) = 1,408 · 10–12
J ; ; m p = 1,0073 u ; m n = 1,0087 u ; c = 3 ·10 8 m/s ?m
= [Z · m p + (A – Z ) · m n ] – A r
Sabemos que la energía de enlace por nucleón del
vale 1,408 · 10–12 J . Calcular su masa
atómica. A partir de la expresión del defecto de
masa ?m , podemos calcular la masa atómica Ar ( la masa
del núcleo, MN , ya que despreciamos la masa de los
electrones) El defecto de masa lo podemos calcular a partir de la
enegía de enlace ?E , que a su vez podemos obtener de la
energía de enlace por nucleón: A partir de la
ecuación de Einstein, calcularemos el defecto de masa: 1 u
= 1,66 ·10 – 27 kg ; Expresamos esa masa en u:
Finalmente, calculamos la masa atómica ,
despejándola de la primera ecuación: A r = [Z
· m p + (A – Z ) · m n ] – ?m =
25·1,0073+30·1,0087 – 0,518 = 54,9255 u
27 Reacciones nucleares Las reacciones nucleares son procesos en
los que intervienen directamente los núcleos de los
átomos, transformándose en otros distinto. 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 y emitía un protón
Las reacciones nucleares son procesos de choque en los que se
conserva: Otras reacciones nucleares: Las reacciones nucleares
tienen dos miembros: en el izquierdo se pone la partícula
incidente y el núcleo que se va a transmutar , y en el
derecho, el núcleo formado y la partícula emitida.
También se pueden escribir así: 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. ? la energía ? la
cantidad de movimiento ? el momento angular ? el número de
nucleones (A) ? la carga (número de protones , Z)
(Inició la radiactividad artificial)
28 Actividad 3 : Completa los números y los
símbolos que faltan en las siguientes reacciones
nucleares:
29 Reacciones nucleares y radiactividad Cuando un núcleo
es inestable, tiende a transformarse de forma que los productos
resultante de esa transformación sean más estables
(menos energéticos) El proceso es una reacción
nuclear en la que se libera energía. Los núcleos de
las sustancias radiactivas son muy inestables y de forma
espontánea producen emisiones radiactivas Emisión
de partículas a (Ley de Soddy) Esta reacción indica
que cuando un núcleo padre (de símbolo X) con un
número atómico Z y un número másico A
emite una partícula a, se transforma en un núcleo
hijo ( de símbolo Y) , cuyo número atómico
es dos unidades inferior al del núcleo padre y cuyo
número másico es cuatro unidades inferior al del
núcleo padre. Emisión de partículas ß
(Ley de Fajans) Esta reacción indica que cuando un
núcleo padre (de símbolo X) con un número
atómico Z y un número másico A emite una
partícula ß, se transforma en un núcleo hijo
( de símbolo Y) , cuyo número atómico es una
unidad superior al del núcleo padre y cuyo número
másico es igual al del núcleo padre.
30 (Gp:) + (Gp:) + ¿ Cómo del núcleo de un
átomo pueden salir electrones? (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + =
antineutrino electrónico • No tiene carga • Su
masa es 200 000 veces más pequeña que la masa del
electrón (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + Núcleo padre A = 7
Z = 3 Núcleo hijo A = 7 Z = 4 ( su número
atómico una unidad mayor ) emisión de
partículas betas negativas Como sabemos, en el
núcleo de los átomos no hay electrones. Solo
protones y neutrones. emisión de partículas betas
positivas Los núcleos también pueden emitir
positrones (electrón positivo): Así salen
electrones del núcleo Un neutrón da lugar a un
protón, un electrón y un antineutrino
electrónico Un protón da lugar a un neutrón,
un positrón y un neutrino electrónico Esta
reacción está prohibida para protones libres, pues
implicaría una violación del principio de
conservación de la energía, ya que la suma de las
energías de los productos resultantes sería mayor
que la del protón. Sin embargo, para protones ligados
(i.e., formando parte de un núcleo), puede ocurrir que la
diferencia de energías entre el núcleo final y el
inicial sea suficiente para crear las partículas
resultantes, en cuyo caso la reacción está
permitida. • Sin él no se cumpliría el
principio de conservación de la energía ni de la
cantidad de movimiento. (i.e. id est/ita est//esto es/en otras
palabras) (más propia de la radiactividad
artificial)
31 Tras una desintegración alfa o beta, el núcleo
hijo suele ser también inestable y sufre otra
desintegración dando lugar a otro núcleo distinto.
Y así ocurre con desintegraciones sucesivas hasta que se
llega a un núcleo estable. El conjunto de todos los
isótopos que forman parte del proceso constituye una serie
o familia radiactiva. Actualmente se conocen tres familias
radiactivas naturales. ? Familia del uranio-radio: va desde el
uranio-238 hasta el plomo-206 ? Familia del uranio-actinio: va
desde el uranio-235 hasta el plomo-207 ? Familia del torio: va
desde el torio-232 hasta el plomo-208 La emisión de
radiaciones gamma de un núcleo radiactivo no supone su
transformación en un núcleo distinto, sino que
tiene lugar un reajuste energético en el mismo: un
núcleo atómico que se halla en un nivel
energético excitado pasa a otro nivel menos
energético y emite la diferencia de energía en
forma de radiación electromagnética (rayos gamma).
Emisión de radiación ? Reacciones nucleares y
radiactividad (Cont.) Ver familia P.Newton Números
másicos A = 4n+2 , desde n = 59 hasta n = 51
Números másicos A = 4n+3 , desde n = 58 hasta n =
51 Números másicos A = 4n , desde n = 58 hasta n =
52 En las series naturales todas las transmutaciones ocurren por
emisiones alfa y beta.
32 (Gp:) 95 (Gp:) 93 (Gp:) 4 2 Ejemplo de desintegración
alfa
33 Ejemplo de desintegración alfa Seaborgio Rutherfordio
El subíndice de la derecha de color verde representa el
número de neutrones. Partícula alfa
34 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 0 –1 Ejemplo de
desintegración beta
35 Ejemplo de desintegración beta Carbono Nitrógeno
El subíndice de la derecha de color verde representa el
número de neutrones. Electrón Antineutrino
36 Ejemplo de emisión de radiación gamma Disprosio
Rayos gamma
37 Ejemplo de desintegración beta + Flúor
Oxígeno El subíndice de la derecha de color verde
representa el número de neutrones. Positrón
Neutrino
38 Fisión nuclear neutrón lento neutrón
rápido neutrón rápido (escisión o
rotura del núcleo) Como productos aparecen: ? 2
núcleos de nuevos elementos ? 2 o 3 neutrones
rápidos ? gran cantidad de energía Esta es la
reacción nuclear producida:
39 Fisión nuclear La fisión nuclear es una
reacción nuclear en la que un núcleo pesado se
divide en otros dos más ligeros al ser bombardeado con
neutrones. En el proceso se liberan más neutrones y gran
cantidad de energía. Los productos de esta reacción
presentan un defecto de masa de 0,2154 u, que corresponde a una
energía liberada de 200,5 MeV por cada núcleo de
uranio-235 Los neutrones liberados por la fisión pueden
fisionar otros núcleos dando lugar a una reacción
en cadena Los isótopos más utilizados en la
fisión nuclear son el U-235 y el Pu-239 ?m = Ar (U-235) +
mn – Ar (Ba) + Ar (Kr) + 3· mn = 0,2154 u
40 Fisión nuclear Reacción en cadena
41 En el año 1942 el físico Enrico Fermi produjo,
en la Universidad de Chicago, la primera reacción en
cadena controlada. Fisión nuclear en cadena Controlada No
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 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 Premio Nóbel de Física
1938
42 (Gp:) + (Gp:) ? (Gp:) ? Núcleo de (deuterio)
Núcleo de (tritio) Fusión de los núcleos
Núcleo de (helio) (neutrón) (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) +
(Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + Fusión 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.
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 ) ?m = Ar (H-2)
+ Ar (H-3) – Ar (He-4) + mn = 0,0189 u (unión de
núcleos)
43 Fusión nuclear en cadena Controlada No 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 Se
produce en la bomba atómica de hidrógeno
(termo-nuclear). Para conseguir la alta temperatura necesaria
para la fusión se utiliza una bomba atómica de
fisión
44 Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales
Sabemos , desde principios del siglo XX ,que el átomo
está formado por otras partículas más simple
que él: los electrones, los protones y los neutrones.Todas
ellas pueden emitir o absorber otro tipo de partículas:
los fotones. Son partículas subatómicas. Pero desde
entonces hasta nuestros diás, nuestro conocimiento del
mundo subatómico ha avanzado mucho. Hoy sabemos que la
mayoría de las partículas subatómicas
están, a su vez, formadas por otras partículas
más simples, denominadas partículas elementales.
Las partículas elementales son aquellas que no se pueden
descomponer en otras más simples. Cada partícula
subatómica ( elemental o no ) tiene asociada una
antipartícula de igual masa y espin pero con carga
eléctrica y momento angular opuestos. Actualmente se
conocen centenares de partículas subatómicas. Todas
ellas se clasifican en dos grupos, según si están
sometidas a la acción de la fuerza nuclear fuerte o no.
Lista de partículas
45 Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales
(Cont.) Leptones Hadrones Sienten la interacción nuclear
fuerte No sienten la interacción nuclear fuerte • Son
partículas elementales • Hay seis tipos: ? el
electrón e– ? el muón µ ? el
tauón t ? el neutrino del electrón ?e ? el neutrino
del muón ?µ ? el neutrino del tauón ?t •
No son partículas elementales • Están formadas
por quarks • Los quarks son partículas elementales.
• Hay seis tipos de quarks: ? up u ? down d ? strange s ?
charme c ? botton b ? top t • Hay dos grupos de hadrones.
Mesones Bariones • Están formados por un quark y un
antiquark. ? mesones p o piones (p0 , p+ , p– ) ? mesones K
o kaón Lista de mesones • Están formados por
tres quarks. ? protones ? neutrones Lista de bariones Todas estas
partículas tienen asociada una antipartícula, como
antes dijimos. Applet sobre quarks
46 Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales
(Cont.2) Todas estas partículas tienen asociada una
antipartícula, como antes dijimos. Cuando una
partícula choca con su antipartícula, se aniquilan
ambas ( aniquilación de pares ) y la masa total de ambas
se transforma en energía. También existe el
fenómeno inverso: la producción de pare; se
transforma energía en un par de partículas, como
cuando un fotón de alta energía choca con un
núcleo, el foton desaparece y se materializa en un par
electrón-positrón. Partícula
Antipartícula asociada electrón e–
positrón e+ protón p antiprotón
neutrón n antineutrón neutrino ? antineutrino
47 Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales
(Cont.3)
48 Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales
Todas las fuerzas de la naturaleza pertenecen a uno de estos
tipos. Fuerzas de la naturaleza Gravitatoria
Electromagnética Nuclear fuerte Nuclear débil
• Se ejercen entre dos cuerpos cualesquiera • Son
siempre atractivas • Es la más débil.
Sólo es apreciable cuando uno de los cuerpos tiene gran
masa, como un planeta. • Se ejercen entre cuerpos con carga
eléctrica. • Atractivas o repulsivas • Son
más intensas que las gravitatorias pero menos que la
nuclear fuerte. Se pueden interpretar que esta interacciones se
propagan mediante partículas portadoras. Algunas de estas
partículas ya ha sido detectadas, como los fotones (
interacción electromagnética) y los piones
(interacción protón-neutrón). El
gravitón ( interacción gravitatoria), el
gluón (interacción entre quarks) y la
partícula W (interacción entre leptones)
sólo son hasta la fecha predicciones teóricas. Ver
diapositiva 18