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Física Atómica,Molecular y Nuclear(I)
Felipe J. Llanes Estrada, [email protected] de Física Teórica I, Fac. CC. Físicas
Ernest Rutherford,descubridor del núcleo atómico
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106
0.01 m = 1 cm
Tamaño típico de
un insecto
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0.001 m = 1 milímetro
Tamaño típico del ojo de un
insecto
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0,000.1 m = 0.1 milímetros
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0,000.01 m = 10 micras
Tamaño típico de
un linfocito
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0,000.001 m = 1 micra Tamaño típico de un
cromosoma
Resolución típica del microscopio óptico
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0,000.000.1 m =0.1 micras
Detalle de un cromosoma
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0,000.000.01 m = 100 angstrom
Tamaño típico del grosor
de una molécula de DNA
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0,000.000.001 m = 10 angstrom = 1 nanómetro
Tamaño típico de una
molécula
Escala de la nanotecnología
Resolución del microscopio electrónico
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0,000.000.000.1 m = 1 angstrom
Tamaño típico de un
átomo
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0,000.000.000.01 m = 0,1 angstrom
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0,000.000.000.001 m = 1 picómetro
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0,000.000.000.000.1 m = 0,1 picómetro
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0,000.000.000.000.01 m = 10 fermi
Tamaño típico de un
núcleo atómico
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0,000.000.000.000.001 m = 1 fermi
Tamaño típico de un
nucleón
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0,000.000.000.000.000.1 m = 0,1 fermi
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Comencemos
en la escala
atómica (0.1 nm)
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Bohr
El modelo de Bohr del atomo de hidrógeno
(1916)
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ÁTOMO DE HIDRÓGENO mediante la ecuación de Schroedinger
“Nubes de probabilidad”(se verá en la lección de mecánica cuántica)
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Solamente existen soluciones para valores discretos de la energíay del momento angular (cantidad de giro)
n = 0, 1, 2, 3... l = s, p, d, f
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Energías de los niveles el átomo de hidrógeno
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EE = h
Espectros de absorción
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EE = h
h
Indeterminación Tiempo-Energía
Espectros de emisión
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Su ejercicio: construyan un espectrómetro casero con 1) un tubo o caja alargada de cartón (p.ej. una cajita de té con tapa)2) un trozo de disco CD.
Ranura para entrada de luz
Trozo de CD
Agujero visión
Trozo de CD
Observen muy brevemente la luz emitida por1) Una bombilla incandescente (o una lámpara halógena)2) Un tubo fluorescente (o una bombilla de bajo consumo)3) Un infiernillo de gas natural, propano o butano4) Una farola de sodio 5) Una luz LED6) El sol (muy brevemente y a poder ser con gafas de sol)¿En qué fuentes se observan rayas espectrales?
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ORBITALES
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Principio de Exclusión de Pauli
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Regla de Madelung para el llenado de orbitales atómicos
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TABLA PERIÓDICA DE MENDELEIEV
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ENLACE QUÍMICO
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Enlace covalente
Enlace iónico
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BIOMOLÉCULAS: la base de la vida
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Hidratos de Carbono, carbohidratos o sacáridos (griego: Sakcharón, azúcar) componentes esenciales de los organismos vivos (y clase más abundante de moléculas biológicas), Átomos: C, O, H Existen como:Monosacáridos o azúcares sencillos : (p.ej. glucosa, fructosa, galactosa) disacáridos: (p.ej. maltosa (glu-glu), sacarosa (glu-fru), lactosa (glu-gal)) polisacáridos: (p.ej. almidón ( amilosa), glicógeno (almidón animal), celulosa
Funciones:Productor de energía: como azúcar y almidón (=reserva) Reserva de energía ( Hígado y músculo) de uso rápido en organismos animales, incluyendo el hombre ( glicógeno) Estructural: pared de células vegetales (celulosa)
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Lípidos: grupo de sustancias no solubles en agua (se agregan: bicapa en membranas y gotas en el citoplasma) pero sí solubles en disolventes orgánicos apolares (benceno, acetona...), de tacto untuoso y manchan el papel de forma característica.
•Componentes: Glicerina (Alcohol terciario) Acidos grasos (3 unidades) Átomos: C, O, H , con menos oxígeno en relación al H y C, que los azúcares.Se presentan como: Grasas y aceites
Funciones:•Productor y reserva de energía como grasa y aceite, ( de uso más lento que los carbohidratos) •Estructural: membranas celulares forman una Bicapa (fosfolípidos) impermeable a sustancias solubles en agua. •Térmica: aislante térmico. También importante: Algunos ácidos grasos “esenciales” no son sintetizables por el cuerpo y deben ser ingeridos. Algunas vitaminas son solubles en grasa y solo pueden ser ingeridas con ella, no se debe evitar del todo la ingestión de grasa.
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Aminoácidos y unión péptica
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Proteínas: Componen las estructuras celulares y son las herramientas para las reacciones químicas del metabolismo celular.
Componentes: Aminoácidos ( 20 variedades distintas) Átomos: C, O, H, N, S Se presentan como:•Dipéptidos, ( conformados por 2 aminoácidos) •Oligopéptidos ( más de 10 aminoácidos) y •Proteínas ( más de 100 aminoácidos)
Funciones:•Estructural: por ejemplo musculatura, tejido conjuntivo, membranas celulares. •Encimática: biocatalizadores en todos los procesos metabólicos. Defensa en el combate de infecciones: Inmunoglobulinas = anticuerpos. •Hormonal: (sustancias mensajeras). •Receptora: detección de estímulos en la superficie celular.
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Proteínas
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Estructura de las células
Cromosomas
Genes
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Ácidos nucleicos (Adenina, Citosina, Guanina y Timina, )
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El átomo tiene un núcleo central muy denso,
cargado positivamente
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El núcleo es un objeto extenso, detamaño 1fm=1 femtometro = 1 Fermi= 0.00001 veces el radio atómico
Acelerador de electrones de SLAC
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Acelerador de electrones de Jefferson Lab
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Difracción de la luz porun disco y un cuadrado
Oscilacionesen intensidad-> radio
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Difracción de electrones: radio nuclear
Núcleo ligero Núcleo pesado
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Radio nuclear
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La probabilidad de interacción elásticacambia bruscamente: radio nuclear
(el proyectil rompeel núcleo, no rebota)
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Núcleos ligeros típicos
11H
21D
31T
42He
126C
168O
Z= número de protonesA= masa respecto al hidrógeno
Núcleo más pesadoque aparece en estadonatural: 238
92U
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Dos tipos de componentes nucleares
protones: carga + Masa 938 MeV
neutrones: carga 0 Masa 939 MeV
Descubrimiento del n: ChadwickEl neutrón es inestable (se desintegra en promedio tras unos trece minutos)
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Armamento nuclear
100 toneladas TNT 10 kg Plutonio20 veces más
Energía
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Los Álamos, Nuevo México, 1945
CráterTrinity
Cráter test100 ton
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Gran cantidad de energíade ligadura: 8 MeV/nucleón
¿Qué es un MeV?
1MeV=1Millón de electrón-voltios:la energía que gana un electrón al pasarde un polo - a un polo + con 1000 000V
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Amplificador de voltaje de Cockroft-Walton:hasta decenas de miles de voltios
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Energía de ligadura por cada nucleón
Fisión
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¿Cuántos elementos químicos hay?
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Carta de Segré o Valle de Estabilidad
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Fisión espontánea: muy rara
Fisión inducida por neutronesreacción en cadena
n
Para el Uranio 23892U, vida 1016 años
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¿De dónde sale la energía en la fisión?
Una vez separadoslos fragmentos,
sus cargas positivasse repelen y los
aceleran.Mientras estánligados en el
núcleo, la energíaestá almacenadacomo masa inerte
E=mc2
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Reactores de fisión
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Reactor de agua en ebullición
Reactor deagua apresión
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Fisión del Uranio:Los neutrones lentos fisionan el 235Los neutrones rápidos tambien el 238
Enriquecimiento: 0.7% 235U -> 3% 235U
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Residuos radiactivos
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Los fragmentos de la fisión no sonsiempre iguales
Se distribuyenentre distintas
masas
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Almacenaje de residuos en España:ENRESA
Centro de almacenamientode residuos de baja y mediaactividad del Cabril, Cordoba
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Protección radiológica
Actividad: 1 Becquerel = 1desintg/sDosis absorbida: 1 Gray =1 J/kg
Dosis equivalente (efecto biológico)
1 Sievert = 1 Gray x Factor tipo
e,m =1; X,g =1; n térmicos, n,p rápidos =5;n 2-20 MeV =10n 100 keV-2 MeV, a, fragmentos =20
Radiación natural: 0.4-4 mSv/añoMáximo profesional: 20 mSv/año
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La radiación natural depende dela geología del terreno
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Exposición al gas RadónMucho mayor en zonas graníticas
1 Año en mi domicilio=8760hr--> 175 mrem
Equivalente a 1 mes cerca de Fukushima durante el primer año
United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic
Radiation:
*Hasta 10 rem no es preocupante*No se han detectado aún efectos
de salud pública causados por Fukushima (¿cáncer a largo plazo?)
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¿Y los residuos de alta actividad?Investigación en
Transmutación artificial
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Energía de ligadura por cada nucleón
Fusi
ón
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Conclusión por hoy: la piedra filosofal
Que convierte el plomo en oro
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No puede ser obtenida por métodos químico-físicos (cortar, quemar,disolver,tratar con acidos, evaporar...)
Solamente la comprensión de la radiactividady el uso de intensos campos electromagnéticos
nos ha abierto la puerta al núcleo átomico,
y a un nuevo mundo por explorar.