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FÍSICA NUCLEAR
“I WANT TO KNOW GOD’S THOUGHTS; THE REST ARE DETAILS”
(Albert Einstein. 1879 – 1955)
1. INTRODUCCIÓN. RESEÑA HISTÓRICA
Radiactividad → propiedad de los núcleos atómicos de ciertos isótopos de modificar espontáneamente su constitución, emitiendo simultáneamente
una radiación característica.
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
1896 (Antoine Henri Becquerel): Fluorescencia del sulfato doble de uranio y potasio (radiación más penetrante que Rayos X)
Antoine Henri Becquerel
La radiactividad puede ser: Radiactividad natural: Es la que manifiestan los isótopos que se
encuentran en la naturaleza.
Radiactividad artificial o inducida: Es la que ha sido provocada por transformaciones nucleares artificiales.
Marie y Pierre Curie
2. RADIACTIVIDAD NATURAL – TIPOS DE RADIACIÓN
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
a. La radiación alfa ( está formada por núcleos del isótopo 4 de helio, es decir está constituida por una radiación corpuscular, en la que cada corpúsculo está formado por dos protones y dos neutrones.
He42
La reacción nuclear que la representa es:
HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2
Se da normalmente en núcleos muy pesados (A ≈ 200), como por ejemplo son el caso de:
235U →
231Th +
4He ;
226U →
222Rn +
4He ;
210Po →
206Pb +
4He ; aunque algunos núcleos
menos pesados también la tienen, como el 8C,
5Li,…
2. RADIACTIVIDAD NATURAL – TIPOS DE RADIACIÓN
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
b. La radiación beta ( está constituida por electrones, lo que significa que es también de naturaleza corpuscular, en la que cada corpúsculo tiene una masa atómica de 1/1800 aproximadamente, y una carga de 1 unidad negativa, por ello se le llama desintegración β
-.
Neutrón → protón + electrón + antineutrino
0
1
1
1
1
0
epn
La ecuación que la representa es:
0
11
eYX A
Z
A
Z
Mecanismo típico de núcleos con un exceso de neutrones (N >>Z).
En 1931, Pauli afirmó que en el proceso de desintegración β faltaba una partícula de
masa en reposo nula y sin carga, a la que llamó antineutrino . Toda partícula tiene su
antipartícula, la antipartícula del antineutrino es el neutrino ( ).
2. RADIACTIVIDAD NATURAL – TIPOS DE RADIACIÓN
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
Otro proceso diferente es la desintegración β+ que se descubrió posteriormente,
semejante a la beta (o beta negativa) pero con carga positiva. Está formada por positrones procedentes de transformación de un protón en un neutrón.
Mecanismo típico de núcleos con un exceso deprotones (N << Z).
protón → neutrón + positrón + neutrino
0
1
1
0
1
1
enp
La ecuación que la representa es:
0
11
eYX A
Z
A
Z
e O F 0
1
18
8
18
9
Dependiendo de la energía de la radiación que se
produce serán rayos o rayos X.
Positrón = antipartícula del electrón (misma masa que el
electrón y misma carga pero positiva (como la del protón).
Es antimateria, por lo que se aniquila con un electrón →
→ ANIQUILACIÓN DE PARES (ELECTRÓN-POSITRÓN)
2. RADIACTIVIDAD NATURAL – TIPOS DE RADIACIÓN
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
c. La radiación gamma (de naturaleza electromagnética (fotones), semejante a la luz ordinaria, pero con mucho menor longitud de onda. Es, por lo tanto, de naturaleza ondulatoria, sin masa en reposo y sin carga. Esta radiación tampoco existía antes en el núcleo, sino que es energía que se emite como consecuencia de un reajuste energético de núcleo. Es la más penetrante, y muy peligrosa. * XX A
Z
A
Z
No existían emisores puros en la naturaleza sino que las desintegraciones y
dejan al núcleo hijo en estado excitado, que se desexcita con emisión .
* Captura electrónica: El núcleo atómico captura un electrón profundo dando lugar a que un protón de núcleo y ese electrón originen un neutrón y un antineutrino. (Recordar que ha dejado un hueco en esa capa cercana al núcleo, por lo que a la vez creará radiación gamma o rayos X).
1
0
0
1
1
1
nep
3. EL NÚCLEO ATÓMICO
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
Thomson Rutherford Bohr Schrödinger
Evolución de los Módelos Atómicos
Núcleo Atómico
protones
neutrones
Z = número atómico = Nº de protones
N = Nº de neutrones
A = número másico = Nº de nucleones = Nº protones + Nº neutrones A = N + Z
CARACTERÍSTICAS DEL NÚCLEO
Tamaño del átomo: orden del Å = 10-10 metros.
Tamaño del núcleo: orden del fermi, 1 fm = 10-15 metros.
La masa atómica concentrada casi en su totalidad (un 99%) en ese
minúsculo espacio llamado núcleo → enorme densidad del núcleo: del orden de
1016 g/cm3.
Eso significa, que si un núcleo fuera del tamaño de una pelota de ping-pong, de radio 1.5 cm y con esa densidad, debería tener una masa de 0.13 billones de toneladas.
3. EL NÚCLEO ATÓMICO
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
ISÓTOPOS: núcleos de un mismo elemento (= Z), pero con distinto Nº de neutrones (≠N)
ISÓTONOS: Núcleos con mismo de número de neutrones (N), pero distinto número
de protones (Z). Ejemplo: 12B y 13C, ambos tienen 7 electrones.
XA
Z
ISÓBAROS: Núcleos con mismo de número másico (A). Ejemplo:
ISÓMEROS: Son diferentes estados excitados de un mismo núcleo. La transición de
un isómero de un estado a otro lo hace mediante la absorción o emisión de
radiación gamma. Ejemplo: 12C y 12C*
Fuerza Nuclear Fuerte: responsable de mantener a los nucleones en el núcleo, contrarrestando la interacción coulombiana repulsiva de los protones.
1 uma = 1.66·10-27 kg (doceava parte de la masa del isótopo 12C)
1 uma = 931.5 MeV/c2
3. EL NÚCLEO ATÓMICO
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
Franja de Estabilidad: Elementos estables
Con exceso de neutrones: Para ingresar a la
zona estable deben disminuir los neutrones y
aumentar los protones. Esto se logra
mediante la reacción .
Núcleos estables N/Z ≈ 1
Radicactividad: N/Z ≠ 1
) (emisión e p n -0
1
1
1
1
0
4. ENERGÍA DE ENLACE
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
La energía de enlace es la energía liberada por un núcleo cuando sus nucleones
independientes se unen para constituir dicho núcleo.
La energía de enlace por nucleón
∆E/A nos da una idea de lo estable que
es un núcleo (cuánto mayor sea ∆E/A,
más estable es). Su valor medio es
aproximadamente unos 8.3 MeV.
MASA NÚCLEO < SUMA DE SUS COMPONENTES
núcleonp mmZAmZm )(
∆E = ∆m·c2
5. DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
Es un proceso aleatorio, estadístico.
λ: constante de desintegración radiactiva
T½: periodo de semidesintegración o semivida (tiempo
que tarda una muestra radiactiva en reducir su
población a la mitad) N = N0/2
τ: vida media (tiempo medio que tarda un núcleo en
desintegrarse)
En t0 = 0 tenemos N(0) = N0 núcleos sin desintegrar
La velocidad de desintegración es la actividad radiactiva (A) (el
número de desintegraciones por unidad de tiempo):
En un tiempo t tenemos N(t) = N núcleos sin desintegrar
Ndt
dN
t-N(0)·e )( tN
2 ln T
1/2
2ln
T
1 1/2
N dt
dN - A t-A(0)·e )t(A
5. DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
La actividad se mide en desintegraciones por segundo que es equivalente al
becquerelio o becquerel (DPS = s-1 = Bq), aunque por comodidad se utiliza a
veces otra unidad, el curio o curie (Ci):
DPS 1 Bq 1 ; Bq 3.7·10 Ci 1 10
6. REACCIONES NUCLEARES Y RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen núcleos atómicos
transformándose en otros distintos.
Op) ,( N H O He N 17141
1
17
8
4
2
14
7
Pn) ,( Al n P He Al 30271
0
30
15
4
2
27
13
•Conservación de la energía
•Conservación de la cantidad de movimiento
•Conservación de la carga
•Conservación del número de nucleones
Ejercicio: Formula las reacciones nucleares siguientes:
O) p,( N 17
8
14
7
P) n,Al( 30
15
27
13
Mgp) Al(n, 27
12
27
13
C) (n, O 13
6
16
8
Li) (p, Be 6
3
9
4
Ben) Li(p, 7
4
7
3
Na) Na(n, 24
11
23
11
Be) Li(p, 8
4
7
3
7. FAMILIAS RADIACTIVAS
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
Familia Uranio – Radio (A = 4n+2): Se produce 222Rn gaseoso como isótopo
intermedio de la familia (producirá 210Pb o 210Bi en polvo)
8. FISIÓN NUCLEAR
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
La fisión nuclear es la división de un núcleo pesado en otros por el
bombardeo de neutrones. Se libera energía y varios neutrones (reacción
controlada o en cadena).
n 3 Kr Ba n U 1
0
92
36
141
56
1
0
235
92
Por cada núcleo de uranio se libera una energía de 200 MeV, lo que supone una energía
de 1 MeV por nucleón, lo que significa que una pequeña cantidad de uranio se puede
obtener una gran cantidad de energía
9. FUSIÓN NUCLEAR
Julio Vera GarcíaFísica Nuclear
La fusión nuclear es la unión de dos núcleos ligeros para formar otro más
pesado, liberándose gran cantidad de energía.
En esta reacción, al estudiar el balance de los defectos de masa de productos menos
reactivos se obtiene que se libera una energía de unos 17.6 MeV por cada núcleo de helio
que se forma, es decir, unos 3 MeV por nucleón
n He H H 1
0
4
2
3
1
2
1
Para que se origine la fusión
nuclear necesitamos aportar una
energía de activación, que en este
caso lo suministra la energía térmica
de las elevadas temperaturas
(superiores a 106 K) a las que se
somete para vencer las fuerzas
electrostáticas