Física Nuclear

FISICA NUCLEAR

Origen: Henri Becquerel, descubrimiento de la radiactividad en compuestos de uranio,

finales siglo XIX

Experimentos de Rutherford, 1911 Existencia del núcleo atómico

Propiedades del núcleo: Número atómico, número másico, número de neutrones. Isótopos.

Carga y masa

Tamaño nuclear

Espín y momento magnético

Estabilidad nuclear (fuerza nuclear, curva de estabilidad..)

Energía de enlace

Aplicaciones: Resonancia magnética nuclear

Radioactividad, constante de desintegración, ritmo de desintegración, vida media

Radioactividad α,β,γ

Aplicaciones: Datación con Carbono

Reacciones Nucleares

http://www.ifca.unican.es/users/ruiz/Nucleo.pdf

Algunas propiedades del núcleoNúmero Atómico: Z: número de protonesNúmero de neutrones, NNúmero másico, A= N+Z

Representación XAZ

Isótopos igual Z, pero diferente NCarga eléctrica: Ze ( e= 1.6 10-19 culombios)Masa

Unidad de masa atómica, 1/12 de la masa del átomo de C126

u = 1,660559 10 -27 KgM( p) = 1,007276 u; M(n) = 1,008665 u; M(e) = 0,000549 uEu= uc2 = 931,494 MeV

Algunas propiedades del núcleo

Tamañoen el experimento de Rutherford con partículas alpha sobre oro, igualando energía cinética con energía potencial eléctrica, para colisión frontal:

½ mv2 = K q1q2/r K (2e Ze /d) d aproximadamente 3.2 10-14 metros

Unidades: 1fm = 10-15 m.Geometría aproximadamente esférica, r = r0 A1/3

Por tanto, la densidad nuclear es similar para todos los núcleos

Algunas propiedades del núcleo

SpinMomento angular intrínseco, con las mismas reglas cuánticas que el spin y los momentos angulares orbitales de los átomosProviene del spin de protones y neutrones

Tiene un momento magnético asociado, que se mide en unidades del magnetón nuclear μm = eh/4πmp = 5.05 10-27 J/TUn protón libre tiene 2,7928 magnetones nuclearesUn neutrón libre tiene-1,9135 magnetones nucleares

modelo de estructura interna. Quarksaplicaciones: Resonancia Magnética Nuclear

Estabilidad nuclear:La fuerza de repulsión electrostática de los protones no se notaexistencia de una fuerza atractiva:

Fuerza nuclear:

-Rango nuclear

- Independiente de la carga

- No afecta a los electrones

- Curvas de estabilidad, números mágicos Z,N = 2,8,20,28,50,82,126

- Modelos cuánticos, estructura de capas…

ENERGIA DE ENLACEEb (MeV) = [ZM(H) + Nmn – M(XA

Z)] 931,494 MeV/u( con las masas en unidades de masa atómica)

Resonancia Magnética NuclearEnergía potencial asociada a un dipolo magnético en campo magnético externo: -μ.B , cuantificado, con valores extremos +,- mzB ( z dirección de B)

En RMN hay un campo magnético continuo y la muestra se irradia con ondas electromagnéticas de radiofrecuencia. Cuando su energía coincide con la diferencia de energía entre los estados de espín, el fotón es absorbido y el núcleo excitado. Esa absorción neta de energía es observada por el sistema de control y medición

En RMN se usa un campo B variable en el espacio

Leyes de las desintegraciones

dN/dt = -λN N= N0e-λt

λ: constante de desintegraciónRitmo de desintegración o actividad:R= dN/dt = -N0λe-λt

Unidades: 1 Curio = 3.7 1010 desintegraciones/segundo ( la actividad aproximada de 1 gramo de radio)

1 Becquerelio = 1 desintegración/segundo

Vida media T1/2 = tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los átomos de la sustancia radiactiva

T1/2 = ln2/λ

Desintegración Alpha , αPérdida de dos protones y dos neutrones, que constituyen el núcleo de un átomo de Helio4

2. Ejemplos: U238

92 Th23490 + α (Τ1/2 = 4.47 109 años)

Ra22688 Rn222

86 + α (Τ1/2 = 1.60 103 años)

La energía de desintegración es: Q = (Mpadre –Mhijo –Mα)c2

-En realidad esa es la máxima energía cinética de salida, esencialmente de la partícula alpha, pero puede adquirir otros valores, discretos, que se corresponde con la cuantificación de los niveles nucleares. Si Q resultara negativo, no podría ocurrir espontáneamente.

- La desintegración alpha se produce por efecto túnel a través de la barrera que crean la fuerza nuclear atractiva y la repulsión culombiana

Desintegración βCambia Z a Z+1 y se mantiene A. Es, por tanto, una desintegración n p+e-

También existe la β inversa p n+e+, que solo ocurre en el interior del núcleo, pues

M(n)+M(e+) > M(p)Se observa que la distribución de energía cinética de la partícula β es continua, a pesar de que debería ser igual para todas las desintegraciones, que proceden de núcleos con la misma masa inicial

Para que la energía se conserve, hace falta que haya una tercera partícula en el estado final neutrino, propuesto por Pauli y bautizado por Fermi

Datación con CarbonoC14

6 N147 +e-+neutrino, es una reacción que se

utiliza para datar muestras orgánicas:El cociente entre C14 y C12 en las moléculas

vivas es constante por su intercambio con la atmósfera. Cuando muere no absorbe más C14 de la atmósfera y ese cociente va decreciendo debido a que el C12 es estable y el C14 tiene la desintegración indicada, con una vida media de 5730 años.

Así se puede datar material muy antiguo

Desintegración γSe produce cuando un núcleo está en un estado excitado y pasa a un estado de energía más bajorayos γ, de energías en el orden de los MeV.

Suele producirse tras una desintegración alfa o beta previa

Es una radiaciónpenetrante, al contrariode las otras

Reacciones nucleares

Rutherford fue el primero en observarlas, en 1919, con fuentes radioactivas naturales.Actualmente se utilizan aceleradores de partículas cargadas, para estudiarlas a muy altas energías

a+X Y+bQ= (Ma+MX-MY-Mb)c2.Si es positivo, reacción exotérmica. Si es negativo, endotérmica.Umbral de energía: Energía cinética mínima de la partícula incidente, para que se produzca la reacciónLas leyes de conservación de las reacciones nucleares incluyen la carga eléctrica, energía , momento y número de nucleones

Reacciones Nucleares

Cuando la reacción sea del tipo a+X a+X, decimos que es una reacción de dispersiónEn tal caso, si Q=0, es dispersión elásticaSi Q#0, dispersión inelástica ( por ejemplo, cuando el núcleo queda en un estado excitado)

ENERGIA NUCLEAREn las reacciones nucleares se libera mucha energía, por la conversión de masa en energía

Supongamos que se produce una reacción de fisión, en la que un núcleo se divide en dos núcleos más ligeros.

Observando la Figura vemos que aumenta la energía de enlace total del sistema, liberándose una gran cantidad de energía

Otto Hahn y Fritz Strassman observaron este tipo de reacciones en 1939 origen de los estudios de energía nuclear

-Por ejemplo, la reacción U235 +n ( lento) dos núcleos Y,Z + neutrones + energía.

- Estos neutrones pueden inducir nuevas fisiones del uranio producción de reacción en cadena, si no hay sistemas de control

ENERGIA NUCLEAR

ENERGIA NUCLEAR-Si hay control producción de energía (centrales nucleares)

- Si no lo hay reacción en cadena, si hay masa crítica bomba atómica

EL MOTOR DE LAS ESTRELLASOtra posible fuente de energía es por fusión de dos núcleos ligeros en uno más pesado, con liberación de energía

Se requiere que ambos núcleos superen la barrera de repulsión culombiana se puede ayudar si se les da la energía cinética suficiente altas temperaturas y altas densidades

fundamento de los reactores de fusión (ITER,…)

Es el fundamento del motor estelar

EL MOTOR DE LAS ESTRELLASEn el centro de la estrella con núcleos relativamente fríos ( < 15 millones de grados Kelvin) se produce la reacción:

H1 + H1 H2 + e++ν

H2 + H1 He3 + γ

He3 + He3 He4 + H1 +H1

En todo este proceso se libera energía electromagnética y neutrinos

EL MOTOR DE LAS ESTRELLASEn el centro de la estrella con temperaturas mayores, hay núcleos más pesados y puede darse el llamado ciclo del carbono:

6C¹² +1H¹ → 7N¹³ + γ,7N¹³ → 6C¹³ + β+ + ν,6C¹³ + 1H¹ → 7N14 + γ,7N14 + 1H¹ → 8O15 + γ,8O15 → 7N15 + β+ + ν,7N15 + 1H¹ → 6C¹² + 2He4.

La energía se libera ( 1023-1033 W )por radiación y convección hacia el exterior y de allí se irradia como luz infrarroja, visible y ultravioleta