2f 08 a fisica nuclear

14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 1

Tema 13:Física Nuclear

Página del ProyectoNewton

Física Nuclear

Radiactividad

Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales

Desintegración radiactiva

Reacciones nucleares y radiactividad

Fisión nuclear

Fusión nuclear

Efectos biológicos y aplicaciones de la radiactividad

Fuerzas nucleares

Radiaciones alfa, beta y gamma

Fuerzas fundamentales

El núcleo atómico

Reacciones nucleares

Energía de enlace

http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/radiactividad/quees.htm

http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/radiactividad/quees.htm


RadiactividadFue 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 (α), radiación beta (β) y radiación gamma (γ)


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.

+ + + + +

- - - - - -

+-

Partículas α: carga positiva

Partículas β: carga negativa

Rayos γ: sin cargaCampo eléctrico

sustancia radiactiva

Bloque de plomo

+-

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


Hoy en día conocemos las características de las distintas radiaciones y sabemos que se originan en el núcleo de los átomos.

Naturaleza Carga (e)

Masa (u)

Energía cinética

Símbolos

αNúcleos de átomos de helio formados por 2 protones y 2 neutrones.

+2 4 MeV

β

Electrones rápidos procedentes de neutrones que se

desintegran en el núcleo -1 0,00055 MeV

γRadiaciones

electromagnéticas más energéticas que los rayos X

0 0 keV-MeV

42 He

01e−

42 α

01β−

00 γ

1 1 00 1 1 en p eν−→ + +

19e 1,6 10 C−= × 27u 1,66 10 kg−= ×

neutrón protón electrón antineutrino


Desintegración radiactivaCuando un núcleo de un átomo radiactivo emite radiación α, β o γ el núcleo cambia su estado energético (γ) o se transforma en otro distinto (α, β). En este último caso se dice que ha tenido lugar una desintegración

La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio gobernado por leyes estadísticas

λ toN N e− ×= ×

Muestra radiactivaInicial Final, después de un tiempo t

Núcleos presentes:oN N

Ley de emisión radiactiva:

λConstante radiactiva o de desintegración representa la probabilidad que tiene un núcleoradiactivo de desintegrarse en la unidad de tiempo. Su unidad en el S.I. es el s –1.

Así si λ 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


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

Aλ N= ×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):

desintegración1 Bq 1

s=

Otras unidades: el curio (Ci) y el Rutherford (Rf)101 Ci 3,7 10 Bq= ×

61 Rf 10 Bq=

En el instante inicial la actividad es:0 0Aλ N= ×

(Es la actividad que corresponde a 1 g de radio)


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.

ln 2T

λ=

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

Su relación con la constante radiactiva es:0,693

Tλ

=

t

Núcleos presentes

0N

0N

2

0N

40N

8

T 2T 3T 4T

0N

16

Ver deducción


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

1τ

λ=

Tτ

ln 2=

Otras magnitudes características de la desintegración radiactiva (Cont.)

A partir del periodo de semidesintegración podemos escribir que:

ln 2T

λ= ln 2 1

λ

×= ln 2τ= ×


Cuadro-resumen de las magnitudes radiactivas

Magnitud Simbolo Significado Unidad SI Otras unidades

Constante radiactiva o de desintegración

λ

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

h−1 ; día−1 ; año−1

Actividad radiactiva o velocidad de desintegración

A

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

N = número de núcleos presentes

Becquerel (Bq)

Curio (Ci)Rutherford (Rf)

1 Ci=3,7·1010 Bq1 Rf= 106 Bq

Período de semide-

sintegración T

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

Vida media τ

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

s h , día , año

NA ⋅λ=

λ= 693,0

T

λ=τ 1

693,0

T=τ

1ss

1 −=



Muestra radiactivaInicial Final, después de un tiempo t

Núcleos presentes: oN N

Ley de emisión radiactiva:

λ toλ N λ N e− ×× = × ×

λ toA A e− ×= ×

λ tr 0 r

A A

N A N Ae

N N− ×× ×= ×

λ t0m m e− ×= ×

oA A

om m

λ toA A e− ×= ×

λ t0m m e− ×= ×

Actividad:

Masa :



Ejercicio 3 de la página 366:Datos: N =

λ t0N N e− ×= ×

N0 ; t = 1,54 días ;

a) Aplicamos la ley de emisión radiactiva:

7

8

Sustituimos el valor de N y de t: 0

7N

8 0N= λ 1,54e− ××

Tomamos logaritmos neperianos: 7

lnλ 1,548

= − ×

Despejamos la constante radiactiva: 1 7

λ ln1,54 8

= − × 10,087 día−=

Si el tiempo lo hubiésemos puesto en segundos, como 1,54 días = 133056 s, la constante radiactiva sería:

6 11 7λ ln 1,0 10 s

133056 8− −= − × = ×

b) El período de semidesintegración T se relaciona con la constante radiactiva λ por la expresión:

ln 2 ln 2T 8 días

λ 0,087= = =

También lo hemos podido calcular en segundos.

ln e×


Efectos biológicos y aplicaciones de la radiactividadGrado 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

γ β α α β γ

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 γ en 1 kg de materia orgánica

Aplicaciones

Medicina, Industria, Química, Agricultura, etc


El núcleo atómicoTodas 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 γ 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.


ÁTOMO


NÚCLEO


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.


Fuerzas nuclearesEl 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:

protón prtóng 2

núcleo

m mF G

r

×=

¿Cuál es el valor de la fuerza gravitatoria con la que se atraen los protones en el núcleo?:27 27

1115 2

1,673 10 1,673 106,67 10

(10 )

− −−

−

× × ×= × 341,867 10 N−= ×

protón prtóne 2

núcleo

q qF K

r

×=

¿Cuál es el valor de la fuerza eléctrica con la que se repelen los protones en el núcleo?:19 19

915 2

1,6 10 1,6 109 10

(10 )

− −

−

× × ×= × × 230,4 N=

Comparándolas, vemos que:341,867 10 N

230,4 N

−× 3610−;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.


▪ Es una fuerza de atracción entre nucleones, con independencia de su carga eléctrica

▪ Es una fuerza que actúa en todo tipo de partículas, aunque sus efectos son más apreciables en las partículas no sometidas a la interacción nuclear fuerte.

▪ Es la responsable de la cohesión del núcleo ▪ Es la responsable de la emisión β

▪ Es de corto alcance (10–15 m) ▪ Es de corto alcance (10–17 m)

▪ Se anula a distancias superiores a 10–15 m ▪ Se anula para distancias superiores a 10–17 m

▪ A distancias muy cortas ( menor que10–15 m) son repulsivas para evitar que el núcleo se colapse hacia dentro (impide que la materia se aplaste totalmente).

Es de carácter saturado: se satura con los núcleos próximos y aunque haya muchos núcleos en las proximidades no influyen en el aumento de la fuerza, al contrario que la fuerza gravitatoria, que no se satura.

▪ Son más intensas que cualquier otro tipo de fuerza: electromagnética, gravitatoria o nuclear débil

▪ Son más intensas que las gravitatorias pero menos que la electromagnética y la nuclear fuerte

La fuerza nuclear fuerte : La fuerza nuclear débil :



FUERZAS FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA

InteracciónIntensidad

Relativa AlcancePartícula Mediadora

(bosones)

Fuerte 1 Corto Gluón

Electromagnética 0.0073 Largo Fotón

Débil 10-9 Muy Corto Bosones W , Z

Gravitacional 10-38 Largo Gravitón ?


Energía de enlace

+

+

+

+

p nZ m (A Z) m× + − ×NM

En todos los núcleos de los átomos se cumple que:p nZ m (A Z) m× + − × > NM

La diferencia de masas es el defecto de masa Δm :

p n NΔm Z m (A Z) m M= × + − × −

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:

2ΔE Δm c= ×

Nucleones aisladosNúcleo

La masa de estas partículas:

La masa del núcleo:


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

ΔE

A(MeV)

Energía de enlace por nucleón en función del número másico

A


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

12 32 56 2386 16 26 92C S Fe U

Protones 6 16 26 92

Neutrones 6 16 30 146


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:

2ΔE Δm c= × 27 8 2 101,66 10 (3 10 ) 1,49 10 J− −= × × × = ×

101,49 10 J−× 1 eV×191,6 10 J−× 6

1 MeV

10 eV× 931 MeV=


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

ΔE 1,8176 u= 931 MeV

1 u× 1692,18 MeV=

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

ΔE 1692,187,5 MeV

A 226= =


Actividad 2:

Datos: ΔE/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.

5525 Mn

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:

12ΔE1,408 10 J

A−= × 12ΔE 1,408 10 J A−= × × 121,408 10 J 55−= × ×

11ΔE 7,774 10 J−= ×A partir de la ecuación de Einstein, calcularemos el defecto de masa:

2ΔE Δm c= ×2

ΔEΔm

c=

11

8 2

7,744 10

(3 10 )

−×=×

288,804 10 kg−= ×

1 u = 1,66 ·10 – 27 kg ;

Expresamos esa masa en u: 288,804 10 kg−× 27

1 u

1,66 10 kg−××

0,518 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


Reacciones nuclearesLas 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

14 4 17 17 2 8 1N He O H+ → +

Las reacciones nucleares son procesos de choque en los que se conserva:

27 4 30 113 2 15 0Al He P n+ → +

14 1 4 117 1 2 6N H He C+ → +

Otras reacciones nucleares:238 1 239 239 092 0 92 93 1U n U Np e−+ → → +

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: 14 4 1 177 2 1 8N ( He, H) O 14 17

7 8N (α,p) O

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)


Actividad 3 : Completa los números y los símbolos que faltan en las siguientes reacciones nucleares:

y 1 13 4x 0 6 2? n C ?+ → +

9 y 7 44 x 3 2? ? Li He+ → +

27 1 y 113 0 x 1Al n ? ?+ → +

238 2 y 192 1 x 0U ? ? ?+ → +

y 1 13 4x 0 6 2? n C He+ → +16 1 13 48 0 6 2? n C He+ → +16 1 13 4

8 0 6 2O n C He+ → +

9 y 7 44 x 3 2Be ? Li He+ → +9 2 7 44 1 3 2Be ? Li He+ → +9 2 7 4

4 1 3 2Be H Li He+ → +

27 1 y 113 0 x 1Al n ? H+ → +27 1 27 113 0 12 1Al n ? H+ → +27 1 27 113 0 12 1Al n Mg H+ → +

238 2 y 192 1 x 0U H ? n+ → +238 2 239 192 1 93 0U H ? n+ → +238 2 239 192 1 93 0U H Np n+ → +


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 α (Ley de Soddy)A A 4 4Z Z 2 2X Y He−

−→ +Esta reacción indica que cuando un núcleo padre (de símbolo X) con un número atómico Z y un número másico A emite una partícula α, 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 β (Ley de Fajans)A A 0Z Z 1 1X Y e+ −→ +

Esta reacción indica que cuando un núcleo padre (de símbolo X) con un número atómico Z y un número másico A emite una partícula β, 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.


1 1 00 1 1 en p eν−→ + +

1 1 01 0 1 ep n eν+→ + +

+

+

¿ Cómo del núcleo de un átomo pueden salir electrones?

+

+

+

eν = antineutrino electrónico

• No tiene carga • Su masa es 200 000 veces más

pequeña que la masa del electrón

+

+

+

Núcleo padre

A = 7

Z = 3Núcleo 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)


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:

A * AZ ZX Xγ→ +

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 γ

Reacciones nucleares y radiactividad (Cont.)

Ver familia P.NewtonNúmeros 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.

http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/radiactividad/serie.htm?5&0


95 93

4

2

Ejemplo de desintegración alfa


Ejemplo de desintegración alfa

Seaborgio RutherfordioEl subíndice de la derecha de color verde representa el número de neutrones.

106 104263 259

157 155 242Sg Rf He→ +Partícula alfa


1 2

0

–1

Ejemplo de desintegración beta


Ejemplo de desintegración beta

Carbono Nitrógeno

El subíndice de la derecha de color verde representa el número de neutrones.

6 714 1

e184 0

7C N eν−→ + +Electrón Antineutrino


Ejemplo de emisión de radiación gamma

Disprosio

66 66152 * 152

86 86Dy Dyγ→ +Rayos gamma


Ejemplo de desintegración beta +

Flúor Oxígeno

El subíndice de la derecha de color verde representa el número de neutrones.

9 818 1

e198 0

8F O eν+→ + +Positrón Neutrino


Fisión nuclear

235 1 236 142 92 192 0 92 56 36 0U n U Ba Kr 2 n+ → → + +

23692 U23592 U

14256 Ba

9236 Kr

10 n

10 n

10 n

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:


Fisión nuclear

235 1 236 141 92 192 0 92 56 36 0U n U Ba Kr 3 n+ → → + +

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 u931 MeV

1 u× 200,5 MeV=


Fisión nuclear

235 1 236 142 92 192 0 92 56 36 0U n U Ba Kr 2 n+ → → + +

Reacción en cadena


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


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21HNúcleo de (deuterio)

31HNúcleo de (tritio) Fusión de los núcleos

42 HeNúcleo de (helio)

10 n (neutrón)

2 3 4 11 1 2 0H H He n Energía+ → + +

+

+

++

+

+

++

Fusión nuclearLa 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)

931 MeV

1 u× 17,6 MeV=


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


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

http://es.wikipedia.org/wiki/Lista_de_part%C3%ADculas


Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales (Cont.)

Leptones Hadrones

Sienten la interacción nuclear fuerteNo sienten la interacción nuclear fuerte

• Son partículas elementales

• Hay seis tipos:

◘ el electrón e–

◘ el muón μ

◘ el tauón τ

◘ el neutrino del electrón νe

◘ el neutrino del muón νμ

◘ el neutrino del tauón ντ

• 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 π o piones (π0 , π+ , π– )

◘ mesones K o kaónLista 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

http://es.wikipedia.org/wiki/Lista_de_mesones

http://es.wikipedia.org/wiki/Anexo:Tabla_de_bariones

http://lectureonline.cl.msu.edu/~mmp/applist/q/q.htm




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 pneutrón n antineutrón n

neutrino ν antineutrino ν


Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales (Cont.3)


Partículas subatómicas y fuerzas fundamentalesTodas 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 esapreciable cuando unode los cuerpos tiene granmasa, 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


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Partículas elementales en Física

Fermiones Bosones de Gauge

Quarks Leptones Bosones W y Z Fotón Gluón

Arriba Encantado Cima Electrón Muón Tau Bosones hipotéticos

Abajo Extraño Fondo e-neutrino μ-neutrino τ-neutrino Gravitón Bosón de Higgs

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Antineutrino"

Fermión Símbolo Masa

Familia del electrón

Neutrino electrónico < 2.5 eV

Antineutrino electrónico < 2.5 eVFamilia del muón

Neutrino muónico < 170 keV

Antineutrino muónico < 170 keVFamilia del tau

Neutrino tauónico < 18 MeV

Antineutrino tauónico < 18 MeV

VOLVER

http://es.wikipedia.org/wiki/Fermi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_de_campo_de_gauge



http://es.wikipedia.org/wiki/Quark

http://es.wikipedia.org/wiki/Lept%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Bosones_W_y_Z

http://es.wikipedia.org/wiki/Bosones_W_y_Z

http://es.wikipedia.org/wiki/Fot%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Glu%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Quark_arriba

http://es.wikipedia.org/wiki/Quark_encantado

http://es.wikipedia.org/wiki/Quark_cima

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Mu%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Tau_(part%C3%ADcula)

http://es.wikipedia.org/wiki/Bos%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Bos%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Quark_abajo

http://es.wikipedia.org/wiki/Quark_extra%C3%B1o

http://es.wikipedia.org/wiki/Quark_fondo

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n-neutrino


Premio Nóbel de Física 1903 Premio Nóbel de Física 1903 Premio Nóbel de Física 1903

Premio Nóbel de Química 1911

VOLVER

Marie Sklodowska Curie Antoine Henri Becquerel Pierre Curie


oNN

2=

Para una muestra radiactiva que inicialmente tiene N0 núcleos , cuando ha transcurrido un periodo de semidesintegración T , se cumple que:

● el número de núcleos presentes N es :

t T=● el tiempo transcurrido t es :

λ t0N N e− ×= × Aplicamos la ley de emisión radiactiva:

Sustituimos el valor de N y de t y simplificamos:

Tomamos logaritmos neperianos: 1

lnλ T2

= − ×

Finalmente, despejamos la constante radiactiva: ln 2λ

T=

ln e×

= 1

ln 2λ T− = − ×ln 2λ T+ = + ×

0,693λ

T=

VOLVER

λ T0 0

1N N e

2− ×= ×

λ T1ln ln e

2− ×=



Reacciones nucleares frente Reacciones químicas

Reacción nuclear = Transformación de un núclido en otro

Reacción nuclear

Se producen nuevos elementos

Cambios de energía muy grandes (1 g 235U = 8.2 x 107 kJ)

Depende del tipo de isótopo

Reacción Química

No se producen nuevos elementos

Cambios de energía moderados

(combustión de 1 g CH4 = 52 kJ)

No depende del isótopo

Reacción química = Transformación de unas sustancias en otras


Poco después de que se descubriera los rayos X, en 1895; Antoine Henri Becquerel (1852-1908) mostró un fenómeno que no era explicable de acuerdo con el modelo inmutable que se tenía de los átomos. Había observado repetidas veces que unas placas fotográficas envueltas en papel negro junto a un cierto mineral (que luego sería denominado pecblenda), se habían ennegrecido (se habian velado). Esto sucedía de un día para otro, es decir en un tiempo relativamente cortos, lo que hacía suponer que el cambio se debía a un agente externo. No podía entrar luz a las placas, y éstas no habían sido calentadas. Tampoco podían haber sido afectadas por algun agente químico. Al revelar la placa apareció que algún rayo emitido por el mineral debía haber penetrado a través del papel.

Pero, ¿cómo había sucedido esto? El peso de la evidencia, tras mucho repetir la operación, llevó a la conclusión que existía "algo" producido o emitido por la pecblenda, que atravesaba la gruesa protección de las placas fotográficas de la época y las impresionaba igual que cuando se sacaba una fotografía exponiéndolas a la luz visible común. De este modo Becquerel descubrió la radiactividad. Posteriormente, mostraría que los rayos provenientes del uranio podían ionizar el aire y también eran capaces de penetrar a través de láminas metálicas delgadas.

En 1898, Marie Sklodowska Curie (1867-1934), con su esposo Pierre Curie (1859-1906), dirigió sus investigaciones a la radiactividad. En poco tiempo el matrimonio Curie descubrieron dos elementos nuevos, el polonio y el radio, ambos radiactivos. Para confirmar su trabajo sobre el radio, procesaron una tonelada de residuos de pecblenda, para obtener 0.1 g de cloruro de radio puro, que usaron para efectuar más

estudios sobre las propiedades del radio y determinar su masa atómica.

1 . HENRI BECQUEREL

2 . MADAME CURIE


Ernest Rutherford, en 1899, comenzó a investigar la naturaleza de los rayos emitidos por el uranio. Encontró dos tipos de rayos, a los que llamó rayos alfa y beta. Pronto se dio cuenta que el Uranio, al emitir estos rayos, se transformaba en otro elemento. A la altura de 1912 se conocían ya más de 30 isótopos radiactivos y hoy se conocen mucho más. Paul Villard descubrió en 1900, los rayos gamma, un tercer tipo de rayos que emiten los materiales radiactivos y que es semejante a los rayos X. De acuerdo con la descripción del átomo nuclear, Rutherford se atribuyó el fenómeno de la radiactividad a reacciones que se efectúan en los núcleos de los átomos.

3 . ERNEST RUTHERFORD


Medida de la radiactividad

Se propuso el roentgen como unidad para cuantificar la exposición a la radiactividad.El Roentgen se definió midiendo la ionización del aire atravesado por una radiación.

Pero es importante conocer no sólo el número de partículas emitidas sino también la energía total que tienen y la energía cedida en un recorrido a través de la materia.

Como la medida de los valores de exposición sólo puede hacerse en gases y se deseaba tener una manera de medir los efectos biológicos y físicos de la radiación sobre la materia viva, se definió la dosis absorbida.

Inicialmente los primeros investigadores que estudiaron la radiactividad midieron solamente la actividad de la muestra. La actividad física, utilizando el becquerel, el rutherford y el curio.

Una unidad de este tipo se puede aplicar a la medida de todas las radiaciones: radiación cósmica, partículas procedentes del espacio, ultravioleta, rayos X, rayos gamma, radiación natural de la Tierra, etc. Debes saber que las dos terceras partes de la dosis de radiación ionizante recibida por un hombre europeo corresponde a la radiactividad de origen natural (del espacio y del Sol) y una cuarta parte a las irradiaciones por servicios médicos (rayos X )

Unidades de exposición

Una radiación es de 1 Roentgen cuando el aire expuesto a ella se ioniza con un carga eléctrica total de 2,58 •10 – 4 culombios por kg de aire (medido en condiciones normales).

Unidades de absorción

(Opcional)


Medida de la radiactividad (Cont.)Se definen el rad y el gray como:

En el S.I la dosis de radiación absorbida es el gray = J/kg. Su equivalencia es: 1 gray = 100 rad.

1 rad (radiation absorbed dose) equivale a 10 –5 J absorbidos por cada gramo de materia expuesta.

Dosis equivalentes

Para matizar la "calidad" de la radiación absorbida, la unidad definida a partir de la energía se multiplica por una constante “q”.

Los valores de “q” son: q =1 para las gamma y beta; q =3 para neutrones térmicos; q =10 para las alfa y neutrones pesados; q =20 para iones pesados; etc. Por lo tanto la radiación absorbida (dosis absorbida) multiplicada por el factor q dará una dosis equivalente en cualquier tipo de radiación.

Se define el rem como la radiación de 1 rad exclusivamente de radiación gamma; o la radiación de 0,1 rem de radiación alfa. rem = rad•q

Para medir la dosis equivalente de radiación se introducen el Rem (Roetgen equivalent for man) y Sievert (Sv).

En el S.I se define el Sievert (sv) = 100 rem (gamma) Sievert (sv) = 1 gray de radiación gamma.Sievert (sv)= 1 gray ·q

(Opcional)


Los valores de “q” son: q = 1 para las gamma y beta

q = 3 para neutrones térmicos

q = 10 para las alfa y los neutrones pesados

q = 20 para iones pesados, etc

Las dosis absorbida puede referirse a todo el cuerpo o a un órgano en concreto; se pueden referir a una dosis puntual o expresar la suma de las dosis acumuladas en un periodo de tiempo.

La dosis de radiación ionizante en Francia (país con numerosas centrales nucleares) es de 3,5 miliSievert año por habitante (2,4 mSv de la natural y 1,1 mSv de la artificial). Una exposición prolongada de todo el cuerpo a 5 Gray es mortal para el 50% de las personas. En radioterapia se realizan sesiones de 2 a 3 Gray cuatro días a la semana sobre una parte del organismo.

(Opcional)Medida de la radiactividad (Cont.2)

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