Física “Moderna”

Introducció: fisicanuclear.swf

RADIOACTIVITAT

Més…Qüestions descobertes que no tenien

resposta fins al moment

El físic francès Henry Becquerel

(1852–1908) l'any 1896 estudiava la

fluorescència (emissió de llum que

donen certes substàncies quan són

il·luminades).

un dia que deixà la placa fotogràfica

embolicada amb paper i damunt la

sal d'urani dins un calaix trobà la

placa fotogràfica velada.

Com que no podia ser fluorescència

havia de ser una radiació generada

per la sal d'urani.

ELS PIONERS

• >Wilhelm C. RÖNTGEN: Descubreix els Raigs X (1896).

• Nobel de Física 1901.

• >Henry BECQUEREL, Pierre CURIE, Marie CURIE-(Sklodowska)

• Nobel de Física 1903 p el descubrimient de la radiactivitat en minerales d' Urani (1896-1898).

• > Ernest RUTHERFORD: Raigs alfa. Nobel de Química 1908

• > Marie CURIE: El Radi i el Poloni. Nobel de Química 1911

L’existència de la radioactivitat, només pot explicar-se

si suposem que dins de l’àtom n’hi ha partícules més

petites que els propis àtoms.

Tipus d'emissions naturals

Els estudis que realitzà Rutherford

demostraren que hi havia varis tipus de

radioactivitat natural:

1. Raigs α

Ionitzen molt l'aire que travessen (arrabassen electrons de

les molècules de N2

i d'O2), per tant són partícules; són

absorbits per una làmina de paper (els és difícil travessar la

matèria) i dins d'un camp magnètic es desvien poc (tenen

molta massa) i ho fa com les càrregues positives.

S'anomenen partícules α i són nuclis d'He (He2+

).

Tipus d'emissions naturals

2. Raigs β

Ionitzen l'aire, per tant són partícules; tenen

un poder de penetració 100 vegades major

que els raigs α (són retinguts per plaques

metàl·liques) i dins d'un camp magnètic es

desvien com les càrregues negatives i molt

(tenen poca massa). S'anomenen partícules

β i són electrons.

Posteriorment el físic francès Paul Villard (1860–1934) demostrà

l'existència d'un altre tipus de radiació:

3. Raigs γ

No ionitzen l'aire (no són partícules) ni es desvien amb els camps

magnètics, per tant no tenen càrrega elèctrica. Són molt penetrants i només

es poden absorbir amb plaques de Pb molt gruixudes. Són radiacions

electromagnètiques d'alta freqüència.

COMPOSICIÓ DE LA MATÈRIA

• MOLÈCULES: agrupació d’àtoms.

• ÀTOMS:– Escorça: electrons

• Àtom neutre: mateixa quantitat de protons i electrons.

• Ió: és un àtom que ha guanyat o perdut electrons.

– Nucli.

• NUCLI:

– Dos partícules fonamentals:• Protons

• Neutrons

– Nucleó: partícula del nucli.

Propietats del nucli atòmic

forma la part central dels àtoms.

Està format per protons i neutrons.

Les seves dimensions típiques són de l’ordre de 10-14 m,

molt inferior al diàmetre dels àtoms (10-10 m). Tenen una

forma aproximadament esfèrica

Els protons tenen una càrrega elèctrica de +1.602177·10-

19C i una massa de 1.672623·10-27kg (1.007276u).

Els neutrons no tenen càrrega elèctrica i la seva massa és

lleugerament superior 1.674929·10-27kg (1.008665u).

En conjunt s’anomenen nucleons.

El número de protons del nucli és el nombre

atòmic, Z.

Tots els àtoms d’un element químic tenen el

mateix número atòmic.

La suma del número de protons i de neutrons és

el nombre màssic, A

•Mol és la quantitat de matèria d’un sistema

que conté 6.0221367·1023 partícules (nombre

d’Avogadro)

•Unitat de massa atòmica unificada (u o uma) és

la dotzena part de la massa d’un àtom de carboni-

12.

•Un gram és igual a 6.0221367·1023 uma.

•Massa atòmica relativa d’un àtom o massa isotòpica és

la massa d’un àtom de l'isòtop respecte de la dotzena part de

l’àtom de 12C .

•Massa atòmica relativa d’un element o pes atòmic Ar, és la mitjana ponderada de les masses atòmiques relatives

dels isòtops que constitueixen l’element.

•Massa molecular relativa d’un compost o pes

molecular Mr, és la mitjana ponderada de les masses

atòmiques relatives dels isòtops que constitueixen el

compost.

•Isòtops són àtoms amb el mateix nombre atòmic però

diferent nombre màssic, per exemple l’oxigen que té tres

isòtops en la naturalesa :16O (99.762%); 17O(0.038%) i 18O(0.200%).

• Isòbars són nuclis amb el mateix nombre màssic. (A)

• Simbolitzem la massa atòmica i la massa nuclear com:

'A A

Z ZM X M X

2 2 2'A A

Z Z e eM X c M X c Zm c B Z

La relació entre aquestes masses és:

Sovint és pot negligir l’últim terme, en ser molt més petit que

els altres (me= 9.109390·10-31kg, 5.485799·10-4u)

ESTABILITAT NUCLEAR

• NUCLIS ESTABLES:

– Són aquells nuclis que no pateixen cap transformació

de manera natural.

• NUCLIS INESTABLES:

– Són nuclis que tenen una tendència natural a

descompondre’s en nuclis diferents emeten partícules i

energia.

• BANDA D’ESTABILITAT: Z<83

– En la taula periòdica, fins a Z=30, el nombre de protons

coincideix amb el nombre de neutrons: Z=N.

– Per a Z>30, augmenta el nombre de neutrons en

proporció al de protons: N>Z.

– Els neutrons donen estabilitat al nucli.

• BANDA D’INESTABILITAT: Z>83

– A partir de Z>83, els nuclis són inestables i ja

no és possible, augmentant el nombre de

neutrons, l’estabilitat entre la força nuclear i la

força de repulsió electrostàtica entre els

protons del nucli.

– Els nuclis inestables són nuclis radioactius

naturals.

– Aquest nuclis inestables tenen com a

propietat l’emissió de manera espontània de

radiació.

RADIOACTIVITAT NATURAL

• RADIOACTIVITAT veure radioactivitat7.swf

– És l’emissió per part del nucli de partícules o energia.

• RADIACIÓ RADIOACTIVA:– És el conjunt de partícules emeses per una mostra

radioactiva.

• TIPUS DE RADIACIÓ:– PARTÍCULES α

– PARTÍCULES β• β-

• β+

– RADIACIÓ

PARTÍCULES α

• Les partícules α són nuclis d’heli:

• Quan un nucli emet una patícula α, el nombre màssic

disminueix en 4 i el nombre atòmic en 2:

24He

4

2He

222

86

226

88

4

2He

4

2

+RnRa

+YX A

Z

A

Z

CARACTERÍSTIQUES DE LES

PARTÍCULES α

• Poder de penetració petit (full de paper), perquè son grans.

• Elevat poder d’ionització.

• Contaminació elevada i danys biològic.

• Quan ha perdut gairebé tota la seva energia (velocitat petita), atrapa un parell d’electrons i es converteix en heli.

24He

PARTÍCULES β-

• Les partícules β- són electrons:

• Quan un nucli emet una patícula β-, el nombre màssic es manté invariable i el nombre atòmic augmenta en 1:

• Internament el que passa és que un neutró es transforma amb un protó

−10e

ep+n 0

1

1

1

1

0

e

e

A

+Z

A

Z

ν+e+NiCo

ν+e+YX

0

0

0

1

60

28

60

27

0

0

0

11

PARTÍCULES β+

• Les partícules β+ són positrons:

• Els positrons són electronspositius (són l’antipartícules delsl’electrons)

• Quan un nucli emet una patículaβ-, el nombre màssic es mantéinvariable i el nombre atòmicdisminueix en 1:

• Internament el que passa ésque un protó es transforma ambun neutró.

10e

eY+X A

Z

A

Z

0

11

en+p 0

1

1

0

1

1

CARACTERÍSTIQUES DE LES

PARTÍCULES β+ i β-

• Són partícules molt petites.

• Poden penetrar un gruix d’uns quants mil·límetres.

• La seva trajectòria no és lineal

• A velocitats petites, es recombina amb un àtom.

• Contaminació amb dany biològic i mediambiental.

CAPTURA ELECTRÒNICA K

• No és cap radiació del nucli, però la reacció nuclear és semblant.

• Un electró de la primera òrbita (k) és capturat pel nucli.

• Internament el que pasa és que un protó, al capturar l’electró, es transforma amb un neutró.

• el nombre màssic es manté invariable i el nombre atòmic disminueix en 1:

nep+ 1

0

0

1

1

1

YeX+ A

Z

A

Z 1

0

1

Cal adonar-se que en aquests processos hi ha un canvi de

identitat dels nucleons i es pot donar en qualsevol element i,

fins i tot, en un neutró aïllat.

El nucli resultant té el mateix número màssic que l’original

però ha canviat el seu número atòmic

1 1 0

0 1 1n p p n p e n

espontani No espontanis

En aquesta desintegració a més s’emet un neutrí () o

antineutrí.

RADIACIÓ

• El nucli emet energia en forma d’ona electromagnètica.

• Normalment després d’emetre una partícula β- el nucli queda

excitat.

• Es desexcita emeten un fotó: E=h.

• nombre màssic i el nombre atòmic es mantenen invariables.

• La reacció nuclear associada és:

γ+XX *

CARACTERÍSTIQUES DE LA

RADIACIÓ

• Té un gran poder de penetració: pot travessar

alguns centímetres de materials molt densos (plom).

• El seu poder d’ionització no és tant elevat.

• Té importància en irradiació i contaminació

mediambiental.

El tub Geiger-Muller és

un detector gasós en el

que un parell

d’electrodes recullen

parells electrón-ió

produits per la radiació

ionizant en els átoms i

molèculess del gas.

TUB GEIGER-MÜLLER

DETECTORS DE RADIACIÓ

Radiacions ionitzants: beneficis i riscos

• definició i propietats

• ionització de la matèria viva

• mesura de la radiació absorbida

(Gray i Sievert)

Radioactivitat naturalDescoberta per Becquerel a finals del segle XIX.

S’anomena així a totes les radiacions que venen de

fonts naturals:

-de la Terra

-dels raigs còsmics.

La Terra es va formar fa uns 4700 milions d’anys.

Tots els nuclis inestables de període de semidesintegració curt

ja s’han desintegrat fa temps i no han arribat a l’actualitat.

Ara bé els nuclis de períodes molt llargs si que han arribat a

l’actualitat i originen la major part de la radiació d’origen

terrestre.

30

Radionúclids cosmogènics:

Els raigs còsmics primaris procedents del sol, estrelles i espais

interestel·lars interaccionen amb els nuclis de l’alta atmosfera

(15 km aproximadament) donant lloc a nuclis radioactius i

partícules secundàries.

Principals radionúclids

creats pels raigs còsmics

Anem a posar alguns números.

Una persona “normal” emet entre 2000 i 3000 Bq provinents majoritàriament

del carboni-14 i del potassi-40 que porta en el seu cos.

Un mineral d’urani corrent (10% d’urani en massa) emet de l’ordre de

3.5·10-6 Ci/kg.

Les fonts utilitzades en gammagrafies entre 100 mCi i 1 Ci.

Les bombes de cobalt-60 per radioteràpia entre 2 i 5 kCi.

Les bombes de Hiroshima i Nagasaki, 1 minut després de l’explosió, 2·1012

Ci.

Sovint interessa la dosis de radiació absorbida, es mesura en Gray, 1 Gray =

1J/1kg.

No totes les radiacions produeixen el mateix efecte biològic. Llavors es

defineix la dosis equivalent, que és la dosis absorbida en un òrgan o teixit

ponderat en funció del tipus de radiació i que es mesura en Sievert (Sv)

RADIACTIVITAT NATURALEl Radó és una de las principals substàncies que

contribueix a la dosi que rebem de manera natural.

El Radó es un gas noble que es filtra hasta el interior de

nuestras casas desde el subsuelo sobretot d¡origen

granític

DOSIS MEDIA ANUAL PROVENIENTE DE RADIACIÓN NATURAL

Au

stria

Irlan

da

Italia

Lu

xem

bu

rgo

Ho

lan

da

No

rueg

a

Po

rtug

al

Esp

añ

a

Su

iza

UK

Au

stra

lia

Din

am

arc

a

Fin

lan

dia

Fra

ncia

Ale

man

ia

Gre

cia

Bélg

ica

Su

ecia

Rayos Cósmicos Gamma (Fuera) RadónGamma (Dentro)

EFECTES BIOLÒGICS DE LA

RADIACIÓ

• Altera el bon funcionament de les cèl·lules: les

ionitza.

• Les conseqüències sobre l’organisme:

• Somàtiques (si afecta a cèl.lules no

reproductives) pot originar càncer

Si l’intensitat és dèbil, o de curta durada, pot afectar

les cèl·lules sense destruir-les del tot i aleshores

elles mateixes tenen la capacitat de regenerar-se

• Genètiques. Si la radiació afecta a les cèl.lules

reproductives pot afectar al material genètic

produint mal formacions en els descendents

27 30

13 15Al Pa X b Y n

Radioactivitat artificial

És la radioactivitat que ve de fonts artificials o

antropogèniques. Actualment es “fabriquen” molts isòtops

radioactius que s’utilitzen en medicina, indústria o investigació.

Molts d’ells es fan servir com traçadors. Incorporats a una

molècula permeten seguir-la i veure quines modificacions té,

on s’acumula,...

Una de les primeres reaccions nuclears provocades va

permetre descobrir el neutró

De la fissió i la fusió nuclear en parlarem més

endavant

Llei de la desintegració radioactiva

Llei de la desintegració radioactiva

La desintegració d’un nucli inestable és un fenomen totalment

imprevisible que segueix lleis estadístiques.

És a dir podem saber quants nuclis inestables d’una mostra gran es

desintegraran en un període de temps determinat, però no sabem quins

nuclis ho faran.

La llei de la desintegració

segueix una equació del tipus:

N(t) = N0·e-t

On és la constant de desintegració radioactiva

pròpia de cada nucli,

N0 el número inicial de nuclis presents en la mostra,

i N(t) el número de nuclis present després d’un temps t

39

A la pràctica els nuclis radioactius

el període de semidesintegració T. És el temps que ha de

passar perquè es desintegri la meitat dels nuclis presents en

una mostra.

T = ln2 /

Una magnitud equivalent que es fa sevir menys és la vida

mitjana . És el temps que ha de passar perquè el número de

nuclis d’una mostra es redueixi en un factor e. Amb aquesta

definició = 1/

L’activitat d’una mostra es pot trobar multiplicant el número

de nuclis per la seva constant

A(t) = N(t)·

L’activitat és mesura en Becquerel (1 Bq = 1desintegració/s)

o en Curies (1 Ci = 3.7·1010Bq). L’activitat específica és

l’activitat per unitat de massa

Estabilitat nuclear

• Força nuclear forta versus força

electromagnètica

• Energia d’enllaç o defecte de massa

E=mc2

• Gràfica d’estabilitat dels nuclis

• Reaccions nuclears. Sèries radioactives

Estabilitat nuclear

L’estabilitat d’un nucli atòmic és el resultat de la suma de dues

forces oposades.

Per una banda tots els protons tenen càrrega positiva, i per

tant es refusen entre ells degut a forces electromagnètiques.

D’altra banda tots els nucleons s’atrauen entre si per la força

nuclear forta. Aquesta és més intensa que les forces

electromagnètiques però el seu abast és molt curt i en canvi el

de les forces electromagnètiques és infinit

Si predominen les atraccions el nucli serà estable, però si la

diferència entre atraccions i repulsions és petita el nucli no

serà suficientment estable i es desintegrarà. Aquest nucli serà

radioactiu

'A A

Z p n ZM X Zm A Z m M X

Introduint la massa de l’electró podem utilitzar la massa

atòmica de les taules. Aquest defecte de massa pot donar-

se en unitats de massa, però més sovint es dóna en unitats

d’energia, fent servir l’equació de la relativitat

E = ∆M·c2

Aquesta energia s’acostuma a donar dividida per A per tenir

l’energia d’enllaç per nucleó i poder fer comparacions

Quantitativament podem mesurar l’estabilitat dels nuclis

amb el seu “defecte de massa”. És a dir la diferència entre

la massa del nucli i la suma de les masses dels seus

nucleons

Aquesta gràfica

mostra la relació entre

el nombre de protons i

el de neutrons en els

nuclis estables.

És fàcil entendre que

en els nuclis grans la

proporció de neutrons

haurà de ser més

gran. La majoria de

nuclis estables tenen

números parells de

protons i neutrons,

només uns pocs

tenen números

senars.

45

Actualment no sabem com és

realment un nucli atòmic. Tenim dos

models que expliquen algunes de

les propietats dels nuclis.

El Model de la gota treballa el nucli

com si fos una gota de fluid

incompressible. És un model molt

senzill però explica una part

important de les propietats dels

nuclis, en particular de la fissió i

fusió.El Model de capes Col·loca els nucleons en capes, com els

electrons al voltant del nucli. Però la diferència és important i

encara estem lluny d’un model satisfactori

46

47

Sèrie 4n del toriObserveu que cada emissió

comporta una disminució en 2

unitats de Z i de N.

Observeu que tots els

elements de la sèrie 4n són

divisibles de 4.

Les altres sèries també

segueixen aquesta propietat.

La línia discontínua és la línia

d’estabilitat i n’observem les

desintegracions de la sèrie per

tal de mantenir la relació de

protons i neutrons marcada

per aquesta línia.

Les energies de les partícules

d’aquestes sèries naturals

tenen una energia que va de 4

a 7 MeV.

Fissió nuclear

• Centrals nuclears de fissió

• Armes nuclears: bombes A

• Residus nuclears

FISSIÓ NUCLEAR

• Un nucli pesat es trenca en dos nuclis al

bombardejar-los amb neutrons que tenen una

energia de l’ordre de 1MeV.

BOMBES NUCLEARS

• Cronologia històrica:

– Any 1944: en la base militar de “Los Àlamos (Nuevo

Méjico)” Texas es reuneixen el científics per

estudiar el nucli i fer proves.

– 16 de juliol de 1945: prova termonuclear en el

desert .

– 6 d’agost de 1945: bomba d’urani sobre Hiroshima.

– 9 d’agost de 1945: bomba de plutoni sobre

Nagasaki.

– 10 d’agost de 1945: el Japó es rendeix.

POTÈNCIA DE LES BOMBES

NUCLEARS

• La potència d’una bomba nuclear s’expressa

en kilotons (kt) o megatons (mt):

– Tonelades de l’explosiu més fort convencional: la

TRILITA (trinitrotoluè)

• La bomba de Hiroshima: 20 kt

• Han anat augmentant la potència: 100

kt.....500 kt

• Bomba “H”: 20 mt

EFECTES BOMBA HIROSHIMA

distància velocitat danys materials personals (m) vent (km/h) – 750 800 destrucció destrucció

total total– 1250 450 destrucció murs 50% morts

fins a 50 cm entre 2 i 12 set.– 1600 300 esquerdes murs cremades de

de formigó 3r grau– 2400 160 grans desperfectes cremades de

en els edificis 2n grau– 3300 80 sostres arrencats cremades de

1r grau • Desperfectes materials de menor importància fins a 12.000 m.

Video: uranio y

radioactividad

Fusió nuclear

• Energia del Sol

• Centrals nuclears de fusió: el projecte

ITER

• Armes nuclears: la bomba H

FUSIÓ NUCLEAR

• Es fan col·lisionar dos nuclis lleugers a gran velocitat

fins a aconseguir un nucli més gran i energia.

• Per aconseguir la fisió cal escalfar els àtoms fins a

temperatures de centenars de milions de graus

centígrads.

• A aquestes temperatures els àtoms s’ionitzen

totalment perdent tots els seus electrons. És el

plasma.

D:\Fisica en context 2 BTX\3 fisica moderna\fusion.swf

FUSIÓ NUCLEAR

• La majoria dels experiments de fusió es fan per

confinament del plasma en un camp magnètic.

• L’energia s’obté del defecte de massa:

– La massa del nucli més passat és més petita que la

massa dels nuclis abans de fusionar-se.

– Aquesta massa s’ha transformat en energia:

E=Δm.c2.

• El sol i les estrelles son immenses centrals de fusió:

– El deuteri i el triti es transforma en heli.

E+nHe+HH+ 1

0

4

2

3

1

2

1

La fusión nuclear se produce

cuando dos núcleos de

elementos ligeros (como el

hidrógeno) se fusionan para

dar lugar a elementos

pesados, desprendiendo una

enorme cantidad de energía.

La diferencia entre la suma de

las masas individuales de los

nucleones y la masa del

núcleo es igual a la energía de

enlace: (E=m.c2)

El ITER es un proyecto de colaboración internacional para el desarrollo de

la fusión nuclear en el que están trabajando científicos e ingenieros de

Canadá, Europa, Japón y Rusia.

El proyecto ITER tiene como objetivo estudiar la viabilidad tecnológica de la fusión nuclear como fuente energética.

Se producíría la fusión por confinamiento magnético: Tokamat

El plasma se calienta y se mantiene confinado en una cámara de vacío de forma toroidal.

En el ITER unas bobinas magnéticas superconductoras situadas alrededor del recipiente toroidal confinan y controlan una mezcla de partículas cargadas – el plasma – e inducen una corriente eléctrica a través de ella.

Las reacciones de fusión tienen lugar cuando el plasma está suficientemente caliente, es suficientemente denso y contiene durante suficiente tiempo los núcleos atómicos en el plasma para que empiecen a fusionar.Para conseguir sus objetivos el ITER será mucho más grande que el mayor tokamak existente y su rendimiento de fusión esperado será varias veces mayor.

Potencia total de fusión: 500 MW

Mayor radio del plasma: 6.2 m

Menor radio del plasma: 2.0 m

Corriente del plasma: 15 MA

Campo magnético toroidal: 5.3 T

Volumen del plasma: 837 m3

Superficie del plasma: 678 m2

http://www.iter.org/

http://www-fusion.ciemat.es/fusion/iter/itergrafico.html

http://www.cdti.es/webCDTI/esp/docs/cern/Introduccion_Iter.PDF