Isótopos. Tema 7: M ateria y Radiación. electrones. O tros isótopos:

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1 Tema 7: M ateria y Radiación Isótopos protón Núcleo atómico diámetro metros 99.9% de la masa del átom o electrones N úm ero m ásico: total neutrones y protones O rbitales electrónicos diámetro metros Número atómico: total protones o, lo que es lo mismo, de electrones H idrógeno: H deuterio: 1H tritio: 3 1 H Abundancia: 98.99% 0.01% 0.00% Masa: Masa del protón: g/mol del : g/mol Masa del núcleo menor que suma de masas de protones y neutrones La masa que falta es la energía de enlace del núcleo E=mc O tros isótopos: Número másico A Número atómico Z 1 C % 1.07% >0.01% C C O 99.76% O 0.0% 8 8O 0.0% Cl 75.8% 17Cl.% Número de neutrones A-Z Núcleos estables Hacen falta más neutrones que protones para estabilizar los núcleos pesados recta de igual número de neutrones y protones * Elem entos radiactivos naturales: con isótopos inestables que intervienen en las series radiactivas naturales * Número de protones Z * * * * especialm ente im portantes Alfa Beta Inestabilidad de los núcleos: radiactividad Los isótopos inestables (naturales o artificiales) sufren transformaciones y emiten partículas y radiación: rayos alfa, beta, gam m a, X, neutrones, neutrinos, y otros Rayos X Alum inio Plom o H orm igón Tipos básicos de decaim iento radiactivo Decaim iento alfa: un núcleo pierde una partícula alfa Ejemplo de decaimiento alfa 0 9Pu 36 9 U + He partícula alfa Gamma Neutrones Neutrinos partícula α = He Una partícula α es un núcleo de Helio 1

2 Tipos básicos de decaim iento radiactivo Decaimiento beta positivo: un protón del núcleo se convierte en Protón Ejemplo de decaimiento β Pa + positrón + neutrino neutrino 30 Tipos básicos de decaim iento radiactivo Decaimiento beta negativo: un del núcleo se convierte en protón protón + electrón + antineutrino Ejemplo de decaimiento β 8 88Ra antineutrino 8 89Ac partícula β + (o positrón e + ) El positrón tiene la misma masa que el electrón pero carga opuesta partícula β (o electrón e ) Una partícula β es un electrón Tipos básicos de decaim iento radiactivo Decaimiento gamma: un núcleo excitado emite un fotón gamma y vuelve a su estado fundam ental o basal Ejemplo de decaimiento γ 0 9Pu* 0 9Pu EJERCICIO Indicar el tipo de decaimiento que tiene lugar en los siguientes procesos radiactivos e indicar las partículas que se emiten en cada caso 1 6C 18 9F Sg 1 7N 18 8O Rf γ partícula γ : radiación electrom agnética de alta energía Una partícula γ es un fotón 1 83Bi 86Rn 1 8Po 18 8Po Número de átomos del elem ento radiactivo El decaim iento radiactivo es exponencial caracterizado por la vida m edia del elem ento N 0 N 0 τ N = N 0 e -k t Vida media: τ = ln k Tiempo en que la mitad de los átomos han decaído tiem po Las series radiactivas naturales Serie del Uranio-38: 38 9U Serie del Torio-3: 3 Serie del Uranio-35: 39 9Pu Ra 35 9U Serie del N eptunio-37: 37 93Np 33 91Pa decaimientos decaimientos decaim ientos decaimientos 06 8Pb 08 8Pb 07 8Pb 09 83Bi

3 Serie del Torio-3: Serie del Uranio-38: Serie del Uranio-35 (poco abundante): Serie del Neptunio-37 (ya inexistente en la Tierra): Radiactividad natural: el problem a de gas Radón Serie del Uranio-38: 86Rn 18 8Po + partícula α 86Rn es un GAS con una vida media de unos días que difunde a la atmósfera y se almacena en los espacios cerrados (por ej. en las viviendas) No es peligroso salvo si se respira, ya que se almacena en los pulmones donde libera partículas α Se estim a que la irradiación por Radón constituye el 50% de la total a la que está expuesto el ser humano a lo largo de su vida. Se piensa que es la segunda cusa de cáncer de pulmón tras el tabaco. Irradiaciones radiactivas: unidades y dosis tolerables Cantidad de radiación producida: 1 Becquerel: radiación producida por 1 decaim iento/segundo α, γ 1 Becquerel = Ejemplo: 3 9U 30 1 partículas α y γ /segundo Dosis efectiva de energía acumulada por unidad de masa: D 1 Gray: irradiación de 1 Julio por kilogramo de masa Dosis biológica equivalente: H = D W T W R 1 Sievert: dosis efectiva (J/kg) multiplicada por factores de ponderación según la radiación producida W R y el tejido u órgano afectado W T (se suman todos los tejidos y radiaciones). El lím ite de exposición permitido es de Sv/año. 1 rem: 0.01 Sievert (unidad no S.I., pero que se usa a menudo) W R = 0 (partícula α), 5-0 (neutrones), 1 (rayos X, γ, part. β) W T = 0. (glándulas sexuales), 0.1 (médula ósea, colon, pulm ón, estómago), 0.01 (piel, huesos), 0.05 (resto de tejidos) 3

4 Reacciones nucleares para la producción de energía: Fisión nuclear y Fusión nuclear Zona de fusión exotérm ica Energía de enlace por nucleón (MeV) Energía de fusión D + T He 56 Fe 58 Fe 6 Ni Los núcleos m ás estables Energía nuclear Zona de fisión exotérm ica Número másico Energía de fisión El núm ero másico típico de los fragmentos de fusión es U Centrales nucleares: La fisión nuclear 35 Fisión del 9U por un Ejemplo de una de las reacciones que tienen lugar en un reactor nuclear 35 9U 35 U Fisión del 36 9U por un rayo γ Kr Se liberan unos 15 MeV de energía Impacto de un elem ento inestable 1 56 Ba rayo γ Los neutrones liberados producen nuevas fisiones de uranio Reacción de fisión en cadena Funcionam iento de un reactor 1. Combustible: Isótopo fisionable ( 35 U, 39 Pu) o isótopo fértil ( 38 U, 3 Th, que forman 39 Pu y 35 U al colisionar con neutrones). El com bustible típico en la actualidad: M ezcla de óxidos de U y Pu. M oderador: Agua, agua pesada, grafito, sodio metálico: Frenan la velocidad de los neutrones para optimizar reacción en cadena. 3. Refrigerante: Agua, agua pesada, CO, grafito, sodio metálico: Captan el calor generado, que se transmite a la turbina de generación eléctrica o de propulsión.. M aterial de control: Cadmio o Boro. Son muy buenos absorbentes de neutrones. Controlan el ritmo de la reacción en cadena o la paran. 5. Blindaje: Hormigón, plom o, acero, agua: evitan la fuga de radicación gamma y de neutrones rápidos. 6. Seguridad: Elementos de control activos (electrónicos) y pasivos (arquitectónicos)

5 Funcionam iento de un reactor nuclear de fisión típico Com bustible nuclear A rm adura de horm igón línea eléctrica Reactor vapor Refrigerante Generador Turbina Residuos radiactivos a) Residuos de alta actividad: Em iten altas dosis de radiación. Form ados por los restos que quedan de las varillas deluranio que se usa com o com bustible en las centrales nucleares y otras sustancias que están en elreactor y por residuos de la fabricación de arm as atóm icas. Tam bién algunas sustancias que quedan en elproceso m inero de purificación deluranio. plutonio 39 (vida m edia de 00 años), neptuno 37 (vida m edia de años) plutonio 0 (vida m edia de años). S e alm acenan en contenedores resistentes,en zonas geológicas estables b) Residuos de m edia o baja actividad: Em iten cantidades pequeñas de radiación.h erram ientas,ropas,piezas de repuesto,lodos,etc.de las centrales nucleares,h ospitales, laboratorios de investigación,industrias,etc. S e alm acenan cerca de la superficie.en España,en ElCabril(Córdoba) Barras de control A gua fría Bom ba de agua Fusión nuclear: conversión de dos núcleos de H idrógeno en uno de H elio D euterio D iagram a de un reactor de Fusión Plasm a gas cargado con núcleos de D euterio y Tritio y electrones a K 1H Tritio 3 1H Eltritio se produce 6 a partir de 3 Li+ He 3 H e + 1H Reactor de Fusión Europeo:JET plasm a Confinam iento m agnético electroim anes electroim anes polares toroidales en un Reactor de Fusión internos y externos Plasm a confinado m agnéticam ente Tam año de una persona cam po m agnético toroidal cam po polar cam po neto 5

6 Com portam iento ondulatorio de la m ateria Interferencia de ondas electrom agnéticas: El experim ento de la doble rendija (Young, 1801) v v lám para rendija colim adora doble rendija patrón de Interferencia constructiva (máximos) y destructiva (m ínim os) Interferencia de ondas m ateriales: El experim ento de la doble rendija con electrones! Interferencia con átomos de helio experim ento con luz experim ento con electrones Las partículas presentan propiedades ondulatorias! Descripción ondulatoria de las partículas (M ecánica Cuántica) Longitud de onda de una partícula m aterial (de Broglie, prem io N obel 1919) λ h = m v Constante de Planck Momento lineal (m asa x velocidad) Ecuación de Schrödinger para ondas m ateriales (en una dim ensión) (com parar con la ecuación de ondas clásica, considerando V(x,t)=0) ψ(x, t) η ψ(x, t) i η = - + V(x,t) ψ(x, t) t m x i núm ero im aginario, η = h/π, V(x,t): energía potencial Significado de la función de onda ψ(x, t) amplitud de probabilidad de la partícula ψ(x, t) probabilidad de encontrar la partícula 6