FÍSICA NUCLEAR. I WANT TO KNOW GOD S THOUGHTS; THE REST ARE DETAILS (Albert Einstein )

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1 FÍSICA NUCLEAR I WANT TO KNOW GOD S THOUGHTS; THE REST ARE DETAILS (Albert Einstein )

2 . INTRODUCCIÓN. RESEÑA HISTÓRICA Radiactividad propiedad de los núcleos atómicos de ciertos isótopos de modificar espontáneamente su constitución, emitiendo simultáneamente una radiación característica. 896 (Antoine Henri Becquerel): Fluorescencia del sulfato doble de uranio y potasio (radiación más penetrante que Rayos X) 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. Antoine Henri Becquerel Marie y Pierre Curie

3 2. RADIACTIVIDAD NATURAL TIPOS DE RADIACIÓN 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. 4 2He La reacción nuclear que la representa es: A Z X A 4 Z 2 Y 4 2 He Se da normalmente en núcleos muy pesados (A 200), como por ejemplo son el caso de: 235 U 23 Th + 4 He ; 226 U 222 Rn + 4 He ; 20 Po 206 Pb + 4 He ; aunque algunos núcleos menos pesados también la tienen, como el 8 C, 5 Li,

4 2. RADIACTIVIDAD NATURAL TIPOS DE RADIACIÓN 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 /800 aproximadamente, y una carga de unidad negativa, por ello se le llama desintegración β -. Neutrón protón + electrón + antineutrino n 0 p e 0 La ecuación que la representa es: Z A X A 0 Y e Z Mecanismo típico de núcleos con un exceso de neutrones (N >>Z). En 93, 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 ( ).

5 2. RADIACTIVIDAD NATURAL TIPOS DE RADIACIÓN 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. protón neutrón + positrón + neutrino p n 0 e 0 Z A La ecuación que la representa es: X A 0 Y e Z Mecanismo típico de núcleos con un exceso de protones (N << Z). 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) F 8O e 8 Dependiendo de la energía de la radiación que se produce serán rayos o rayos X.

6 2. RADIACTIVIDAD NATURAL TIPOS DE RADIACIÓN 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. A * A Es la más penetrante, y muy peligrosa. X X Z 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). 0 p e n 0

7 3. EL NÚCLEO ATÓMICO Evolución de los Módelos Atómicos Thomson Rutherford Bohr Schrödinger Núcleo Atómico protones neutrones Z = número atómico = Nº de protones N = Nº de neutrones A = número másico = Nº de nucleones = Nº protones + Nº neutrones CARACTERÍSTICAS DEL NÚCLEO A = N + Z Tamaño del átomo: orden del Å = 0-0 metros. Tamaño del núcleo: orden del fermi, fm = 0-5 metros. La masa atómica concentrada casi en su totalidad (un 99%) en ese minúsculo espacio llamado núcleo enorme densidad del núcleo: del orden de 0 6 g/cm 3. Eso significa, que si un núcleo fuera del tamaño de una pelota de pingpong, de radio.5 cm y con esa densidad, debería tener una masa de 0.3 billones de toneladas.

8 3. EL NÚCLEO ATÓMICO ISÓTOPOS: núcleos de un mismo elemento (= Z), pero con distinto Nº de neutrones ( N) Z A X ISÓTONOS: Núcleos con mismo de número de neutrones (N), pero distinto número de protones (Z). Ejemplo: 2 B y 3 C, ambos tienen 7 electrones. 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: 2 C y 2 C* Fuerza Nuclear Fuerte: responsable de mantener a los nucleones en el núcleo, contrarrestando la interacción coulombiana repulsiva de los protones. uma = kg (doceava parte de la masa del isótopo 2 C) uma = 93.5 MeV/c 2

9 3. EL NÚCLEO ATÓMICO Franja de Estabilidad: Elementos estables Núcleos estables N/Z Radicactividad: N/Z Con exceso de neutrones: Para ingresar a la zona estable deben disminuir los neutrones y aumentar los protones. Esto se logra mediante la reacción. 0-0 n p e (emisión )

10 4. ENERGÍA DE ENLACE La energía de enlace es la energía liberada por un núcleo cuando sus nucleones independientes se unen para constituir dicho núcleo. MASA NÚCLEO < SUMA DE SUS COMPONENTES m Z m p ( A Z) m n m núcleo E = m c 2 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.

11 5. DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA Es un proceso aleatorio, estadístico. En t 0 = 0 tenemos N(0) = N 0 núcleos sin desintegrar En un tiempo t tenemos N(t) = N núcleos sin desintegrar dn dt N N( t) N(0) e -t λ: constante de desintegración radiactiva T ½ : periodo de semidesintegración o semivida (tiempo que tarda una muestra radiactiva en reducir su población a la mitad) N = N 0 /2 τ: vida media (tiempo medio que tarda un núcleo en desintegrarse) T /2 ln 2 T ln2 /2 La velocidad de desintegración es la actividad radiactiva (A) (el número de desintegraciones por unidad de tiempo): A - dn dt N A(t ) A(0) e -t

12 5. DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA La actividad se mide en desintegraciones por segundo que es equivalente al becquerelio o becquerel (DPS = s - = Bq), aunque por comodidad se utiliza a veces otra unidad, el curio o curie (Ci): Ci Bq ; Bq DPS

13 6. REACCIONES NUCLEARES Y RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen núcleos atómicos transformándose en otros distintos N 2He 8O H N (, p) 4 7 O Al 2He 5P 0n Al (,n) 30 P Ejercicio: Formula las reacciones nucleares siguientes: Conservación de la energía Conservación de la cantidad de movimiento Conservación de la carga Conservación del número de nucleones 7 N (, p ) O 23 Na(n, ) 24 Na 9 4 Be (p, ) 6 3 Li 27 3 Al(n, p) 27 2 Mg 7 3 Li(p, ) 8 4 Be 7 3 Li(p,n) 7 4 Be 8O(n, ) C 27 3 Al(,n ) 30 5 P

14 7. FAMILIAS RADIACTIVAS Familia Uranio Radio (A = 4n+2): Se produce 222 Rn gaseoso como isótopo intermedio de la familia (producirá 20 Pb o 20 Bi en polvo)

15 8. FISIÓN 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) U n Ba Kr n Por cada núcleo de uranio se libera una energía de 200 MeV, lo que supone una energía de MeV por nucleón, lo que significa que una pequeña cantidad de uranio se puede obtener una gran cantidad de energía

16 9. FUSIÓN NUCLEAR La fusión nuclear es la unión de dos núcleos ligeros para formar otro más pesado, liberándose gran cantidad de energía H H 2He 0 n 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 0 6 K) a las que se somete para vencer las fuerzas electrostáticas 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 7.6 MeV por cada núcleo de helio que se forma, es decir, unos 3 MeV por nucleón