Esta parte de la Física estudia el comportamiento de los núcleos atómicos. Física nuclear

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1 Esta parte de la Física estudia el comportamiento de los núcleos atómicos Física nuclear

2 CORTEZA Electrones NÚCLEO Protones Neutrones PARTÍCULA CARGA MASA Electrón (e - ) -1, C 9, kg Protón (p+) +1, C 1, kg Neutrón (n) 0 1, kg MATERIA ~ 10-9 m ÁTOMO ~ m NÚCLEO ~ m NUCLEÓN ~ m Átomo Electrón Protón Neutrón Quarks

3 El núcleo está compuesto por protones y neutrones y representa la carga positiva del átomo y el 99% de su masa. Las partículas constituyentes del núcleo se llaman núclidos o nucleones. Número Atómico Z Número Másico A=N+Z Número de Neutrones N Los átomos y sus núcleos se caracterizan por el número atómico Z (número de protones) y el número másico A (número de nucleones)

4 Todos los átomos de un determinado elemento químico tienen el mismo número de protones (Z), pero pueden diferir en el número de neutrones. Los átomos de un mismo elemento químico (igual Z) que tienen distinto número de neutrones (distinto A), se denominan isótopos. Isótopos del Hidrógeno: 1 2 H H 3 H 1 (protio) (deuterio) (tritio) 1 1 Isótopos del Carbono: C C C 6 (Carbono-12) (Carbono-13) 14 (Carbono-14) 6 6

5 A pesar de la repulsión electrostática entre los protones, los nucleones se mantienen unidos debido a una fuerza muy intensa, de corto alcance y atractiva que se denomina interacción nuclear fuerte. FUERZAS FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA Interacción Intensidad Relativa Alcance Partícula Mediadora Fuerte 1 Corto Gluón Electromagnética Largo Fotón Débil 10-9 Muy Corto Bosones W, Z Gravitacional Largo Gravitón

6 El valor de la masa del núcleo de un átomo es siempre menor que la suma de las masas de los nucleones que lo componen. Esta diferencia en la masa se denomina defecto de masa (Dm). Nucleones aislados + Núcleo Z protones N neutrones aislados M Z. m N. m nucleones p n Núcleo con Z protones N neutrones M nucleo Defecto de masa: Dm M nucleones M nucleo

7 De acuerdo con la ecuación de Einstein, el defecto de masa es equivalente a una energía dada por: E Dm.c 2 Esta energía se denomina energía de enlace del núcleo y es la energía que se libera al formarse el núcleo a partir de sus nucleones constituyentes. Coincide con la energía que hay que suministrar al núcleo para separar los nucleones que lo forman. Dividiendo la energía de enlace del núcleo entre el número de nucleones que contiene, se obtiene la energía de enlace por nucleón. Cuanto mayor es la energía de enlace por nucleón, más estable es el núcleo. Unidad de masa atómica = 1 u =1, kg

8 ΔE A (MeV) Energía de enlace por nucleón en función del número másico A El núcleo más estable es el hierro-56, al que corresponde una energía de enlace por nucleón de 8,8 MeV/nucleón.

9 Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen directamente los núcleos de los átomos, transformándose en otros distintos. 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 emitiendo un protón. N He O H

10 En toda reacción nuclear 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. U n U Np e Al 2 He 15 P 0 n N H He C

11 En la naturaleza existen elementos cuyos núcleos son inestables (sustancias radiactivas), y tratan de transformarse en otros elementos estables emitiendo radiaciones capaces de penetrar cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar las placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias. Este fenómeno se conoce con el nombre de radiactividad. Existen tres tipos de emisiones radiactivas: Radiación a Radiación b Radiación g

12 Naturaleza Carga (e) Masa (u) Energía cinética Símbolos α Núcleos de átomos de helio +2 4 MeV 4 He 2 4 α 2 β Electrones rápidos procedentes de neutrones que se desintegran en el núcleo n p e ν e -1 0 MeV 0 1 e 0 1 β γ Radiaciones electromagnéticas 0 0 kev- MeV 0 0 γ

13 Carga eléctrica de las emisiones radiactivas Física nuclear

14 Carga eléctrica de las emisiones radiactivas Bloque de plomo No existe campo eléctrico: no hay desviación de las trayectorias rectilíneas de las partículas + - sustancia radiactiva Bloque de plomo Partículas β: carga negativa + - Campo eléctrico Rayos γ: sin carga sustancia radiactiva Partículas α: carga positiva

15 Poder de penetración de las emisiones radiactivas ALFA α BETA β GAMMA γ NEUTRÓN Papel Cobre Plomo Hormigón

16 Leyes de los desplazamientos radiactivos de Soddy y Fajans Partícula Alfa Emisión de partículas α (Ley de Soddy) X Y He A A 4 4 Z Z 2 2 A, Z A-4, Z-2 Antineutrino Emisión de partículas β - (Ley de Fajans) X Y e A A 0 Z Z 1 1 Emisión de partículas β + A Z A X Y Z e A, Z A, Z+1 A, Z A, Z-1 Partícula Beta menos (electrón) Neutrino Partícula Beta más (positrón) Rayo Gamma (Fotón) A, Z A, Z

17

18 Cuando un núcleo radiactivo se transforma en otro por emisión a o b, el nuevo núcleo también puede ser radiactivo y originará otro núcleo distinto emitiendo nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que aparezca un núcleo estable. Todos los núcleos que proceden del inicial forman una serie o familia radiactiva. Se conocen 4 series radiactivas, tres existen en la naturaleza (torio-232, uranio-238, actinio-227) y otra no (neptunio-237). TORIO-232 RADIO-228 ACTINIO-228 FRANCIO-224 RADIO-224 RADÓN-220 POLONIO-216 PLOMO-212 BISMUTO-212 TALIO-208 PLOMO BILL. DE AÑOS 5.75 AÑOS 6.15 HORAS 3.3 MINUTOS 3.66 DÍAS 55.6 SEGUNDOS SEGUNDOS MINUTOS 1.01 HORAS 3.05 MINUTOS ESTABLE

19 El proceso por el cual un núcleo se transforma en otro por emisión radiactiva se denomina desintegración radiactiva. La desintegración es un proceso aleatorio que ha de estudiarse estadísticamente Inicial Muestra radiactiva Final, después de un tiempo t Núcleos presentes: No Ley de emisión radiactiva: o N N N e λt l se denomina constante de desintegración y representa la probabilidad de que un determinado núcleo se desintegre en un segundo. Se mide en el S.I. en s -1

20 Actividad radiactiva o velocidad de desintegración A es el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una muestra radiactiva. La actividad de una muestra en el instante que contiene N núcleos radiactivos es: A λ N La actividad radiactiva se mide en el S.I. en Becquerel (Bq): 1 Bq 1 desintegración s Otras unidades: el curio (Ci) y el Rutherford (Rf) 10 1 Ci 3,7 10 Bq 6 1 Rf 10 Bq

21 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 Núcleos presentes N 0 ln 2 0,693 T T λ λ Su unidad en el S.I. es el segundo (s) N 0 2 N 0 16 N 0 4 N 0 8 T 2T 3T 4T t

22 Vida media t representa el tiempo que por término medio tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva. 1 τ τ λ T ln 2 Su unidad en el S.I. es el segundo (s)

23 Magnitud Simbolo Significado Unidad SI Otras unidades Constante radiactiva o de desintegración l Representa la probabilidad que tiene un núcleo radiactivo de desintegrarse en la unidad de tiempo. 1 1 s s 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. A l N N = número de núcleos presentes Becquerel (Bq) Curio (Ci) Rutherford (Rf) 1 Ci=3, Bq 1 Rf= 10 6 Bq Período de semide- sintegración Vida media T 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 T 0, 693 l Tiempo que por término medio tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva. t 1 l t T 0,693 s h, día, año

24 Inicial Muestra radiactiva Final, después de un tiempo t Núcleos presentes: Actividad: Masa : N A m o o o N No e A Ao e m m e 0 λt λt λt N A m

25 La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado se divide en otros dos más ligeros. En el proceso se libera una gran cantidad de energía. U n Ba Kr 3 n Los productos de esta reacción presentan un defecto de masa de 0,2154 u, que corresponde a una energía liberada de 200 MeV por cada núcleo de uranio-235. Los isótopos más utilizados en la fisión nuclear son el U-235 y el Pu-239Los neutrones liberados por la fisión pueden fisionar otros núcleos dando lugar a una reacción en cadena.

26 U n Ba Kr 3 n

27 REACCIÓN EN CADENA Física nuclear

28 Fisión nuclear en cadena 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 No controlada 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

29 La 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. Núcleo de 2 H H 1 (deuterio) Núcleo de (tritio) Fusión de los núcleos Núcleo de 4 He 2 (helio) 1 0 n (neutrón) H H He n 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 10 6 K ).

30 Fusión nuclear en cadena 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 No controlada Se produce en la bomba atómica de hidrógeno (termonuclear). Para conseguir la alta temperatura necesaria para la fusión se utiliza una bomba atómica de fisión

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