El núcleo y las partículas subatómicas

Transcripción

1 La radiactividad y su naturaleza En 896 el físico A. Henry Becquerel descubrió que un mineral de uranio, denominado pechblenda, era capaz de impresionar placas fotográficas protegidas de la luz solar, al igual que los rayos X descubiertos por W. Conrad Röntgen Esta radiación se denominó posteriormente radiactividad natural En 899, E. Rutherford identificó, dentro de esta radiación, dos tipos a los que llamó radiación y radiación. En 900 se descubrió la radiación Rayos Rayos Rayos Rutherford los identificó como núcleos de Helio (dos cargas +) Debido a su gran masa, son muy ionizantes. Arrancan e a otros átomos Son frenados por unos centímetros de aire (poco poder penetrante) Becquerel los identificó como rayos catódicos (electrones) Su masa es 8000 veces menor que la de los rayos. Son poco ionizantes Son frenados por varios metros de aire o por una lámina fina de metal Fueron identificados como radiación electromagnética (parecida a los rayos X pero de mayor energía) Son ionizantes de forma indirecta produciendo e energéticos Son frenados por un metro de hormigón

2 Leyes de desplazamiento radiactivo El físico F. Soddy enunció tres leyes referidas a los tres tipos de radiación, y ; Cuando un núcleo X emite una partícula, se convierte en otro Y cuyo número de masa es cuatro unidades menor y cuyo número atómico es dos unidades menor A Z X - - A 4 Z Cuando un núcleo X emite una partícula, se convierte en otro núcleo Y cuyo número de masa es el mismo y cuyo número atómico es una unidad mayor A Z X Z A X X En 90 Pauli propuso una explicación para la desintegración postulando la desintegración de un neutrón en un protón y un electrón, y la emisión de una partícula sin carga y de pequeña masa llamada antineutrino ( ) _ n p e Cuando un núcleo X emite radiación, altera su contenido energético pero no cambia el número de nucleones; por tanto no cambia el elemento. En el núcleo, el tránsito de unos niveles de energía a otros, también se realiza mediante absorción o emisión de fotones A * A X X Z Z

3 Ley de la desintegración radiactiva N N 0 N 0 / N 0 /4 N 0 /8 t ½ t ½ t ½ t Una muestra radiactiva está compuesta inicialmente por N 0 núcleos Disminuye exponencialmente con el tiempo según la expresión: N = N 0 e t siendo la llamada constante de desintegración El periodo de semidesintegración o semivida, t /, es el tiempo que tarda dicha muestra en reducirse a la mitad: N = N 0 / ln La vida media,, de una muestra radiactiva, es el tiempo promedio de vida de los núcleos presentes. Se cumple que: La actividad o velocidad de desintegración, es el número de desintegraciones producidas por unidad de tiempo. Se mide en becquerel (Bq) o en curio (Ci) dn d Ci =, desintegr/s t t (N0 e ) N0 e N dt dt N 0 N 0 e t / t/

4 4 Propiedades de las fuerzas nucleares ( I ) Las fuerzas nucleares son aquellas que mantienen unidos en el núcleo atómico, a los protones y a los neutrones, venciendo la repulsión electrostática entre los protones Son de atracción y unas 00 veces más intensas que las electromagnéticas Tienen muy corto alcance y son prácticamente nulas a distancias mayores de 0 5 m Son saturadas, pues cada nucleón está ligado sólo a un número determinado de otros nucleones, y no a todos los existentes en el núcleo En 95 Hideki Yukawa propuso que las fuerzas nucleares entre dos protones, entre un protón y un neutrón, o entre dos neutrones, se deben a un intercambio continuo de unas partículas que denominó mesones

5 5 Propiedades de las fuerzas nucleares ( II ) Cuando dos personas se lanzan dos balones, la conservación del momento lineal produce en ellos el mismo efecto que unas fuerzas de repulsión Si las personas se arrebatan mutuamente de las manos dos balones, el resultado es la existencia de fuerzas de atracción entre ellos Actualmente los nucleones se clasifican en: Partículas que forman la materia, denominadas fermiones, como por ejemplo los protones y neutrones Partículas que transmiten las fuerzas, denominadas bosones, como por ejemplo los mesones Tanto los fermiones como los bosones están formados por partículas más elementales denominadas quarks

6 Energía por nucleón (MeV) 6 La energía de enlace 4 He C 6 O 09 B i 8 U Th 6 Li H H H Número másico (A) Se llama energía de enlace, o energía de ligadura del núcleo, a la energía que corresponde al defecto de masa, E = m. c, que se desprende en el proceso de formación del núcleo a partir de sus constituyentes

7 E v /A (MeV) 7 Variación de las contribuciones a la energía de enlace La energía de enlace del núcleo puede expresarse como suma de tres contribuciones: 5 Energía de volumen Una energía de volumen E V positiva, favorable a la formación del núcleo. Es debida a las fuerzas nucleares y es directamente proporcional a su número de partículas o número de masa A Energía total Energía de Coulomb Energía de superficie A E V = a V A Una energía superficial E S negativa, que corrige el valor de E V, debida a que los nucleones de la superficie tienen menos nucleones alrededor E S = a S A / Una energía de repulsión electrostática E C negativa, porque se opone a la formación del núcleo E C = a C Z(Z ) A /

8 ENERGÍA 8 Niveles de energía nuclear según el modelo de capas NIVEL i / p / p / f 5/ f 7/ h 9/ h / s / d / d 5/ g 7/ g 9/ p / f 5/ p / Nucleones por nivel Nucleones por capa Nucleones totales f 7/ d / s / d 5/ p / p / s / Se observa que la suma de los nucleones de los niveles llenos, coincide con núcleos con un número de nucleones igual a los números mágicos: + 6 = = = = 50 La separación entre los niveles energéticos es mucho mayor que en la corteza, y las transiciones entre niveles llenos coincide con núcleos de fotones en la zona de rayos X y rayos del espectro

9 9 Las reacciones nucleares Si el núcleo de un átomo, experimenta un choque inelástico, la pérdida de energía cinética se transforma en energía de excitación del núcleo Durante un tiempo después de la colisión, existe un núcleo excitado con una energía de excitación que depende del tipo de partículas que colisionan. Por ejemplo: 7 6 N C 0 n H N N (0,5 MeV) (,7 MeV) El núcleo permanece excitado hasta que un nucleón o varios tengan energía suficiente para abandonarlo La evolución depende de su energía de excitación y puede ser diversa: emitir rayos, 4 emitir mesones, dividirse en dos núcleos, etc. Por ejemplo, el con energía de 7N excitación MeV puede desintegrarse de varias formas: 4 7N 6C N N Sin embargo, no puede emitir partículas Necesitaría,7 MeV 0 H n H por falta de energía.

10 Energía potencial 0 0 La barrera de Coulomb Barrera de Coulomb Energía potencial del protón O Energía potencial del neutrón X Núcleo La carga eléctrica positiva de los núcleos se opone a la entrada de otras partículas con carga positiva (como protones) en el núcleo. En términos energéticos, existe una barrera de potencial, denominada barrera de Coulomb, que depende de las cargas de la partícula y del tipo de núcleo Para un protón, esta barrera es de MeV en átomos de carbono y de MeV para los átomos de plata. La barrera de Coulomb no existe para los neutrones que pueden penetrar en los núcleos igual que una bola cae en un agujero en el suelo

11 Fisión nuclear La fisión nuclear es la escisión de núcleos, generalmente los pesados (A>0), en dos o más núcleos ligeros denominados fragmentos de fisión Puede interpretarse mediante el modelo de la gota líquida Tiempo 5 Si un núcleo de 9U experimenta una excitación importante de aproximadamente Mev, oscila con la suficiente violencia como para escindirse. Esto se puede conseguir con la absorción de un neutrón de esa energía: U 0n 56Ba 6Kr 0n MeV

12 Fusión nuclear Se llama fusión, a la unión de dos átomos para formar otro mayor Es posible comunicar a los núcleos pequeños una energía cinética suficiente para vencer las repulsiones y acercarlos a distancias en las que entran en juego las fuerzas nucleares. Por ejemplo: La gran energía cinética que poseen los núcleos supone una temperatura de varios millones de grados En el núcleo del Sol se existe una temperatura del orden de.0 6 K H H 4 He 0 n 4,6 MeV

13 Los reactores nucleares 44 56Ba 0n 5 U Kr En la reacción de fisión del U-5, además de la energía liberada, se desprenden neutrones. La condición para el automantenimiento de la reacción es que al menos uno de los neutrones liberados en cada paso produzca una fisión (relación :, llamada crítica) Si faltan neutrones se dice que la situación es subcrítica, y si la frecuencia de fisiones aumenta, la situación es supercrítica

14 4 4 Partículas elementales Dalton estableció su teoría atómica de la materia, en la que consideraba el átomo como el último constituyente de cualquier sustancia En 897, Thomson descubrió el electrón (partícula con carga negativa) en sus investigaciones sobre los rayos catódicos Tras el modelo nuclear de Rutherford, se evidenció la existencia del protón como componente del núcleo y con la misma carga que el electrón pero de signo positivo En 9 se confirmó la existencia del neutrón, sin carga eléctrica, como constituyente del núcleo Las investigaciones de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, le llevó a demostrar la existencia de una partícula sin masa y sin carga llamada fotón El positrón o antielectrón es una partícula con la misma masa que el electrón pero con carga positiva, y fue descubierto por Carl Anderson El neutrino es una partícula descubierta por Segre y Chamberlain en 956 El mesón, partícula descubierta en 95, se utilizó para explicar las fuerzas que mantienen unidos a los protones y neutrones en el núcleo. Actualmente se denomina pión El muón es una partícula descubierta en la radiación cósmica en 97

15 5 5 Clasificación de las partículas elementales Acelerador de partículas (Fermilab, Illinois) Se clasifican atendiendo a dos criterios: Según el valor de espín: Según la estructura: Bosones Fermiones Leptones Hadrones

16 6 6 Los bosones y los fermiones Bosones Son partículas con espín entero (s = 0,,,...), por lo que no se les puede aplicar el principio de exclusión de Pauli; en consecuencia, puede haber muchos bosones en un sistema en el mismo estado cuántico El fotón (), cuyo espín es igual a cero, es un bosón Fermiones Son partículas con espín semientero (s =/, /,...), por lo que siguen el principio de exclusión de Pauli: En un sistema no puede haber dos fermiones en el mismo estado cuántico El electrón, el protón y el neutrón son fermiones

17 7 7 Los leptones y sus características Leptones Los leptones son fermiones que carecen de estructura interna: es decir, son partículas auténticamente elementales. Hay 6 leptones El e y los neutrinos son partículas estables; el y el son de vida media corta C A R A C T E R Í S T I C A S D E L O S L E P T O N E S NOMBRE MASA CARGA ESPÍN ANTIPARTÍCULA SÍMBOLO Electrón Muón Tauón Neutrino electrónico e 0,5 / e + 06 / / + e 0 0 / e Neutrino muónico 0 0 / Neutrino tauónico 0 0 / Masa: medida en MeV/c Carga: medida en, C Espín: medido en ħ =, Js

18 8 8 Los hadrones y sus características Hadrones Los hadrones tienen estructura interna: es decir, no son en realidad partículas elementales, y pueden desintegrarse dando como productos otras partículas Los hadrones se clasifican en mesones (espín entero) y bariones (espín semientero) C A R A C T E R Í S T I C A S DE A L G U N O S H A D R O N E S NOMBRE SÍMBOLO MASA CARGA ESPÍN L B ANTIPARTÍCULA Mesones Bariones Protón Neutrón Partícula lambda Pión Pión 0 Pión + p 98 + / 0 p n 99 0 / 0 n / Masa: medida en MeV/c Carga: medida en, C Espín: medido en ħ =, Js

19 9 9 La teoría de los quarks Quarks En 964, Gell-Mann y Zweig propusieron la teoría de los quarks: los hadrones están compuestos de otras partículas elementales, llamadas quarks Teniendo en cuenta que algunos hadrones están cargados, supusieron que los quarks también estarán cargados La constitución de todos los hadrones puede explicarse a partir de seis quarks cuyos nombres son: up (arriba), down (abajo), strange (extraño), charm (encanto), bottom (fondo) y top (cima) Hay doce partículas elementales constituyentes de la materia: 6 leptones y 6 quarks. Además, existen sus correspondientes doce antipartículas Todos los hadrones son combinaciones de los seis quarks

20 0 Características principales de los quarks Los quarks están fuertemente ligados entre sí y confinados dentro de los hadrones, por lo que es muy difícil observarlos aislados; no obstante se ha conseguido detectar indicios de su existencia en aceleradores de partículas de alta energía C A R A C T E R Í S T I C A S P R I N C I P A L E S D E L O S Q U A R K S NOMBRE SÍMBOLO MASA CARGA ESPÍN L B ANTIPARTÍCULA Up (arriba) Down (abajo) Strange (extraño) u +/ / 0 / u d 6 / / 0 / d s 0 / / 0 / s Charm (encanto) Bottom (fondo) Top (cima) c 50 +/ / 0 / b 400 / / 0 / t / / 0 / Masa: medida en MeV/c Carga: medida en, C Espín: medido en ħ =, Js c b t

21 Composición de neutrones, protones y piones q = +e q = 0 q = 0 d e e u e e e u u d e d e u e _ u Protón (uud) Neutrón (udd) _ Pión neutro (u u ) Los bariones están formados por tres quarks: el protón es el barión uud el neutrón es el barión udd Los mesones están formados por un quark y un antiquark: el pión está formado por el quark u y el antiquark u ( 0 = u u )

22 Interacciones fundamentales ( I ) Interacción gravitatoria Se da entre todas las partículas y queda descrita por la ley de la gravitación universal de Newton Permite explicar fenómenos como la caída de los cuerpos o el movimiento de los astros Su alcance es infinito, actúa incluso a muy grandes distancias Interacción débil Tiene lugar entre partículas del tipo leptónico o hadrónico; explica algunos procesos nucleares, como la desintegración beta, en la que un neutrón se transforma en un protón, y las transformaciones entre leptones, como la desintegración del tauón Es más intensa que la interacción gravitatoria pero menos que la electromagnética _ n p + e + e (desintegración de un neutrón)

23 4 Partículas e interacciones Según la teoría cuántica de campos, cuando dos partículas interaccionan, intercambian una tercera partícula; esta partícula mediadora es la que origina la interacción que actúa entre las dos partículas materiales La idea de que una fuerza debe transmitirse a través de una partícula intermediaria fue la que impulsó a Hideki Yukawa en 94 a suponer la existencia de una partícula, el pión, que explicara las fuerzas entre los nucleones El fotón es la partícula intermediaria de la interacción electromagnética; la fuerza entre dos partículas con carga eléctrica se produce por intercambio de fotones entre ellas Los bosones vectoriales intermediarios son los mediadores de la fuerza nuclear débil, que fueron predichos con anterioridad y detectados en el laboratorio por primera vez en 98 n P - n P

24 Interacciones fundamentales ( II ) Interacción electromagnética Afecta a los fotones y a las partículas con carga eléctrica o con momento magnético Su alcance es infinito y viene descrita por las ecuaciones de Maxwell Permite explicar fenómenos tales como los fenómenos eléctricos, el magnetismo, las ondas electromagnéticas, los fenómenos ópticos o las fuerzas elásticas en un resorte Interacción fuerte También denominada interacción hadrónica, afecta a los quarks y, en consecuencia, a los hadrones Es la más intensa de las cuatro interacciones fundamentales, pero su alcance es muy corto: prácticamente se reduce a cero para distancias superiores a 0 5 m