FÍSICA MODERNA FÍSICA NUCLEAR Y DE PARTÍCULAS. José Luis Rodríguez Blanco

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Manuel Núñez Duarte
hace 6 años
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1 FÍSICA MODERNA FÍSICA NUCLEAR Y DE PARTÍCULAS José Luis Rodríguez Blanco

2 Fenómenos radiactivos H. Becquerel (1896): Sales de uranio emiten una radiación sumamente penetrante independiente del estado de la sal (sólida, en disolución, fundida, a alta o baja temperatura, etc.). Esta radiación es característica de los átomos de uranio. P. Curie /M. Curie (1898): Estudian este fenómeno y sus propiedades, descubren el polonio y el radio E. Rutherford (193) Descubre la radiactividad α, β, y γ. José Luis Rodríguez Blanco 2

3 Emisiones radiactivas Naturaleza Carga* Masa* Otras propiedades α Partículas (núcleos de 4 He) Son emitidas a menos de 2 km/s, son detenidos por una hoja de papel β Partículas (electrones) - 1 ~1/18 Son emitidos a velocidades próximas a la de la luz, son detenidos por láminas de 5mm de aluminio o 1 mm de plomo de espesor γ Onda electromagnética La velocidad de emisión es la de la luz, su frecuencia es mayor que 1 19 Hz, pueden penetrar de 5 a 15 cm en acero *La carga se da en múltiplos de la carga del electrón y la masa en múltiplos de la masa del protón José Luis Rodríguez Blanco 3

4 El núcleo atómico J.J. Thomson (194) Átomo: esfera homogénea de carga positiva con electrones incrustados Descubre los isótopos (1911) E. Rutherford (1915) Núcleo: esfera que contiene toda la carga positiva y casi toda la masa. Contiene protones (carga elemental positiva) y propone la existencia de una partícula neutra J. Chadwick (1932) Descubre los neutrones (partícula neutra) José Luis Rodríguez Blanco 4

5 El núcleo atómico Radio nuclear: 1,2 A 1/3 (fm) [A : número másico] : 1 14 m 3 Ep 1-12 (J) Interacción atractiva muy intensa y de corto alcance: Interacción n fuerte. Son sensibles protones y neutrones independientemente de la carga eléctrica Eléctrica 3 d 1-15 (m) 4 Se presenta en distintas variedades del mismo elemento: isótopos Se explica su estabilidad por mecanismos relativistas: Δ E = Δm c Nuclear fuerte José Luis Rodríguez Blanco 5

6 Partículas elementales del átomo Partícula Carga* Masa (u) Masa(MeV)** Composición Estabilidad Protón p + 1 1, ,3 3 Quarks Estable Neutrón n 1, ,6 3 Quarks Inestable*** Electrón e 1 1/1823,51 Elemental Estable * Como múltiplos enteros de la carga elemental 1 e = C ** En MeV, 1 MeV = 1, Kg; 1u = MeV/c 2 *** El neutrón, inestable, se descompone (aproximadamente en 1 minutos) en un protón, un electrón y un antineutrino Número Másico A Átomo Núcleo Nucleones Z protones A-Z neutrones Número atómico Z Corteza Electrones Z electrones José Luis Rodríguez Blanco 6

7 Energía media de enlace por nucleón Energía por nucleón (J) 1,6E-12 1,2E-12 8,E-13 4,E-13,E+ He U H Número másico (A) José Luis Rodríguez Blanco 7

8 Radiactividad Mecanismo por el cual un núcleo se transforma en otro más estable. Es un fenómeno estadístico La energía liberada lo es por transferencia de masa: Δ E = Δm c 2 Se conserva la carga y el número de nucleones (además de otras leyes) Emisión alfa (α) : Ocurre en núcleos pesados con exceso de neutrones A 4 4 X Z 2 X 2 A Z + He Emisión beta (β): Ocurre en núcleos pesados con exceso de neutrones (gobernada por la interacción débil A 1 1 X Z 1 X e+ ν y n 1p+ 1 e A Z + ν José Luis Rodríguez Blanco 8

9 Radiactividad Emisión gamma (γ): Un núcleo excitado se relaja emitiendo una OEM muy energética, sigue siendo el mismo núcleo en una situación más estable Emisión de positrones (β + ):Ocurre en núcleos con pocos neutrones (lo gobierna la interacción débil) (también emiten radiación γ) A 1 1 X Z 1 X e + ν y 1p n e A Z + Captura eléctrónica K: Ocurre en núcleos con pocos neutrones (lo gobierna la interacción débil) (también emiten radiación γ y rayos X) ν A 1 1 X + 1 e Z 1 X + ν 1p + 1 e n A Z + ν José Luis Rodríguez Blanco 9

10 Leyes de las desintegraciones radiactivas Es un proceso probabilístico Cumple una ley exponencial decreciente: N = N e -λt N: átomos al cabo de t segundos a partir de una muestra N Magnitudes características λ = constante de desintegración (s -1 ) A c = Actividad : velocidad con que desaparecen los núcleos por unidad de tiempo: Ac = dn/dt T = período de semidesintegración. El tiempo que tiene que transcurrir para que una determinada cantidad de núcleos se reduzca a la mitad al término del mismo, se mide en segundos. τ = vida media, representa el promedio de vida de los núcleos. Es la inversa de la constante de desintegración. José Luis Rodríguez Blanco 1

11 Serie radiactiva 232 Th α β Ra Ac Th Th Número másico (A) Po Rn Ra Tl Pb Pb Bi Po Serie 232 Th Número de protones (Z) José Luis Rodríguez Blanco 11

12 Series radiactivas. Serie del 238 U α U 234 β Th Pa U Número másico (A) Pb Bi Po Po At Rn Ra Th 21 Tl Pb Bi Po Serie 238U 26 Pb Número de protones (Z) José Luis Rodríguez Blanco 12

13 Reacciones nucleares Interacción entre núcleos con una reorganización de nucleones, absorción y emisión de partículas ligeras y energía. X + x Y + y X(x,y)Y Energía implicada: ΔE/c 2 = (m Y + m y ) - (m X + m x ) E. Rutherford (1911): 14 N(α,p) 17 O [ F] H O 4 7 N + 2He 9 * J. Chadwick (1932): 9 Be(α,n) * 12 1 C 4 Be + 2He [ 6C] 6C + n Muchos de los productos obtenidos son radiactivos y se estabilizan emitiendo partículas o relajándose por emisión gamma José Luis Rodríguez Blanco 13

14 Fisión nuclear O. Hahn, F. Strassman y L. Meitner (1938), Ruptura de un núcleo pesado en otros más ligeros por bombardeo con neutrones térmicos (1/4 ev). [ 236U* ] 141Ba + 92Kr + 3 1n 8'25 113J/kg U U + 1n n 235 U Es una reacción automantenida que puede ser explosiva Libera una gran cantidad de energía Fundamento de las centrales nucleares y de las bombas atómicas José Luis Rodríguez Blanco 14

15 Fusión nuclear Fusión de núcleos ligeros en otros más pesados con una gran liberación de energía 4 1H 4He + 2 e + 2 ν 6' J/kg Reacción en varios pasos con una gran liberación de energía Responsable de la nucleosíntesis de elementos en las estrellas Es necesario alcanzar temperatura de 1 7 K para vencer la barrera de repulsión culombiana José Luis Rodríguez Blanco 15

16 Partículas elementales Según el tipo de interacción Leptones: No son sensibles a la interacción fuerte (electrón, muón, tauón, y sus neutrinos) Hadrones: Son sensibles a la interacción fuerte (protones, neutrones, etc.) Según los productos de desintegración de los hadrones Mesones: Como producto hay leptones (fermiones) y fotones (Bosones) Bariones: Como producto hay, al menos, un protón (Fermiones) Nucleones: Existen en el núcleo: protón, neutrón Hiperiones: Tienen mayor masa que los anteriores Según la dinámica interna: espín Fermiones: Tienen espín fraccionario (cumplen el principio de Pauli) (electrones, protones, neutrones, neutrinos, etc.) Bosones: Tienes espín entero (fotones, bosones vectoriales, gravitón,...) José Luis Rodríguez Blanco 16

17 Partículas elementales (leptones) Nombre Masa en reposo (MeV) Carga eléctrica Espín Estabilidad Interacción Electrón (e) 51-1 Estable D, E Muón µ ,2 1 6 s D, E Tauón τ , s D, E ν e (< ) Estable D Neutrino ν µ (<,19) Estable D ν τ (<18,2) Estable D José Luis Rodríguez Blanco 17

18 Partículas elementales (Mesones) Nombre Masa en reposo (MeV) Carga eléctrica Espín Vida media (s) Interacción Pión π ± π ± 1 2, , F, D, E F, D Kaón K K ,2 1-8,9 1-1 F, D, E F, D Mesón η 547 6, F, D José Luis Rodríguez Blanco 18

19 Partículas elementales (Bariones) Nombre Masa en reposo (MeV) Carga eléctrica Espín Vida media (s) Interacción Nucleón Protón Neutrón p n ,7 F, D, E F, D Lambda Λ ,6 1-1 F, D Hiperiones Sigma Omega Σ ,8 1-1 Σ ,5 1-1 Σ ,4 1-2 Ξ ± 1.32 ±1 1,6 1-1 Ξ ,9 1-1 Ω ,8 1-1 F, D, E F, D, E F, D F, D, E F, D F, D, E Delta ± 2, 1, 3/2 2,6 1-1 F, D, (E) José Luis Rodríguez Blanco 19

20 Partículas elementales (quarks) Quark Masa (GeV) Carga eléctrica (e) Número Bariónico Espín Extrañeza (s) Encanto (c) Color u,3 + 2/3 + 1/3 Amarillo Azul Rojo d,3 1/3 + 1/3 Violeta Anaranjado Verde s,5 1/3 + 1/ c 1,5 + 2/3 + 1/ b 4,5 1/3 + 1/3 -- t /3 + 1/3 -- José Luis Rodríguez Blanco 2

21 Partículas elementales (Bosones partículas mensajeras) Nombre Masa en reposo (MeV) Carga eléctrica Espín Vida media (s) Interacción Gravitón 2 G Fotón (γ) 1 E Gluón 8 1 F Bosones vectoriales(w ±, Z ) 89 ± 1, 1 D José Luis Rodríguez Blanco 21

22 Aplicaciones de los isótopos radiactivos Medicina Destrucción de células cancerígenas por radiación γ de 6 Co Cáncer de tiroides (con 131 I) PET (Positron Emission Tomography) (con azucar rica en 11 C, 13 N, 15 O que emiten positrones) en estudios de desórdenes cerebrales Metabolismo del hierro con 59 Fe Terapia hadrónica Química Estudio de velocidades de reacción y mecanismos con trazadores radiactivos Datación geológica Datación con carbono-14 José Luis Rodríguez Blanco 22

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