FÍSICA NUCLEAR. Física 2º bachillerato Física nuclear 1

Transcripción

1 FÍSICA NUCLEAR 1. Radioactividad. 2. Desintegración radioactiva. 3. El nucleo. 4. Las reacciones nucleares. 5. Partículas elementales. 6. Interacciones y unificación. Física 2º bachillerato Física nuclear 1

2 0. CONOCIMIENTOS PREVIOS Los conocimientos previos que son necesarios dominar y ampliar son: Estructura del átomo. Características de los p+, nº y e-. Los isótopos. La unidad de masa atómica y la masa atómica relativa. El mol. La energía asociada a una frecuencia. La equivalencia relativista entre la masa y la energía. Física 2º bachillerato Física nuclear 2

3 1. Radioactividad La radioactividad es una propiedad intrínseca de determinados átomos, los cuales emiten energía (radiación) cuando se produce la transformación de sus núcleos. En la radioactividad natural un núcleo se transforma en otro de manera espontánea implicando una emisión de radiación (energía). La física nuclear estudia el comportamiento de los núcleos. Aspectos de la naturaleza de la radioactividad: Su intensidad no está influenciada por que la sustancia participe en una reacción química. Su intensidad no está influenciada por cambios en la temperatura o la presión. El fenómeno radioactivo implica una emisión de energía. Física 2º bachillerato Física nuclear 3

4 1. Radioactividad Existen tres tipos de radioactividad: Radiación α. Radiación β. Radiación γ. Física 2º bachillerato Física nuclear 4

5 1. Radioactividad La radiación α: Los rayos α (o partículas α) se identificaron como núcleos de helio ( 4 2He) que han perdido dos electrones. Está constituida por núcleos de helio emitidos a km / s. Son positivos (+2, los núcleos no tienen e-), se desvían al lado negativo al atravesar un campo eléctrico. Su poder de penetración es muy débil (cm) y fáciles de apantallar (papel). Son muy ionizantes (10000) debido a su gran masa. Las partículas α atraviesan la barrera de potencial creada por las fuerzas nucleares. Se propaga con una velocidad del % de la luz. Física 2º bachillerato Física nuclear 5

6 1. Radioactividad La radiación β : Los rayos β se identificaron como rayos catódicos, llegando a la conclusión de que se trataban de electrones. Está constituida por electrones beta que proceden del núcleo por desintegración de un neutrón emitido a km/s. Son negativos (-1, son e-), se desvían al lado positivo al atravesar un campo eléctrico. Su poder de penetración es mayor (m) pero fáciles de apantallar (lámina de metal). Son poco ionizantes (100) debido a su menor masa. En realidad, supone la conversión de un neutrón en un protón y un electrón (que abandona el núcleo al crearse). Se propaga con una velocidad del 90 % de la luz. Física 2º bachillerato Física nuclear 6

7 La radiación γ : 1. Radioactividad Los rayos γ se identificaron como radiación electromagnética, son fotones muy energéticos. Son de naturaleza electromagnética (similar a los rayos X pero de mayor energía). Son neutros (0). No sufren desviaciones al atravesar campos eléctricos o magnéticos. Su poder de penetración es muy alto y difíciles de apantallar (1m de hormigón). Son muy ionizantes (10000) de forma indirecta (producen electrones muy energéticos que ionizan otros átomos). Se propaga a la velocidad de la luz. Física 2º bachillerato Física nuclear 7

8 2. DESINTEGRACIÓN RADIOACTIVA. La desintegración o desplazamiento radioactivo consiste en la emisión de radiación por parte del núcleo. Es un proceso espóntaneo que se desarrolla al azar y no depende de agentes externos (presión, temperatura, estado de agregación, ) Las leyes de desplazamiento radioactivo son: Cuando un núcleo emite una partícula α (varía el elemento): A 4 4 Z 2 2 Cuando un núcleo emite una partícula β (varía el elemento): A Z X X He A Z X X A Z 1 Cuando un núcleo emite radiación γ (altera el contenido energético sin variar el elemento): A Z X X Física 2º bachillerato Física nuclear 8 A Z

9 2. DESINTEGRACIÓN RADIOACTIVA. Una serie o familia radioactiva es una relación de isótopos naturales relacionados sucesivamente por la emisión de radiación. Es un conjunto de núcleos obtenidos por desintegraciones sucesivas a partir de un núcleo inicial. Series de la naturaleza (acaban todas en el plomo): serie del uranio (U-238), serie del torio (Th-232) y serie del actinio. Física 2º bachillerato Física nuclear 9

10 2. DESINTEGRACIÓN RADIOACTIVA. Física 2º bachillerato Física nuclear 10

11 RELACIÓN DE EJERCICIOS RADIOACTIVIDAD Física 2º bachillerato Física nuclear 11

12 2. DESINTEGRACIÓN RADIOACTIVA. La ley de desintegración radioactiva establece que el número de núcleos de una muestra disminuye de forma exponencial con el tiempo (es una ley de geocronología). N= número de núcleos presentes. N 0 = número de núcleos iniciales. λ= constante radiactiva de la especie nuclear. t = tiempo transcurrido. - = indica que al irse desintegrando el número de núcleos va disminuyendo. Es análogo para la masa (N= m / M ). t 0 Física 2º bachillerato Física nuclear 12 N N 0 N 0 /2 N 0 /4 N 0 /8 t ½ 2 t ½ 3 t ½ 0 t N N e m m e t

13 2. DESINTEGRACIÓN RADIOACTIVA. El periodo de semidesintegración o semivida es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos iniciales. N0 t ln 2 N N0 e t La vida media es el tiempo promedio de vida de los núcleos presentes en las muestras radioactivas. t m t ln 2 La actividad o velocidad de desintegración es el número de desintegraciones por unidad de t tiempo. dn d N0 e A... N dt dt Física 2º bachillerato Física nuclear 13

14 2. DESINTEGRACIÓN RADIOACTIVA Otras fórmulas de interés: Actividad: A A e 0 t Masa: m m e 0 t Becquerel: 1Bq 1 desintegración segundo Curio: 10 1Cu 3,7 10 desintegración segundo Física 2º bachillerato Física nuclear 14

15 2. DESINTEGRACIÓN RADIOACTIVA La datación del carbono-14 (C-14) consiste que en todos materia orgánica hay isótopos de C-14 (T 1/2 =5730 años), el cual se desintegra emitiendo partículas beta (β) C 7 N 1e Su velocidad para desintegrarse es igual que para formarse por lo que su proporción en el aire es constante (en el aire se forma por el bombardeo de nitrógeno por neutrones de los rayos cósmicos). N n C p La proporción de C-12 / C-14 varía proporcionalmente al tiempo que la materia permanece muerta. Así puedo estimar los años que hace que murió esa materia orgánica. Solo es aplicable a objetos menores de años, a mayor edad la proporción es tan pequeña que no puede medirse El método se ha puesto en cuestión ya que supone que la proporción de C-14 ha permanecido invariable los últimos años. Física 2º bachillerato Física nuclear 15

16 EJERCICIO-EJEMPLO El Th (232 y 90) inicia una serie radioactiva cuyas primeras emisiones son: α, β, β, α, α. Escribir todos los procesos que tienen lugar. Física 2º bachillerato Física nuclear 16

17 EJERCICIO-EJEMPLO El periodo de semidesintegración del Sr (90 y 38) es de 28 años. Calcular: a) Su constante radiactiva, expresándola en s -1. b) La actividad en curios de una muestra de 1 mg. c) El tiempo necesario para que la anterior muestra se reduzca a 0,25 mg. d) La actividad en curios de los 0,25 mg de la muestra. Física 2º bachillerato Física nuclear 17

18 RELACIÓN DE EJERCICIOS LEY DE DESINTEGRACIÓN Física 2º bachillerato Física nuclear 18

19 3. EL NÚCLEO. El núcleo es el corazón del átomo. Clásicamente, el núcleo está formado por unos constituyentes básicos denominados nucleones (protones y neutrones). El número másico (A) indica el número de nucleones (neutrones más protones). El número atómico (Z) indica el número de protones. El número de neutrones será la diferencia entre los números másico y atómico. Los isótopos son átomos con mismo número atómico y distinto número másico. Los isótopos son el mismo elemento pero tienen diferentes propiedades físicas. Física 2º bachillerato Física nuclear 19

20 3. EL NÚCLEO. Actualmente el núcleo está formado por: Fermiones: Partículas que forman la materia. Bosones: Partículas que transmiten las fuerzas. Ambos, pueden estar formados por partículas más elementales denominadas quarks. Física 2º bachillerato Física nuclear 20

21 3. EL NÚCLEO. Las fuerzas nucleares mantienen unidos a los nucleones dentro del núcleo. Entre sus propiedades tenemos: Son de atracción. Son muy intensas (100 veces más que las electromagnéticas). Son de corto alcance (nulas a partir de m). Son saturadas (cada nucleón está ligado a un número determinado de nucleones y no a todos). Las fuerzas nucleares (entre dos nucleones) son debidas a un constante intercambio de partículas pion (son un tipo de mesones). Física 2º bachillerato Física nuclear 21

22 3. EL NÚCLEO. La energía de enlace (o energía de ligadura del núcleo) que mantiene los nucleones unidos es la energía equivalente al defecto de masa experimentado por los núcleos (a mayor energía más unidos están los nucleones y más estable es el núcleo). Al formarse en núcleo a partir de sus componentes parte de la masa se transforma en energía para estabilizar al núcleo. Es la energía necesaria para disgregar un núcleo en sus nucleones. La masa de los núcleos es menor que la masa de los nucleones que lo componen. En un sistema aislado (no intercambia ni materia ni energía con el exterior) lo que se conserva es el conjunto de masa-energía (no individualmente). 2 E m c Física 2º bachillerato Física nuclear 22

23 3. EL NÚCLEO. La masa de los núcleos es inferior a la masa de las partículas que lo constituyen (independientemente e individualmente). Esta diferencia entre la masa experimental y la masa teórica se denomina defecto de masa: m Z m ( A Z) m m p Este defecto de masa se transforma en energía y se reparte entre todos los nucleones (energía de enlace por nucleon). La energía de enlace por nucleón es una medida de la estabilidad del núcleo, los núcleos más estables son los de mayor energía. Física 2º bachillerato Física nuclear 23 n exp

24 EJERCICIO-EJEMPLO La energía de empaquetamiento por nucleón para el Al (27 y 13) es de 1, J / nucleón. Hallar su masa atómica (con cinco decimales) en u.m.a. Datos: m protón = 1,00728 u; m neutrón = 1,00867 u. Física 2º bachillerato Física nuclear 24

25 EJERCICIO-EJEMPLO La fisión del 235 U, al capturar un neutrón, produce 95 Sr, 139 Xe y dos neutrones. a) Escribe la reacción y calcula la energía liberada por núcleo de uranio fisionado. b) Calcular la energía liberada al fisionarse completamente 1 gramo de uranio. Datos: U = 235,0439 u; Sr = 94,9403; Xe = 138,9301; nº = 1,0087 Física 2º bachillerato Física nuclear 25

26 RELACIÓN DE EJERCICIOS NÚCLEO Física 2º bachillerato Física nuclear 26

27 3. EL NÚCLEO. Los modelos más actuales para describir las propiedades nucleares son los modelos de gota líquida y el de capas, explican por distintos caminos las propiedades observadas. Ambos modelos son complementarios (no contradictorios) ya que explican distintas propiedades observadas en los núcleos por distintos caminos. Física 2º bachillerato Física nuclear 27

28 3. EL NÚCLEO. El modelo nuclear de gota líquida supone que cada partícula solo interacciona con las más próximas. El modelo nuclear de capas postula que cada nucleón interacciona con el campo de fuerzas creado por el resto de nucleones. Actualmente el modelo colectivo combina los mejores aspectos de estos modelos. Física 2º bachillerato Física nuclear 28

29 4. LAS REACCIONES NUCLEARES. Las reacciones nucleares se realizan mediante el choque de una partícula (o un núcleo) con un núcleo formando un núcleo excitado. Posteriormente el núcleo excitado se divide o emite alguna partícula. Para que se produzca la reacción nuclear se tiene que superar un valor energético denominado barrera de potencial (o barrera de Coulomb) provocado por la repulsión de carga entre la partícula y el núcleo. Su valor depende de las características de la partícula y del tipo de núcleo. Física 2º bachillerato Física nuclear 29

30 4. LAS REACCIONES NUCLEARES. En las reacciones nucleares (proceso por el que un núcleo cambia su composición) se conserva: La carga eléctrica. El número total de nucleones. La cantidad de movimiento. El conjunto masa-energía. Las principales reacciones nucleares son: Fisión nuclear. Fusión nuclear. En ambos casos se obtiene una gran cantidad de energía mediante la desintegración de parte de la masa de los reactivos. Física 2º bachillerato Física nuclear 30

31 4. LAS REACCIONES NUCLEARES. La fisión nuclear es la escisión de un núcleo pesado (A>230) en varios núcleos ligeros denominados fragmentos de fisión. Un núcleo pesado se divide en dos núcleos más ligeros y más estables que el de partida. Es un proceso exoenergético (desprende energía). Esta reacción se puede dar en cadena (controlada o descontrolada bomba atómica-) U 0n 56Ba 36Kr 3 0n MeV Física 2º bachillerato Física nuclear 31

32 4. LAS REACCIONES NUCLEARES. La fusión nuclear es el proceso de unión de núcleos pequeños para formar núcleos mayores (se considera la energía del futuro). Dos núcleos ligeros se unen dando lugar a otro más pesado y más estable. Es un proceso exoenergético (desprende energía). 2 1 H 3 1 H 4 2 He 1 0 n 14,6 MeV Física 2º bachillerato Física nuclear 32

33 4. LAS REACCIONES NUCLEARES. Los reactores nucleares se usan para obtener energía a partir de reacciones nucleares en cadena (suelen ser de fisión). Son dispositivos diseñados para producir reacciones nucleares controladas (de fisión) con objeto de aprovechar la energía que se desprende y/o los isótopos radioactivos que se producen. Sus elementos básicos son: Combustible (material fisionable U-235, Pu-239, -). Moderador (disminuye la energía de neutrones). Barras de control (absorben neutrones regulando la producción de energía). Circuito primario de refrigeración (extrae calor del núcleo del reactor). Reflector (evita pérdida de neutrones). Blindaje y otros sistemas de protección y seguridad. Se diferencian principalmente en: Combustible (uranio natural, uranio enriquecido, plutonio, ). Refrigerante (agua ligera o pesada, gas -He, CO 2 -, aire, ). Moderador o controlador (agua ligera, agua pesada, grafito, ). Física 2º bachillerato Física nuclear 33

34 4. LAS REACCIONES NUCLEARES. Las centrales nucleares funcionan como las centrales térmicas donde el calor se utiliza en un circuito cerrado de agua (circuito secundario abierto o cerrado) para calentarla y que el vapor mueva una turbina (conectada a un generador o alternador) que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Se aprovecha los isótopos radioactivos que se producen en: Medicina (diagnóstico, radioterapia, esterilización). Investigación (trazadores, datación, ). Industria (radiografía, medidas, trazadores, reacciones, ). Doméstico (detectores de humo, pararrayos, ). Física 2º bachillerato Física nuclear 34

35 4. LAS REACCIONES NUCLEARES. La contaminación radiactiva es la presencia no deseada de sustancias radiactivas en el interior de cualquier materia u organismo vivo. Los residuos radiactivos se clasifican: Según su estado físico: sólido, líquido o gaseoso. Según el tipo de radiación que emiten: α, β ó γ radioemisores. Según su actividad específica: alta actividad y baja actividad. Física 2º bachillerato Física nuclear 35

36 5. PARTÍCULAS ELEMENTALES. Las partículas elementales o subatómicas se clasifican en: Según el valor de spin: Bosones. Fermiones. Según su estructura: Leptones. Hadrones. Mesones. Bariones. Física 2º bachillerato Física nuclear 36

37 5. PARTÍCULAS ELEMENTALES. Física 2º bachillerato Física nuclear 37

38 5. PARTÍCULAS ELEMENTALES. Según el valor de spin tenemos: Bosones: Son partículas con spin entero (0,1,2, ). No siguen el principio de exclusión de Pauli. Transmiten las fuerzas entre las partículas de la materia. Ej: fotón. Fermiones: Son partículas con spin semientero (1/2, 3/2, ). Siguen el principio de exclusión de Pauli. Constituyen la materia. Ej: electrón, protón y neutrón. Física 2º bachillerato Física nuclear 38

39 5. PARTÍCULAS ELEMENTALES. Según su estructura tenemos: Leptones: Carecen de estructura interna (son auténticas elementales). Ej: electrón, muón, tauó, neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico. Hadrones: Tienen estructura interna (se pueden descomponer dando otras partículas más elementales). Ej: protón, neutrón, partícula lambda, piones, La estructura interna está formada por otras partículas elementales denominadas quarks (y sus antipartículas antiquarks). Ej: up (arriba), down (abajo), strange (extraño), charm (encanto), bottom (fondo) y top (cima). Física 2º bachillerato Física nuclear 39

40 5. PARTÍCULAS ELEMENTALES. Los hadrones se clasifican en: Mesones: Son bosones (con spin entero). Se desintegran en leptones y fotones. Están formados por un quark y un antiquark. Bariones: Son fermiones (con spin semientero). Están formados por tres quarks. Los quarks interactúan intercambiando unas partículas denominadas gluones. Física 2º bachillerato Física nuclear 40

41 5. PARTÍCULAS ELEMENTALES. 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 1 CARGA 2 ESPÍN 3 ANTIPARTÍCULA SÍMBOLO Electrón Muón Tauón Neutrino electrónico e 0,51 1 1/2 e / /2 + e 0 0 1/2 e Neutrino muónico 0 0 1/2 Neutrino tauónico 0 0 1/2 1 Masa: medida en MeV/c 2 2 Carga: medida en 1, C 3 Espín: medido en ħ = 1, Js Física 2º bachillerato Física nuclear 41

42 5. PARTÍCULAS ELEMENTALES. 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 1 CARGA 2 ESPÍN 3 L B ANTIPARTÍCULA Mesones Bariones Protón Neutrón Partícula lambda Pión Pión 0 Pión + p /2 0 1 p n /2 0 1 n / Masa: medida en MeV/c 2 2 Carga: medida en 1, C 3 Espín: medido en ħ = 1, Js Física 2º bachillerato Física nuclear 42

43 5. PARTÍCULAS ELEMENTALES. 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 1 CARGA 2 ESPÍN 3 L B ANTIPARTÍCULA Up (arriba) Down (abajo) Strange (extraño) u 3 +2/3 1/2 0 1/3 u d 6 1/3 1/2 0 1/3 d s 120 1/3 1/2 0 1/3 s Charm (encanto) Bottom (fondo) Top (cima) c /3 1/2 0 1/3 b /3 1/2 0 1/3 t /3 1/2 0 1/3 1 Masa: medida en MeV/c 2 2 Carga: medida en 1, C 3 Espín: medido en ħ = 1, Js c b t Física 2º bachillerato Física nuclear 43

44 5. PARTÍCULAS ELEMENTALES. Física 2º bachillerato Física nuclear 44

45 6. INTERACCIONES Y UNIFICACIÓN. Todas las interacciones entre partículas se reducen a cuatro interacciones fundamentales (de menor a mayor intensidad): Interacción gravitatoria: Interacción electromagnética: Se da en todas las partículas con masa y su alcance es infinito. Es la de menor intensidad. Es la responsable de la estructura macroscópica del universo. Explica la gravitación y es originada por le gravitón (postulado pero no probado). Interacción nuclear débil: Se da en partículas leptónicas y hadrónicas (protones, neutrones y electrones). Tiene un alcance pequeño. Explica la emisión beta y es originada por los bosones. Se da en fotones, partículas con carga eléctrica y partículas con momento magnético. Su alcance es infinito. Es la responsable de la estructura microscópica. Explica el electromagnetismo, enlace químico, y es originada por fotones. Interacción nuclear fuerte: Afecta a los quarks y su alcance es muy corto. Es la más intensa. Explica las fuerzas nucleares y es originada por gluones. Física 2º bachillerato Física nuclear 45

46 6. INTERACCIONES Y UNIFICACIÓN. Se busca una teoría que sea capaz de unificar todas las interacciones en una única fuerza que explicaría todos los fenómenos del universo, que explique todas las interacciones fundamentales entre sus componentes dentro de un mismo contexto. T E O R Í A E S T Á N D A R UNIFICACIÓN GRAN UNIFICACIÓN SUPERGRAVEDAD gravitatoria gravitatoria gravitatoria INTERACCIONES débil electromagnética electrodébil fuerte-electrodébil supergravedad fuerte fuerte Física 2º bachillerato Física nuclear 46