12. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA NUCLEAR Y DE LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES.

Transcripción

1 Física modrna INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA NUCLEAR Y DE LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES. La Física nuclar y d partículas, íntimamnt ligadas, constituyn uno d los dominios más rlvants d la Física modrna. El conociminto cada vz más profundo d la structura d la matria, mdiant xprimntos n los aclradors d partículas, nos stá llvando, paradójicamnt, a ntndr l orign y volución dl univrso. Al conociminto cintífico n st ámbito s ha unido casi d inmdiato la aplicación técnica (producción d nrgía n cntrals nuclars, radiotrapia médica para l trataminto d tumors malignos, marcaj radiactivo para l sguiminto d raccions químicas, producción d mutacions n plantas para la mjora d las coschas agrícolas, las bombas atómicas,...). La trmnda cantidad d nrgía qu pud librar l núclo atómico constituy, al timpo qu un pligro potncial n manos d la humanidad, un bin al qu nustra socidad no pud rnunciar (al mnos, d momnto). Dsarrollamos la unidad d acurdo con l siguint hilo conductor: 1. El camino hacia l núclo atómico Concptos y términos básicos d la Física nuclar. 1.. Intraccions nuclars y nrgías d nlac.. Mcanismos y lys d la dsintgración radiactiva..1. Ly dl dcaiminto radiactivo... Mcanismos d dsintgración radiactiva..3. Raccions nuclars. 3. Las partículas lmntals y las intraccions fundamntals d la naturalza Partículas lmntals. 3.. Intraccions fundamntals. APÉNDICES: A.1. Principios d funcionaminto d una cntral nuclar. A.. El siglo XX, l siglo d la física. 1. EL CAMINO HACIA EL NÚCLEO ATÓMICO. La ida d qu la matria no s indfinidamnt divisibl, sino qu stá compusta n último término por algún tipo d nt individual s muy antigua. A principios d la época griga ya s hablaba d átomos, aunqu stas partículas no furon dfinidas con prcisión hasta dspués dl studio cuantitativo d la matria ralizado n l siglo XIX. La ida d qu los átomos no ran las partículas últimas tuvo qu sprar hasta l final d dicho siglo, y no s llgó al concpto d núclo como pquño cntro dl átomo hasta la sgunda década dl s. XX. 1 La física y química nuclars comnzaron n 1896, cuando A.H. Bcqurl obsrvó qu cirtas sals d uranio mitían radiacions smjants a los rayos X dscubirtos por W.K. Roëntgn l año ants. Estas obsrvacions furon sguidas rápidamnt por la propusta dl lctrón como constituynt dl átomo por J.J. Thomson (1897), l aislaminto dl polonio y dl radio por l matrimonio Curi (1898), l hallazgo d E. Ruthrford (1899) d qu las radiacions mitidas por l uranio ran d dos class, a las qu llamó rayos alfa () y bta () y l dscubriminto d los rayos gamma () por P. Villard n 196. Postriormnt llgó a comprndrs su naturalza (tabla 1). En 197 J.J. Thomson propuso un modlo atómico qu consistía n una sfra cargada positivamnt n la cual s ncontraban distribuidos los lctrons; pro los datos d H. Gigr y E. Marsdn (199), sobr disprsión Figura 1 d partículas alfa al atravsar láminas mtálicas dlgadas, no concordaban con st modlo (figura 1). Fu n Ants d sguir dscribindo l dsarrollo d la física nuclar, una brv rflxión sobr l significado d muchos concptos fisicos. S habla d átomos, núclos, protons, lctrons, tc., como si s trataran d pquñas bolitas dscubirtas n un momnto dado, vistas con ayuda d compljos instrumntos, d forma análoga al hallazgo d un objto prdido o al dscubriminto d una obra inédita d un scritor o pintor dl siglo d oro. Nada más ljos d la ralidad cintífica. Los átomos, protons, lctrons, son concptos qu rprsntan a ntidads qu sólo tinn significado n l marco d una toría para xplicar las propidads d la matria. Los xprimntos prmitn obsrvar las ntidads, ponn d manifisto qu l concpto invntado s adcuado para xplicar l comportaminto d la matria. Dbmos hacr un sfurzo para difrnciar ntr la ralidad y la toría qu trata d xplicar sa ralidad. La radiactividad no s pud obsrvar dirctamnt y s dtcta y mid por mdio d los fctos qu produc n su intracción con la matria (misión d luz visibl al chocar las radiacions con sustancias fluorscnts, la capacidad d ionizar moléculas o átomos d cirtas sustancias o l djar un rastro n mulsions fotográficas). Los métodos d dtcción son muy variados, pro pudn dividirs n dos grupos sgún l tipo d fnómno qu tnga lugar n la intracción: métodos léctricos (cámaras d ionización, contadors Gigr,...) y métodos ópticos (contadors d cntllo, cámaras d nibla, cámaras d burbujas, mulsions fotográficas,...).

2 Física modrna 17 cuando Ruthrford propuso su modlo d átomo con una carga cntral, qu ocupaba un volumn muy pquño n rlación con l átomo ntro 3, a la qu siguió su dmostración d qu st núclo daba cunta d la mayor part d la masa atómica y d toda la carga positiva, y qu los lctrons s distribuían n un volumn rlativamnt grand alrddor d él, n númro suficint para hacr l átomo léctricamnt nutro. En 1911 Soddy stablció qu cirtas sustancias con idéntico comportaminto químico, constituidas por tanto por l mismo lmnto, tnían propidads radiactivas difrnts; ran los isótopos radiactivos. En sos años s idntificó l númro atómico (Z) con la carga nuclar (hasta ntoncs sólo había indicado la posición dl lmnto n la Tabla Priódica). Est hcho, unido a la rlación ncontrada por Mosly ntr l spctro d rayos X caractrístico d un lmnto y su númro atómico Z, condujo a colocar los lmntos conocidos n su posición corrcta. Sin mbargo, s obsrvó qu mintras la carga léctrica dl núclo aumnta n una unidad al pasar d átomos d un lmnto a átomos dl lmnto siguint n la Tabla Priódica, la masa crcía, al mnos n los primros lmntos, n dos unidads. Esto suponía qu había n los núclos una masa nutra qu no aportaba carga. Ruthrford pnsó n la posibl xistncia d pars protón-lctrón (nutros, por tanto) qu compltaba la masa qu faltaba (sta hipótsis prmitía xplicar también l mcanismo d misión d lctrons bta d los núclos radiactivos); llamó nutrons a stos pars. J. Chadwick dscubrió xprimntalmnt los nutrons bastant tard, n 193, al bombardar una mustra d brilio con rayos Tabla 1. Caractrísticas d las radiacions alfa, bta y gamma Tipo d radiación Naturalza H ( p n) lctromagnética Carga -1 (sin carga) Vlocidad (habitual),1c Hasta,9c c Enrgía (habitual) 1 MV D,3 a 3 MV 1 MV Efcto ionizant Podr d pntración y dtnción (valors orintativos; dpndn d la vlocidad (n las y) o d la frcuncia (n las). Efcto dl campo léctrico Efcto dl campo magnético 1 5 pars iónicos/mm n air (al sr nutros, su dtcción ra difícil, pus no s dsviaban ant campos léctricos o magnéticos y tampoco producn ionización), dmostrando qu tnían ntidad propia como partícula y qu no ra ncsario considrarlos como pars protón-lctrón; s constató también qu su masa ra prácticamnt igual a la masa dl protón (tabla ) CONCEPTOS Y TÉRMINOS BÁSICOS DE LA FÍSICA NUCLEAR. 1 3 pars iónicos/mm n air 1 pars iónicos/mm n air Tabla. Caractrísticas d las partículas dl átomo nuclar Partícula Carga léctrica Masa Radio Protón (p) 1, C 1, kg 1,78 u 938,6 MV/c 1, fm Nutrón (n) Elctrón () Los núclos d los átomos, núclidos o nuclidos, s rprsntan simbólicamnt como A Z X, dond: X s l símbolo dl lmnto químico al qu prtnc l núclo dl átomo; Z s l númro atómico (númro d protons qu lo constituy; todos los núclos con igual Z prtncn a átomos dl mismo lmnto; n un átomo nutro, Z idntifica admás al númro d lctrons); A s l númro másico (númro d nuclons qu lo constituyn, o sa, suma d protons y nutrons prsnts n l núclo). Los núclidos isótopos son aqullos con igual númro d protons (mismo Z) pro distinto d nutrons (distinto A); por jmplo, 1 1 H (protio), 1 H (dutrio), 3 1 H (tritio) son los trs isótopos dl hidrógno. Dado qu los isótopos prtncn a átomos dl mismo lmnto químico, podmos también dsignar un núclo mdiant l símbolo dl lmnto y A únicamnt; por jmplo, un núclo d carbono qu posa 6 p y 8 n s rprsnta 14 6C o C-14. Aunqu difiran n sus propidads físicas, todos los isótopos prsntan las mismas propidads químicas, al vnir dtrminadas éstas por sus configuracions lctrónicas, idénticas para todos llos; sta idntidad química posibilita l uso d isótopos como marcadors, técnica muy xtndida, por jmplo, n mdicina. C - 1, C 1, kg 1,87 u 1, fm 939,55 MV/c 9, kg 5, u fm,511 MV/c 3 Estudios postriors han dmostrado qu la mayoría d los núclos son sféricos, si bin sus bords son difusos, y su tamaño s dl ordn d 1 frmi o fntómtro (1 fm = 1-15 m, frnt a los 1-1 m dl tamaño atómico). Muchos studios indican qu l radio nuclar val muy aproximadamnt: r = 1, A 1/3 fm, lo qu indica qu la dnsidad d los núclos no dpnd dl númro másico A, sino qu s mantin constant y con un lvado y difícilmnt imaginabl valor (unos 1 18 kg/m 3 ).

3 Física modrna 18 Las abundancias naturals d los isótopos pudn difrir sustancialmnt. Por jmplo, 11 6 C, 1 6 C, 13 6C y 14 6C son los isótopos d carbono; la abundancia natural dl C-1 s dl 98,9%, mintras qu la dl C-13 s d sólo l 1,1%; los otros s ncuntran n proporcions ínfimas n la naturalza, aunqu pudn sr producidos n l laboratorio por mdio d raccions nuclars. La proporción qu guardan ntr sí los isótopos d un lmnto químico s prácticamnt constant, sa cual sa la funt d la qu s ha obtnido l lmnto. La masa d un lmnto 4 s calcula tnindo n cunta las abundancias naturals, s dcir, s trata d un promdio d las masas d los isótopos, sopsadas d acurdo con las abundancias naturals. A.1. Rsulv las siguints actividads: A.1.1. Qué caractrísticas prsntan las radiacions, y? A.1.. Qu rgión dl átomo s rsponsabl d las propidads químicas dl lmnto y cuál d las propidads radiactivas? A.1.3. El antimonio natural, d masa 11,8 u s una mzcla d isótopos d masas atómicas 11 u y 13 u. Indica la composición d cada uno d stos isótopos y calcula la proporción n qu s ncuntran. 1.. LAS INTERACCIONES NUCLEARES Y LAS ENERGÍAS DE ENLACE. Si l núclo stá formado por protons y nutrons: qué hac qu pudan prsistir protons n l núclo, vncindo las intnsas furzas d rpulsión lctrostática? Los núclos no podrían sr stabls si sólo xistiran la furza gravitatoria y la lctromagnética. La rpulsión léctrica ntr protons, unas 1 36 vcs mayor qu la atracción gravitatoria, dbría dsintgrar l núclo. Db xistir, por consiguint, un trcr tipo d furza qu mantnga unidos a los nuclons y proporcion así la stabilidad nuclar. Las caractrísticas (intnsidad, alcanc) d sta nuva furza, dnominada intracción nuclar furt, s dducn xprimntalmnt d los studios sobr la structura nuclar, basados n la disprsión d partículas causadas por los núclos y n las raccions nuclars (studiadas más adlant): - D la constancia d la dnsidad d los núclos y su indpndncia dl númro másico, s driva l corto alcanc d la furza nuclar furt. Cada nuclón intracciona furtmnt con los nuclons vcinos, a distancias dl ordn d unos 1-15 m (lo qu contrasta con l alcanc hasta l infinito d las intraccions gravitatoria o lctromagnética). - La furza nuclar mustra indpndncia d la carga léctrica, s dcir, ntr dos protons s la misma qu ntr dos nutrons o ntr un protón y un nutrón. Figura - La lvada cantidad d nrgía qu rquir la fragmntación dl núclo mustra la lvada intnsidad atractiva d la furza nuclar (unas 1 vcs suprior a las intraccions lctromagnéticas), pro s manifista rpulsiva a distancias mucho mnors qu las dl alcanc (figura ). Una ida d la fortalza d la intracción nuclar la proporciona la nrgía d nlac nuclar o nrgía d ligadura (B), qu rprsnta la nrgía librada cuando s unn los nuclons para forman un núclo. S ha comprobado xprimntalmnt qu la masa dl núclo simpr s ligrísimamnt mnor qu la suma d las d los nuclons qu lo forman; st dfcto d masa nuclar (m=(z m p (A-Z) m n ) - m X ) xplica, a la luz d la toría d la rlatividad, la gran cantidad d nrgía librada (B=E=m c ) y la stabilidad qu adquir l núclo. Si la nrgía d nlac nuclar (B) s divid ntr l númro d nuclons dl núclo (A) s obtin la nrgía mdia d nlac por nuclón (B/A), una mdida d la stabilidad d los distintos núclos (figura 3). En los núclos Figura 3 ligros s obsrva un aumnto brusco d la nrgía d nlac por nuclón, pro a partir d A>16 s stabiliza ntr 8 y 9 MV, dcayndo lntamnt para núclos psados; l máximo d stabilidad corrspond a los núclos smipsados con A igual a 6 (F, Co, Ni) 5. Esta volución nos llva a qu si s unn dos núclos ligros ntr sí, 4 Las masas d las partículas lmntals y d los distintos núclidos y átomos s dtrminan con spctrómtros o spctrógrafos d masas. Las masas s midn n términos d la unidad d masa atómica (u), pus no rsulta razonabl manjar l kg, ya qu la masa d los átomos s trillons d vcs mnor qu dicha unidad. La u s la masa qu corrspond a la docava part d la masa dl isótopo C-1 y s igual a 1, kg. 5 S prsntan una sri d picos d stabilidad (H-4, C-1, O-16,...) dntro d la figura 3 qu s corrspondn con lmntos bastant abundants n la naturalza. Est hcho pon d manifisto la xistncia d nivls nrgéticos n l núclo, d forma análoga a como ocurr con la cortza lctrónica.

4 Física modrna 19 para formar un núclo mayor (fusión), o si un núclo psado s divid n dos fragmntos mnors (fisión), s libra nrgía, nrgía qu podrmos aprovchar si l procso d fusión o fisión s hac d forma controlada. A.. Rsulv las siguints actividads: A..1. Los núclos pudn sr stabls o instabls (pudn dsintgrars n más o mnos timpo). Si rprsntamos l númro d nutrons N d los núclos n función dl númro atómico Z s obtin la figura adjunta. Justifica la forma d la gráfica antrior n bas a la intracción nuclar furt. A... Sabindo qu 1 u = 1, kg; mp = 1,78 u; mn = 1,87 u, dtrmina: a) La nrgía qu corrspond a un dfcto d masa nuclar d 1 u n MV. b) La nrgía d nlac por nuclón dl C-1 (1, u) y dl C-13 (13,335 u). Cuál s más stabl? 35 c) La masa n u dl 17 Cl, si su nrgía d nlac s d 89 MV.. LEYES Y MECANISMOS DE LA DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA. Un núclido s stabl si prmanc n l mismo stado d no sr prturbado por algún agnt xtrno. Muchos d los qu xistn n la naturalza son d st tipo, pro a partir d Z>81 abundan también los instabls (figura 4), qu tindn a cambiar naturalmnt a un stado d mnor nrgía mitindo partículas ( o ) o pura radiación lctromagnética (fotons ). Los nuclidos instabls, naturals o artificials, crados mdiant raccions nuclars, s llaman radiactivos, y al procso d misión s llama radiactividad o también dsintgración o dcaiminto radiactivo. Figura 4.1. LEY DEL DECAIMIENTO RADIACTIVO. Ants d conocr la naturalza d los procsos qu tinn lugar n los núclos atómicos, Ruthrford y Soddy formulan n 19 la ly dl dcaiminto o dl dcrciminto radiactivo, al comprobar qu la cantidad d núclos radiactivos inicials (N ) disminuy con l timpo siguindo una curva xponncial (figura 5), cumpliéndos qu: N=N o -t, dond N s l númro d núclos radiactivos al cabo d un timpo t, y s una constant d dsintgración o d dcaiminto, caractrística d cada sustancia radiactiva indpndint d su cantidad inicial. La constant qu mid la probabilidad d qu ocurra al azar una dsintgración por unidad d timpo, s dcir, mid l ritmo fijo d cada sustancia n la misión d partículas radiactivas. La invrsa d s conoc como vida mdia ( = 1/) y dtrmina, por tanto, l timpo mdio ncsario para qu s produzca una Figura 5 dsintgración. S llama príodo d smidsintgración al timpo mdio qu transcurr n un procso radiactivo para qu N T ln 1/ l númro d núclos d los átomos inicials s rduzca a la mitad. Por tanto: No T 1/ = = ln (Unidad SI: s). Al cocint dn dt s l llama actividad (A) d una sustancia radiactiva y s una mdida d la vlocidad dn mdia con qu s dsintgra la sustancia: A = = N = No -t. (Unidad SI.: bcqurl (Bq); 1 Bq = 1 dt dsintgración/s. Otras unidads: curio (Ci); 1 Ci = 3,7 1 1 Bq). Vmos qu los procsos d dsintgración radiactiva son d naturalza probabilística (una nuva confirmación d la toría cuántica): no podmos sabr cuando va a dsintgrars un dtrminado núclo radiactivo (nuvo jmplo d indtrminación), pro n una mustra inicial d N núclos radiactivos, si podmos dtrminar l timpo mdio qu tarda dicha mustra n rducirs a la mitad (T 1/ ), o la vlocidad mdia d dsintgración d la mustra (A). Cuanto mayor sa la vida mdia o l príodo d smidsintgración d una sustancia radiactiva, más dspacio s dsintgra y, por tanto, mnor srá la constant d dsintgración o d dcaiminto. Los isótopos muy activos ( grand) tinn ot 1/ muy cortos. Los valors d T 1/ oscilan ntr 1-1 s y 1 14 años para núclos d átomos muy stabls. A.3. Rsulv las siguints actividads:

5 Física modrna 6 A.3.1. Un gramo d radio 88 Ra tin una actividad d 1 Ci (3,7.1 1 dsintgracions /s). Dtrmina l príodo d smidsintgración dl radio n años. Rcurda qu 1 mol d partículas quival a 6, 1 3 partículas. A.3.. Qué timpo s ncsario para qu la actividad d una mustra radiactiva disminuya n un 3% si la constant d dsintgración s d 4, s -1? A.3.3. El príodo d smidsintgración d un núclo radiactivo s d 7 días y n un instant tnmos 4, núclos. Calcula l númro d núclos qu qudará al cabo d un año. A.3.4. La actividad d una mustra radiactiva disminuy a su quinta part n l transcurso d 7 días. Calcula: a) la constant d dsintgración; b) l príodo d smidsintgración. A.3.5. Uno d los productos d fisión qu s ncuntra n l polvo radiactivo procdnt d la xplosión d una bomba atómica s l Sr-9. Una mustra pura d Sr-9 proporciona una actividad d 1. dsintgracions/min. Si la actividad d la mustra dspués d un año s d 975, dsintgracions/min, cuál s l príodo d smidsintgración dl Sr-9?.. MECANISMOS DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA. La radiactividad, natural o artificial, s fundamntalmnt un mcanismo por l qu los núclidos instabls s transforman n otros más stabls, mdiant la libración d partículas ( o ) o d pura radiación lctromagnética (fotons ). En los procsos d dsintgración radiactiva, al igual qu n cualquir procso físico o químico, s cumpln, admás d la ly dl dcaiminto radiactivo, las lys d consrvación: s consrva l conjunto masanrgía, la carga léctrica, l númro total d nuclons, l momnto linal y l angular. A) MODO DE DESINTEGRACIÓN ALFA (). La dsintgración por part d un núclo origina un nuvo núclo d un lmnto con un Z infrior n dos unidads y un A infrior n cuatro unidads. El procso qu tin lugar s l siguint: A A Z X Z Y H ( ) Ej.: 84 Po 8 Pb H La dsintgración s caractrística d núclos psados, con Z>81. El procso va acompañado d la misión d una gran cantidad d nrgía, la mayor part d la cual stá asociada a la nrgía cinética qu adquir la partícula (con vlocidads dl ordn d 1 7 m/s, s trata d un xclnt proyctil para intrvnir n otras raccions nuclars). B) MODO DE DESINTEGRACIÓN BETA ( - y ) Y CAPTURA ELECTRÓNICA. La dsintgración ( - ) por part d un núclo origina un nuvo núclo d un lmnto con un Z suprior n una unidad, pro con igual A: A Z X A Z 1Y 1 ( ) Ej.: C 7 N 1 Hay otros núclos qu libran positrons (dsintgración ), la antipartícula 6 dl lctrón: A Z X A Z 1Y 1 ( ) Ej.: C 5 B 1 ( ) El mcanismo d la dsintgración trajo d cabza a los físicos durant algunos años, porqu parcía violar las consagradas lys d consrvación d masa-nrgía y dl momnto linal. Acptando la inviolabilidad d stas lys, W. Pauli postuló n 193 qu, a la vz qu s mitía un lctrón o positrón, s mitía otra partícula nutra y aparntmnt carnt d masa; E. Frmi bautizó a sta pquña partícula nutra cono nutrino () o antinutrino ( ) (dtctados xprimntalmnt n 1957). La dsintgración s dbida a qu los núclidos instabls tinn o dmasiados nutrons o dmasiados protons. S alcanza la stabilidad con intrconvrsions nutrón protón: n 1 p 1 ( ) 1 p 1 n 1 ( ) Otro mcanismo d dsintgración s la captura lctrónica o captura K, n núclidos psados con xcso d protons. Consist n la captura d un lctrón d las capas intrnas (K, L) por part dl núclo, sguida d la transformación d un protón n un nutrón. El rsultado final s: A Z X 1 A Z 1Y ( ). Para xplicar la instabilidad asociada a las intrconvrsions nutrón protón, Frmi postuló la xistncia d una cuarta intracción, la intracción nuclar débil, dado qu su intnsidad ra mnor qu la corrspondint a las intraccions nuclar furt y lctromagnética. C) MODO DE DESINTEGRACIÓN GAMMA (). 6 En 193 P. Dirac, dsarrollando la toría cuántica, llga a qu todas las partículas atómicas dbn tnr su corrspondint antipartícula: lctrón ( 1 )-positrón ( 1 ); nutrino ( )-antinutrino ( );...); d carga opusta pro d idéntica masa n rposo. La hipótsis d Dirac s confirmada n 193 por Carl Andrson ( ), al dscubrir l positrón, la antipartícula dl lctrón, n sus studios sobr los rayos cósmicos.

6 Física modrna 1 Los rayos son fotons d altísima nrgía (dl ordn d algunos MV) y, por tanto, no posn ni carga ni masa n rposo. Son mitidos por los núclos atómicos n stado xcitado al pasar a otro stado mnos nrgético, sindo la nrgía dl fotón mitido la difrncia d nrgía ntr stos stados. En st procso d radiación no hay cambio d un tipo d núclo a otro, por lo cual, tanto l númro atómico como la masa atómica dl núclo misor prmancn invariabls. Es una misión radiactiva qu gnralmnt acompaña a las misions y. El procso d dsxcitación s pud scribir como: X * Z A X. A Z S pud admitir qu n l núclo, al igual qu n la cortza lctrónica, xistn difrnts nivls d nrgía, d modo qu los nuclons pudn disponrs n una u otra configuración, rsultando qu una d llas s más stabl qu las otras, l stado fundamntal, sindo cualquir otra disposición un posibl stado xcitado. SERIES RADIACTIVAS. La invstigación d la dsintgración d todas las sustancias radiactivas prmitió su agrupación n cuatro familias o sris radiactivas, trs naturals (la dl torio, la dl uranio-radio y la dl uranio-actinio) y una, la dl nptunio, artificial. Todas las sris tinn su orign n nuclidos cuyos príodos d smidsintgración son muy grands y todas acaban cuando l procso d dsintgración conduc a la formación d un nuclido stabl (tabla 3). EL PELIGRO DE LAS RADIACIONES. Las misions radiactivas, y, junto con otras como los rayos X, son misions d alta Radiactivo nrgía lo qu ls dota d un important númro d aplicacions técnicas (aprovchaminto nrgético, utilización d isótopos radiactivos o radioisótopos para aplicacions médicas, industrials, arquológicas, agrícolas, ), acompañadas d un alto nivl d risgo para la salud humana si no s toman las dbidas prcaucions. Su pligro s db a varias razons, ntr llas al hcho d qu no tngamos órganos snsorials qu las dtctn y nos indiqun cuándo somos irradiados, y a qu sus fctos no son instantános (pudn aparcr muchas vcs dspués d algunos años), admás d sr acumulativos. Por tanto, nustros tjidos dañados al rcibir una dosis d radiación, no mustran lsions n algún timpo, o lo hacn cuando ya no hay un posibl trataminto. La corta historia dl conociminto d stas radiacions ya mustra abundants casos d su pligrosidad: la murt d algunos d los primros cintíficos qu las invstigaron como Mari Curi; l stado d los pacints tratados con cobaltotrapia; los radiólogos afctados por los rayos X; la murt por cáncr d muchos trabajadors qu durant los años afinaban los pincls con sus labios para pintar sfras d rloj; la murt d muchos afctados por los accidnts n los ractors nuclars, como n Chrnobil; l uso bélico d stas radiacions, como n l caso d las bombas lanzadas sobr Hiroshima y Nagasaki. Cuál s la acción d stas radiacions? Podmos dcir qu s d varios tipos, fctos térmicos al sr absorbidas, producción d roturas d las moléculas orgánicas, y por tanto iniciación d raccions químicas no prvistas n l organismo, tc.; pro n dfinitiva, la radiación dstruy las células y sus conglomrados, los tjidos. Los tjidos más radiosnsibls son los mnos spcializados, aqullos cuyas células mantinn alto su podr rgnrativo (s dcir, qu s multiplican bastant para cumplir su misión biológica: pil, aparato rproductor, células sanguínas, médula ósa o las pards dl stómago intstinos). La radiación produc células dgnradas, incapacs d dividirs. Si s alta la dosis, l númro d stas células s tal qu l tjido quda dstruido. Dosis grands d radiación producn nrojciminto d la pil y pudn dar lugar a una rproducción dscontrolada d sus células, l llamado cáncr d pil, a la strilización dl sujto o a cataratas n los ojos. Dpndindo d la dosis los tjidos s rcuprarán, al mnos aparntmnt, o s producirán fctos prmannts. Sobr la sangr actúa la radiación d varias formas, impid la formación d glóbulos rojos, lo qu conduc a murt por anmia, dstruy los glóbulos blancos con lo qu l individuo quda indfnso ant cualquir ataqu bactriano, también pud producir una suprproducción d glóbulos blancos, nfrmdad mortal conocida como lucmia; finalmnt dstruy las plaqutas con lo qu suln aparcr hmorragias intrnas. Estos fctos junto con vómitos, diarras, caída d plo, fibr y dbilitaminto constituyn l llamado síndrom d la radiación. Éstos son los fctos somáticos o lsions qu s producn n las prsonas irradiadas. Pro la radiación pud producir fctos gnéticos qu todavía hoy son poco conocidos. Éstos consistn n mutacions gnéticas qu s transmitn d padrs a hijos producindo malformacions y otros mals. Ant smjants pligros cabría pnsar qu s dbrían tomar unas rígidas prcaucions por part d los rsponsabls a nivl d gobirnos institucions, qu tngan qu vr con l manjo d stas radiacions. Y aunqu sto s así n algunos casos, n otros no parc xistir sino una grav irrsponsabilidad. Como jmplos tnmos: l potncial d armas nuclars, capacs d dstruir varias vcs sguidas todo l planta Tirra; los accidnts n cntrals nuclars (Chrnobil s quizás l más dramático, aunqu ants han ocurrido otros más lvs); la Tabla 3. Sris radiactivas Nombr d la Tipo Sustancia Sustancia T sri d A inicial 1/ (años) final Torio 4n Th-3 1, Pb-8 Nptunio 4n1 Np-37, Bi-9 Uranio-radio 4n U-38 4, Pb-6 Uranio-actinio 4n3 U-35 7, Pb-8

7 Física modrna ignorancia qu n algunos casos prsnta l prsonal médico y auxiliar sobr los isótopos radiactivos qu manjan; l dtrioro d la capa d ozono por la producción y uso d frons n frigoríficos y sprays, lo qu prmit l paso hacia la suprfici trrstr d las radiacions cósmicas, d idéntica naturalza y pligro qu las radiactivas trrstrs. A.4. Rsulv las siguints actividads: A.4.1. Qué cambios xprimnta un núclo atómico cuando mit una partícula? Y si mit una? Y cuando mit radiación?. A.4.. Complta las siguints scuncias radiactivas (la ltra situada ncima d cada flcha indica la partícula mitida por l núclo d la izquirda): 3 9 Th ; U REACCIONES NUCLEARES. Así como hmos consguido sinttizar sustancias químicas qu no stán prsnts n la naturalza mdiant las raccions químicas, también podmos obtnr nuvos núclos artificials mdiant las llamadas raccions nuclars. En una racción nuclar s produc un ragrupaminto d nuclons cuando un núclo s v alcanzado por otro o por una partícula más simpl. S ncsita una gran cantidad d nrgía para vncr la rpulsión lctrostática ntr los núclos, por lo qu al mnos uno d los núclos d la racción db sr un proyctil con una gran nrgía cinética inicial. La radiactividad natural consist n una racción nuclar spontána, mintras qu la artificial s aqulla racción nuclar qu tin qu sr provocada prviamnt. En 1919 Ruthrford publicó l rsultado d la qu s considra la primra racción nuclar artificial, al bombardar nitrógno con partículas alfa, provnints d un matrial radiactivo (vr tabla 4, dond s rcogn divrsos tipos d raccions nuclars artificials). Tabla 4. Tipos d raccions nuclars. En las raccions nuclars s consrva la masa-nrgía, carga, númro d nuclons, momnto linal y momnto angular. En la cuación d un procso nuclar s consrva tanto l númro atómico Z como l númro másico A, admás d la carga léctrica; llo nos prmit sabr cuál s l núclo final d la racción a partir dl inicial, l proyctil utilizado y las partículas mitidas. Proyctil Emisión Ejmplo Formulación p N H 8 O 1 1 H N (, p) 8 O n Al H 15 P 7 3 n 13 Al (, n) 15 P n p 7 13 Al 7 n 1 Mg H 13 Al (n, p) 1 Mg n 16 8 O 13 4 n 6 C H O ( n,) 6 C p 9 4 B H 3 Li H 4 B ( p,) 3 Li p n 7 3 Li 7 1 H 4 B 7 7 n 3 Li ( p, n) 4 B n 3 11 Na n 11 Na 11 Na ( n,) 11 Na p 7 3 Li H 4 B 3 Li ( p,) 4 B Si n una racción nuclar la masa total d las partículas finals s mnor qu la d las inicials, s dsprnd nrgía (n forma d nrgía cinética d las partículas finals, o mdiant la misión d fotons); s trata d una racción nuclar xotérmica. Si la masa final s mayor qu la inicial, s ncsario proporcionar nrgía a la racción para qu tnga lugar; dcimos qu s una racción ndotérmica. Por su importancia d cara a la obtnción d nrgía a scala industrial, dstacan dos raccions nuclars: la fisión y la fusión nuclar. A) FISIÓN NUCLEAR. La fisión nuclar consist n la scisión o ruptura d un núclo psado (por jmplo, l uranio) n dos trozos d masa intrmdia mucho más stabls, mdiant l bombardo con nutrons, xclnts proyctils al no star sujtos a furzas d rpulsión lctrostáticas. En l procso s libra la nrgía corrspondint al dfcto d masa y mit nuvos nutrons capacs d intraccionar con otros átomos psados originando así una racción n cadna (figura 6) qu, controlada, hac posibl l aprovchaminto d la nrgía librada como ocurr n los ractors nuclars o qu, incontrolada, constituy una bomba atómica. El procso qu tin lugar para l U-35 s: 1 35 n 9U X Y ó 3 1 Figura 6 n nrgía, dond los fragmntos X Y son núclos cuyos númros másicos prtncn a los intrvalos (84,14) y (19,149), rspctivamnt. La nrgía librada s d unos,9 MV/nuclón, dl ordn d MV/átomo uranio fisionado. D hcho, con una tonlada d uranio s obtin la misma nrgía qu con millons d tonladas d ptrólo. B) FUSIÓN NUCLEAR. La fusión nuclar consist n la aproximación d dos núclos ligros hasta una distancia lo suficintmnt pquña para qu la furza nuclar supr a la furza d rpulsión lctromagnética y s form un núclo más psado y stabl, librándos n st procso cantidads d nrgía muy supriors a las d fisión.

8 Física modrna 3 La fusión d hidrógno para producir hlio s la racción qu s produc n las strllas, como n l Sol, y qu gnra la luz qu nos llga d llas. El ciclo complto d sta fusión parc tnr lugar d una d stas dos formas: H H 1 nrgía ; 1 1 H 4 1H H 1 nrgía. En l procso d fusión no s cran rsiduos radiactivos, pro ncirra mayors dificultads técnicas qu la fisión. Para producir fisión nuclar n la Tirra ncsitamos, al mnos, tmpraturas d 5-1 millons d grados; n stas condicions, los átomos stán compltamnt ionizados, d modo qu cualquir matrial s transforma n un plasma, mzcla d núclos y lctrons. El problma más difícil s contnrlo, pus cualquir rcipint s dshac; las solucions para contnr l plasma sigun dos caminos: l confinaminto mdiant campos magnéticos muy intnsos, n dispositivos n forma toroidal, conocidos como tokamaks; y l confinaminto inrcial, calntando implosionando l plasma mdiant un lásr d alta potncia. Con la fusión s pud dar también una racción n cadna, como ocurr n l intrior d las strllas y n las bombas d hidrógno. Uno d los objtivos más importants d la invstigación cintífica y tcnológica s hoy fabricar un ractor qu produzca nrgía mdiant raccions d fusión controlada, d manra qu l procso no s dispar xplosivamnt. Las prubas ralizadas hasta hoy con isótopos d hidrógno ( 1 H H H 1 n ) aún no han dado un balanc nrgético favorabl, aunqu s spra n un futuro consguir con la fusión una funt dfinitiva d nrgía limpia. A.5. Rsulv las siguints actividads: 3 A.5.1. Complta las siguints raccions nuclars: a) P 9 d) 4 B (,n)... ; ) C Si... ; b) 3 Li... ; c) 83 Bi... ; 13 6 (p,)... ; 15 C f) 7 N (p,...), 1 p 4 Na A.5.. El príodo d smidsintgración dl I-131, un misor - muy pligroso dbido a la facilidad con qu s fija a la glándula tiroids, s d 7,31 días. a) Escrib la cuación dl procso qu tin lugar. b) Halla la constant radiactiva d dicho átomo. c) Si s dispon d una mustra inicial d 15 g, cuántos núclos habrá al cabo d una smana? Rcurda qu 1 mol d partículas quival a 6, 1 3 partículas. 1 A.5.3. El 83 Bi s dsintgra spontánamnt por dsintgración bta con un príodo d smidsintgración d 5 días. S tin una mustra d 16 g d st isótopo. Calcula: a) la constant d dsintgración; b) la cantidad d isótopo qu s tnía hac un ms; c) la cantidad qu s tndrá dntro d un ms; d) los protons y nutrons dl núclido qu rsulta tras la dsintgración bta. A.5.4. El 35 9U s pud fisionar d trinta modos difrnts dspués d captar un nutrón térmico. Cada ruptura tin una mayor o mnor Sr y X probabilidad d producirs. La ruptura más conocida origina la fisión 54. Escrib la cuación d fisión y dtrmina la nrgía qu s libra. Una cntral nuclar d 1.4 MW d potncia utiliza como combustibl uranio nriqucido qu contin un,7% dl isótopo fisionabl U-35. Dtrmina la masa d uranio qu s consum al día n la cntral, si suponmos qu sólo l 5% d la nrgía total librada n l procso d fisión s aprovcha para la producción d lctricidad. Datos: masa U-35 = 34,9943 u; masa nutrón = 1,866 u; masa Sr-94 = 93,9554 u; masa X-14 = 139,896 u; nrgía d la unidad d masa atómica = 931,5 MV; 1 mol d átomos = 6, 1 3 átomos; masa molar uranio nriqucido = 38,3 g/mol. A.5.5. S stima qu la nrgía qu llga a la Tirra procdnt dl Sol s d 3,8 1 6 J/s, lo qu supon una transformación incsant d masa n nrgía, con la consiguint pérdida d masa por l Sol. Calcula cuánta masa pird l Sol cada sgundo n forma d nrgía librada, y compárala con su masa stimada (aprox. 1 3 kg). Sgún sto, cuánto tardaría l Sol n prdr una millonésima part d su masa? A.5.6. El C-14 s un isótopo radiactivo qu s forma n las capas altas d la atmósfra al colisionar nutrons con núclos d N-14. El C-14 coxist n l mdio ambint con l isótopo stabl C-1 y, a través d la rspiración, s ingrida la mzcla por los srs vivos. El radiocarbono prsnta dsintgración y tin un príodo d smidsintgración d 573 años. a) Escrib la racción nuclar d formación dl C-14 a partir dl choqu d un nutrón con l N-14. b) Invstiga por qué podmos utilizar l C-14 como scunciador tmporal. c) Si tnmos una mustra qu originalmnt contnía 1 3 núclos radiactivos d C-14. Cuántos d llos sigun sindo activos dspués d años? d) S ha mdido la actividad d una mustra d madra rcogida n una cuva prhistórica obsrvándos qu s dsintgran 9 átomos por hora, cuando n una mustra d madra actual d la misma naturalza la dsintgración s d 7 átomos por hora. Ambas mustras tinn la misma masa. Admitindo qu l númro d dsintgracions por unidad d timpo s proporcional al númro d átomos d C-14 prsnts n la mustra, n qué fcha fu cortada la madra qu s stá analizando? 3. LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES Y LAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES DE LA NATURALEZA. Toda la Física modrna s fundamnta n dos marcos tóricos, a sabr, la toría d la Rlatividad y la Mcánica cuántica. Mdiant l uso d stas dos podrosas hrramintas concptuals, los cintíficos d nustro siglo han podido adntrars n la comprnsión d la structura d la matria y dar una dscripción d la misma n términos d unas pocas ntidads simpls (las partículas lmntals) y d las furzas o intraccions fundamntals qu

9 Física modrna 4 s dan ntr llas. Ha sido sta una mprsa notabl n la qu n muy poco timpo s ha ido dscubrindo como stá organizado a las difrnts scalas l mundo qu nos roda LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES. Hacia 19 s considraba qu lctrons, protons, nutrons y fotons ran las partículas lmntals dl Univrso, n l sntido qu no podían dividirs n partículas más pquñas. Sin mbargo, l studio d los procsos nuclars (hacindo uso d aclradors d partículas linals, ciclotrons, sincrotons, tc.) y d los rayos cósmicos procdnts dl spacio xtrior (hacindo uso d dtctors como mulsions fotográficas, cámaras d nibla, tc.), n suma, l studio d procsos qu tinn lugar a nrgías muy lvadas 7, ha rvlado la xistncia d muchas más partículas lmntals 8, algunas d las cuals ya hmos citado a lo largo dl prsnt tma (nutrino y antinutrino lctrónico, positrón). Los físicos tinn un prjuicio muy arraigado acrca d la naturalza: crn qu, n l fondo, la naturalza s simpl. Por llo, ya iniciada la sgunda mitad dl siglo XX, M. Gll-Mann y G. Zwig iniciaron l dsarrollo d una toría, l llamado modlo stándar, qu intnta dscribir toda la matria y todas las furzas xistnts n l univrso. Su lgancia radica n la capacidad d justificar la xistncia d cintos d partículas intraccions compljas, sobr la bas d sólo unas pocas partículas lmntals intraccions fundamntals. Sgún st modlo, n una primra instancia todas las partículas pudn clasificars n dos tipos: unas rlacionadas con la structura (la mayoría) y otras rlacionadas con la furza (figura 7). El protón, l nutrón y l lctrón, los ladrillos básicos dl átomo, son jmplos dl primr tipo; s pud pnsar n llos, y n otras partículas similars, como los ladrillos dl univrso, los objtos qu juntados n difrnts structuras lo constituyn todo. El fotón, l cuanto d luz ordinaria, s un jmplo dl sgundo tipo d partículas; él y sus compañros son l cmnto dl univrso qu ngancha los Figura 7 ladrillos, las llamadas partículas portadoras o mdiadoras d furza. Para cada una d las partículas matrials, hay una partícula corrspondint d antimatria, la antipartícula. Ésta tin la misma masa qu la partícula y una carga igual y opusta. Por carga hay qu ntndr aquí un conjunto d númros qu caractrizan la partícula; l más conocido d stos númros s la carga léctrica, pro hay otros (carga o númro bariónico, carga o númro lptónico, la xtrañza, l ncanto, tc.). La antipartícula no xist n la naturalza, sino qu s cra n los procsos d dsintgración radiactiva. Cuando colisionan una partícula y su antipartícula s produc una aniquilación; ambas dsaparcn, transformándos n fotons o n otras partículas mdiadoras d furza. Entr las partículas matrials, partículas ralmnt lmntals, o sa, qu no tngan structura intrna, s distingun dos catgorías fundamntals, los lptons y los quarks (al mnos hasta lo qu hoy conocmos, aunqu no podmos asgurar qu sta sa la última palabra). La tabla 5 rcog las caractrísticas d lptons y quarks (todos confirmados xprimntalmnt, l último, l quark top, n marzo d 1995).Con stas 1 partículas d matria (y sus corrspondints antipartículas) podmos xplicar los conocimintos d qu disponmos n la actualidad sobr la structura última d la matria. Tabla 5. Partículas constituynts d la matria LEPTONES QUARKS Gnración Nombr Masa (GV) Carga Nombr Masa (GV) Carga Primra Elctrón ( - ),511-1 up (arriba) (u),31 /3 nutrino lctrónico ( - ) (o crca d ) down (abajo) (d),31-1/3 Sgunda Muón ( - ) nutrino muónico ( - ) Tauón ( Trcra - ) nutrino tau ( - ),166 (o crca d ) 1,784 <,164 El más conocido d los lptons s l lctrón (). Todos los lptons pudn xistir sin ncsidad d la compañía d otras partículas. Los quarks, n cambio, sólo s ncuntran n grupos; así, por jmplo, los protons son quarks up y 1 quark down (uud) y los nutrons son 1 up y down (udd). Obsrva qu tanto los quarks como los lptons stán clasificados n 3 difrnts conjuntos (gnración). Toda la matria visibl n l Univrso stá formada por partículas d matria d la primra gnración: quarks up y -1-1 charm (ncanto) (c) strang (xtraño) (s) Top (cima) (t) bottom (fonfo) (b) 1,5,55 > 77 5 /3-1/3 /3-1/3 7 Para studiar la structura lctrónica d los átomos nos bastaba con nrgías dl ordn d los V; para studiar la structura nuclar d los átomos ncsitamos nrgías dl ordn d los MV (1 6 V); para studiar la structura d las partículas nuclars ya nos vamos a nrgías dl ordn dl GV (1 9 V). 8 Aunqu s sigun llamando partículas lmntals, muchas d llas s pudn dsintgrar n otras más simpls, con lo qu la ida inicial d incluir como partículas lmntals aqullas qu no pudiran dscomponrs n otras, hoy n día no s cumpl.

10 Física modrna 5 down, y lctrons. Las partículas d la sgunda y trcra gnracions son instabls y dcan hacia partículas d la primra gnración. 3.. LAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES. Apart d las partículas lmntals constitutivas d la matria, s fundamntal posr una dscripción d las intraccions o furzas qu s stablcn ntr llas y qu dan lugar a las difrnts formas d agrgación. Hoy considramos qu todas las furzas d la naturalza s rducn a cuatro intraccions fundamntals; d mayor a mnor intnsidad (tabla 6): - Intracción nuclar furt: Es d muy corto alcanc (no s aprcia fura dl núclo). Es fundamntal para la stabilidad d la matria, dado qu s la rsponsabl d qu los quarks, componnts básicos d los protons y nutrons, stén furtmnt unidos n l núclo, vncindo la rpulsión lctrostática. También s rsponsabl d la Tabla 6. Intraccions fundamntals Intracción Intnsidad Partículas Partículas sobr Alcanc (m) rlativa mdiadoras las qu actúa Furt (corto) Gluons Quarks Elctromagnética 1-3 (ilimitado) Fotons Con carga léctrica Lptons y Débil 1 Bosons (corto) hadrons Gravitatoria 1-41 (ilimitado) Gravitons Todas nrgía producida n l intrior dl Sol y d las dmás strllas. - Intracción lctromagnética: Es d largo alcanc. Actúa sobr partículas cargadas léctricamnt y pud sr atractiva o rpulsiva. Rsponsabl d las furzas ntr l núclo atómico y la nub lctrónica, mantin unidos a los átomos n las moléculas y da lugar también a las intraccions ntr moléculas. Las furzas d van dr Waals y dmás no son sino l rsultado d compljas intraccions lctromagnéticas. En dfinitiva, la intracción lctromagnética s la rsponsabl d la norm varidad xistnt d raccions químicas y n última instancia d todos los procsos biológicos. - Intracción nuclar débil: Como la nuclar furt, s d muy corto alcanc (no s aprcia fura dl núclo). Entr otras cosas, s la causant d la dsintgración bta d algunos núclos atómicos y dl propio nutrón, qu s instabl cuando s ncuntra aislado (n sta racción nuclar, un nutrón origina un lctrón, un protón y otra partícula sin carga llamada antinutrino). - Intracción gravitatoria: S produc ntr todos los curpos. Es simpr atractiva y d largo alcanc. Es la qu dtrmina la volución dl univrso a gran scala, la condnsación d la matria n galaxias y strllas, l moviminto d los astros, y, a nivl dl planta Tirra, la caída d los curpos hacia la suprfici, las maras, tc. El modlo stándar stablc qu las intraccions antriors pudn dscribirs n términos d intrcambio d partículas portadoras o mdiadoras d furza (tabla 6). Así, por jmplo, la intracción lctromagnética s xplica mdiant l intrcambio d fotons ntr las partículas cargadas. El alcanc d cada furza staría rlacionado con la masa d sus portadors: si la masa n rposo, s dcir, la qu corrspond a la partícula cuando no s muv, s nula, l alcanc d la furza s infinito. Es lo qu ocurr con la gravdad y l lctromagntismo, cuyos portadors, gravitón y fotón, son d masa nula. En cambio, la lvada masa d los bosons y d los gluons xplicaría su corto alcanc (tabla 6). Los quarks s mantinn unidos por la atracción nuclar furt, mdiada por los gluons; s combinan para formar protons y nutrons. Éstos s mantinn unidos gracias a la atracción nuclar furt n l núclo atómico. La atracción lctromagnética, mdiada por fotons, mantin unidos los lctrons n órbita para formar los átomos, y a la vz, nlaza los átomos para formar structuras más compljas (moléculas, rds). A nivl macroscópico, las atraccions y rpulsions lctromagnéticas s compnsan; sto dja a la atracción gravitatoria, mdiada por gravitons, como furza dominant d largo alcanc. A.6. Enumra las intraccions fundamntals d la Naturalza y xplica sus caractrísticas (intnsidad, alcanc). Por otra part, una ida rcurrnt ntr los físicos tóricos ha sido la búsquda d una toría unificadora d las cuatro furzas qu dscribn l comportaminto d la matria. Hoy n día, n los laboratorios d partículas, norms máquinas, d varios kilómtros d longitud, cada vz más potnts, son capacs d aclrar lctrons y protons hasta alcanzar vlocidads próximas a la d la luz, qu s lanzan sobr blancos d matrial nuclar. Cuando la matria qu intracciona pos la nrgía qu pudn suministrarl stos aclradors (dl ordn d 1 GV) s obsrva qu la furza nuclar débil y la furza lctromagnética no son tan difrnts como parc a primra vista. S ha formulado una toría d la furza lctrodébil qu unifica satisfactoriamnt las dos furzas sñaladas. S cr qu s posibl la unificación total d todas las furzas básicas para nrgías dl ordn d 1 19 GV! Cómo consguir sas nrgías? Para qué spcular con sos valors si stán totalmnt fura d nustro alcanc? En st punto s dond s aprcia d nuvo la grandza d las torías físicas.

11 Física modrna 6 Rsulta qu, admás d la física d partículas (qu intnta xplicar l microcosmos), disponmos d una toría sobr l orign y volución dl univrso (qu intnta xplicar l macrocosmos) y qu afirma qu ést s originó n una gigantsca xplosión (big bang); las nrgías qu dbiron intrvnir n los primros instants d sa xplosión srían, prcisamnt, dl ordn d magnitud qu sñalamos como ncsario para comprobar la toría dl campo unificado. Por tanto, las invstigacions n altas nrgías nos llvan a rsultados qu dbn star d acurdo con la volución d nustro univrso y vicvrsa; invstigando l microcosmos n los laboratorios d partículas stamos, d algún modo, rproducindo las condicions inicials dl Univrso. Cuando comnzó l univrso sólo había un tipo d partícula y xistía una única furza; a mdida qu l univrso s fu xpandindo, y por tanto nfriando, surgiron las partículas qu conocmos hoy n día y la furza única s scindió n cuatro (tabla 7). La asimtría y la disparidad d nustro frío mundo cotidiano parcn sr rmannts conglados d la simtría y unidad xistnts a nrgías suprlvadas. Tabla 7. La historia dl Univrso (*) Timpo Tmpratura Enrgía típica Fnómnos posibls 1-43 s 1 3 K 1 19 GV La gravdad s furt. Suprunificación. Toría cuántica d la gravdad ( Inxistnt!) s >1 9 K > 1 16 GV Furzas furt, lctromagnética y débil unificadas. Gran unificación 1-9 s > 1 15 K 1 GV La intracción débil s atnúa rspcto d la lctromagnética. Máximas nrgías obtnibls n laboratorio. 1 - s 1 13 K 1 GV Los quarks s agrupan. Aparcn protons y nutrons. 1 s 1 9 K,1 MV S forman l hlio y l dutrio. 1 6 s 1 3 Orign d la radiación d fondo. La astronomía óptica y lctromagnética no pudn obsrvar más allá d sa K,1 V época. 1 1 s 3 K 1-3 V Hoy n día. Existn galaxias y vida. > 1 1 La matria dsaparc si no hay colapso gravitacional dl univrso. Si hay colapso, podría tnr lugar otra gran s xplosión. D sr así, s rptiría l ciclo ntro? (*) Datos xtraídos d la obra La cbolla cósmica, d Frank Clos (Editorial Crítica). Y n llo stamos. Qudan muchas cosas por hacr. Hac un poco más d 1 años qu comnzamos a conocr l átomo, y hmos llgado hasta aquí! Qué nos dparará l siglo XXI? Dbmos tnr claro qu lo qu hmos aprndido s como un puñado d tirra; lo qu nos quda por aprndr s como l mundo ntro. A. Final. Raliza un rsumn d las idas más importants aprndidas n sta unidad, así como un cuadro con las cuacions y fórmulas qu has manjado a lo largo d la misma. APÉNDICES. A.1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL NUCLEAR. Una cntral nuclar s una cntral térmica d producción d lctricidad, análoga n su funcionaminto a las cntrals a carbón, ful-oil o gas: la nrgía contnida n un combustibl s convirt n part (l rndiminto sul star n torno al 3%) n nrgía léctrica. En l procso s difrncian trs tapas: 1ª La nrgía dl combustibl s utiliza para producir vapor d alta prsión y tmpratura. ª La nrgía dl vapor s transforma n moviminto d las aspas d una turbina. 3ª El giro dl j d la turbina s transmit a un altrnador, qu al girar a su vz, produc nrgía léctrica. Las cntrals nuclars s difrncian dl rsto d cntrals térmicas n la forma d producir vapor. En las cntrals convncionals l vapor s produc n una caldra dond s quma d una forma continua carbón, ful-oil o gas natural; las cntrals nuclars tinn una caldra llamada ractor nuclar. Cómo s un ractor nuclar? Un ractor nuclar consta d trs lmntos sncials: l combustibl, l modrador y l fluido rfrigrant. - El combustibl. El más utilizado n las cntrals nuclars s l uranio bin sa natural (contin l,7% d U-35 n forma d mtal), bin sa como uranio nriqucido (artificialmnt s llga al 3-4% d U-35 n forma d UO ). El combustibl s coloca n vainas d acro inoxidabl o d alacions spcials prfctamnt stancas, para rtnr los productos formados n la fisión y protgr d la corrosión y la rosión dl fluido rfrigrant. - El modrador. Hac posibl la racción d fisión, frnando la vlocidad d los nutrons d unos. km/s a unos km/s, sin absorbrlos. Los modradors más utilizados son l grafito, l agua ordinaria, l agua psada y algunos líquidos orgánicos. - El fluido rfrigrant. Tin n los ractors nuclars la misma misión qu l agua qu circula por una caldra convncional: vacuar l calor producido por l combustibl, para producir vapor. Circula ntr las barras o vainas d combustibl impulsado por una bomba, con lo qu s calinta y dirctamnt s convirt n vapor o cd l calor a un intrcambiador por l qu circula agua, convirtiéndola n vapor. Los fluidos rfrigrants más comuns son l dióxido d carbono (n ractors d uranio natural), l agua (n ractors d uranio nriqucido) y l sodio (n ractors rápidos). Dispositivos d sguridad.

12 Física modrna 7 Ncsitamos mantnr bajo control la racción d fisión n cadna y vitar la salida d radiacions al xtrior n caso d accidnt. Para llo disponmos d: 1º Barras d control. S trata d unas varillas construidas con un matrial muy absorbdor d nutrons. Al introducirs ntr las barras d combustibl, capturan nutrons y disminuyn con llo l númro d fisions n l combustibl frnando la racción. º Barras d parada. También construidas con matrials absorbnts d nutrons, dtinn la fisión cuando s introducn compltamnt n l ractor. 3º Sistmas d rfrigración d mrgncia, para prvnir la posibl falta d rfrigración dl combustibl por l fluido rfrigrant. 4º Barrras stancas, qu aíslan l combustibl radiactivo dl ambint xtrior. Son: la propia pastilla d combustibl; la vaina dl combustibl; la vasija dl ractor (pards n acro spcial d unos cm d spsor); y l dificio d contnción (dificio qu roda al ractor y al circuito d rfrigración dl combustibl, con pards d más d un mtro d spsor, n hormigón furtmnt armado). Los problmas asociados a las cntrals nuclars. El problma más important incustionabl d las cntrals nuclars, más qu la sguridad n su funcionaminto, s l d los rsiduos radiactivos qu gnran. En la cntral s producn una sri d rsiduos con smipriodos lvados; n un principio s almacnan n l intrior d la cntral (n unos dpósitos con agua, piscinas ); cuando pirdn actividad s pasan a cntros d almacnaminto bajo tirra, n zonas d poca actividad sismológica. La xplosión d un ractor nuclar s muy improbabl. El accidnt qu tuvo lugar n Chrnobil (5/4/1986) s produjo por la utilización incorrcta d la instalación y porqu su blindaj ra insuficint (a raíz d st accidnt s produjo un rplantaminto d los programas nuclars d los difrnts paíss, intnsificando, más aún si cab, los sistmas d sguridad y d control d las cntrals, incluso, n algunos d llos, s ha stablcido una moratoria nuclar, una paralización d los programas d construcción d nuvas cntrals nuclars). Sin duda, un lmnto qu ha favorcido la concinciación d la máxima sguridad n l uso d stas instalacions s l hcho d qu un accidnt producido n un lugar pud afctar a la población d lugars aljados. La nrgía nuclar n l mundo. La gnración léctrica d orign nuclar n l mundo alcanzó n l año 5 un récord d.69. GW/h, lo qu rprsnta aproximadamnt l 17% d la lctricidad qu s consum n todo l mundo. Actualmnt, xistn 443 ractors nuclars n funcionaminto con una potncia nta total instalada d MW. Por otra part, 5 más s ncuntran n fas d construcción n 11 paíss, con una potncia prvista d más d 19. MW. Sgún datos dl Organismo Intrnacional d Enrgía Atómica (OIEA), los diz paíss con mayor porcntaj d lctricidad d orign nuclar n l mundo n 5 furon: Francia (78,45%), Lituania (69,59%), Eslovaquia (56,5%), Bélgica (55,1%), Sucia (46,66%), Ucrania (46,48%), Bulgaria (44,9%), Armnia (4,73%), Eslovnia (4,35%) y Rpública d Cora (37,94%). Distribución d cntrals nuclars n l mundo España cunta con un total d 1 instalacions nuclars ubicadas dntro d su trritorio pninsular. Sis cntrals - Almaraz I y II, Ascó I y II, Cofrnts, Santa María d Garoña, Trillo I y Vandllós II - qu forman un total d ocho grupos nuclars, una fábrica d lmntos combustibls n Juzgado (Salamanca) y un cntro d almacnaminto d rsiduos nuclars d mdia y baja actividad n El Cabril (Córdoba). La cntral d José Cabrra, más conocida como Zorita, csó su actividad l 3 d abril d 6. Por su part, Vandllós I s ncuntra actualmnt n procso d dsmantlaminto. En 5, las cntrals nuclars spañolas produjron un quinta part d la lctricidad consumida. A.. EL SIGLO XX, EL SIGLO DE LA FÍSICA. Instalacions nuclars n España Sin lugar a dudas, l siglo XX pud muy bin clasificars como l siglo d oro d los avancs cintíficos. En particular, lo qu hoy n día s ha dado n llamar Física Modrna arranca a finals dl siglo XIX y principios dl XX. Los dscubrimintos d Bcqurl y l matrimonio Curi acrca d las misions radiactivas nuclars diron lugar al naciminto d la Física Nuclar como cincia. La dscripción, mdiant la Mcánica Cuántica y la Toría d la Rlatividad, d sucsos qu antriormnt no tnían xplicación, a principios dl siglo XX, viniron a cambiar la concpción dl studio d los fnómnos físicos, utilizando torías hasta ntoncs inimaginabls. Apnas han pasado cin años dsd stos sucsos y l avanc ha sido incríblmnt fugaz, llgando a rvolucionar todos los campos d la Física (Astrofisica, Física Atómica, Física Molcular y óptica, Biofisica y Física Médica, Física d la Matria Condnsada y Física d Matrials, Cincias d la Tirra y dl Sistma Solar, Nanotcnologías, Física d Plasmas, Nuclar y d Partículas, Física Intrdisciplinar y Tópicos Divrsos, tc) y d otras cincias afins. El progrso n nustros dscubrimintos a lo largo dl siglo XXI db ir rgido por las aplicacions pacíficas y éticas qu d llo pudan obtnrs, vitando mplar los nuvos concptos adquiridos para fins contrarios a stos principios. APROVECHA LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS! Aprovcha los rcursos informáticos rcogidos n soport digital, n la Wb dl Dpartamnto y n la Wb prsonal d los autors. T facilitarán l studio y la comprnsión d los conocimintos tratados n sta unidad. SOLUCIONES A LAS ACTIVIDADES PLANTEADAS EN LA UNIDAD. A.1.1. Vr tabla 1 d los apunts. A.1.. La structura lctrónica dl átomo s la rsponsabl d las propidads químicas dl lmnto. La structura nuclar s la rsponsabl d las propidads radiactivas dl lmnto. A.1.3. m Sb natural = 11 x 13 (1- x) = 11,8. D aquí s dduc qu Sb-11 abunda n un 6%, sindo l rsto d Sb-13. 1