Física Nuclear y Reacciones Nucleares

Transcripción

1 Slide 1 / 34 Física Nuclear y Reacciones Nucleares El Núcleo Slide 2 / 34 Protón: La carga de un protón es 1,6 x10-19 C. La masa de un protón es 1,6726x10-27 kg. Neutrones: El neutrón es neutro. La masa de un neutrón es 1,6749x10-27 kg. El Núcleo Slide 3 / 34 Protones y neutrones se denominan colectivamente nucleones. El número de protones en un núcleo se llama el numero atómico y se designa con la letra Z. El número de nucleones en un núcleo se llama el numero de masa atómica y se designa con la letra A. La numero de neutrones, N, viene hacer N = A - Z. Para especificar un nucleido se utiliza la formula siguiente: donde X es el símbolo químico del elemento.

2 El Núcleo Slide 4 / 34 Los núcleos con el mismo número de protones son el mismo elemento, pero si tienen diferentes números de neutrones, estos se llaman isótopos. Para muchos elementos, hay algunos diferentes isótopos que se producen de forma natural. Abundancia natural es el porcentaje de un determinado elemento que se presenta como un cierto isótopo en la naturaleza. Muchos isótopos que no existen en la naturaleza pueden ser creados en un laboratorio con las reacciones nucleares. El Núcleo Slide 5 / 34 El tamaño aproximado de los núcleos se determinó originalmente por Rutherford. Decimos aproximado debido a la dualidad de la onda-partícula. El tamaño de los núcleos es un poco confuso. Podemos obtener un tamaño aproximado de un núcleo por la dispersión de electrones con alta velocidad desde el. El radio aproximado de un núcleo está dada por: r # (1,2 x m) (A 1/3 ) Donde A es el número de nucleones (no la área). El Núcleo Slide 6 / 34 Las masas nucleares se especifican en unidades de masa atómica unificada (u). En esta escala un átomo de carbono neutral con 6 protones y 6 neutrones tiene una masa de 12, u. 1 u = 1,6605 x kg = 931,5 MeV / c 2 Masa en reposo Objeto kg u MeV/c 2 Electrón 9,1094 x , ,51100 Protón 1,67262 x , ,27 átomo de hidrógeno 1,67353 x , ,78 Neutrón 1,67493 x , ,57

3 Energía de Enlace y las Fuerzas Nucleares Slide 7 / 34 La masa total de un núcleo es siempre menor que la suma de las masas de sus protones y neutrones. Dónde se ha ido toda esa masa? Se ha convertido en energía! (Energía, como la radiación o energía cinética). La diferencia entre la masa total de los nucleones y la masa del núcleo se llama la energía de enlace total del núcleo. En unidades de energía, la energía de enlace total es dada por: E = Δmc 2 Esta energía de enlace es la cantidad de energía necesaria para ser puesto sobre el núcleo con el fin de dividirlo en protones y neutrones. Energía de Enlace y las Fuerzas Nucleares Slide 8 / 34 Energía de Enlace promedio/ Nucleon Bave, Mev Numero de Masa Figura por el MIT OpenCourseWare. De Meyerhof. Energía de Enlace y las Fuerzas Nucleares Slide 9 / 34 La fuerza que une a los nucleones conjunto se denomina la fuerza nuclear fuerte. Esta es una muy fuerza fuerte, pero de corto alcance. Es casi cero si la distancia entre los nucleones es más que m. La fuerza de Coulomb (Eléctrico) es una fuerza de largo alcance. Dado que protones se repelan a distancias mayores, los neutrones son necesarios en el núcleo si hay un gran número de protones. Hay otra fuerza nuclear y se llama la fuerza nuclear débil que rige la desintegración radiactiva.

4 Radioactividad Slide 10 / 34 La radiactividad es la emisión espontánea de la radiación por un átomo. Se observó por primera vez por Henri Becquerel. Marie y Pierre Curie también lo estudiaron. Radioactividad Slide 11 / 34 Tres tipos de radiación fueron descubiertos por Ernest Rutherford: partículas a partículas b los rayos g Bloque de plomo rayos rayos rayos Sustancia Radiactiva placas eléctricamente cargadas Placas fotográficas Radioactividad Slide 12 / 34 las partículas a se aceleran con el campo-e, por lo que son positivos las partículas b se aceleran en contra del campo-e, por lo que son negativos Los rayos g no son afectados por el campo-e, por lo que no tienen carga Bloque de plomo rayos rayos rayos Sustancia Radiactiva placas eléctricamente cargadas Placas fotográficas

5 Radioactividad Slide 13 / 34 partículas a resultaron ser el mismo que el núcleo de Helio, que tiene dos protones y dos neutrones partículas b resultaron ser los electrones, las mismas partículas que se encontraron en los experimentos de tubo de rayos catódicos. rayos g resultaron ser radiación electromagnética, como la luz, pero con una energía mucho mayor (mayor frecuencia) Alfa Desintegración Slide 14 / 34 La desintegración alfa ocurre cuando un núcleo emite una partícula alfa (Helio con dos neutrones). Este decaimiento está escrito como: Desintegración Beta Slide 15 / 34 Desintegración beta ocurre cuando un núcleo emite una partícula beta (un electrón o positrón). Esta disminución se escribe como:

6 Desintegración Gamma Slide 16 / 34 Desintegración gamma ocurre cuando un núcleo en un estado excitado emite una partícula gamma (un fotón de alta energía). Este decaimiento se escribe como: Conservación de Número de Nucleones Slide 17 / 34 Además de las leyes de conservación, existe la ley de conservación de número de nucleones. Esta ley establece que el número total de nucleón (A) se mantiene constante en cualquier proceso. Sin embargo, un tipo de nucleón puede cambiar al otro. Vida Media y la Tasa de Desintegración Slide 18 / 34 Una muestra macroscópica de una sustancia radiactiva consiste de un gran número de núcleos. Estos núcleos no pasan por desintegración al mismo tiempo. En realidad, la desintegración es al azar y la desintegración de un núcleo no tiene nada que ver con la desintegración de los otros núcleos. El número de desintegraciones durante un corto período de tiempo es proporcional al número de núcleos, así como el período de tiempo. #N = -#N #t donde # es la constante de desintegración.

7 Slide 19 / 34 Reacciones Nucleares y Transmutación de los Elementos Una reacción nuclear ocurre cuando un núcleo (o partículas) colisiona con otro núcleo (o partículas). Slide 20 / 34 Este proceso se llama transmutación si el núcleo original se transforma en un nuevo núcleo. Por ejemplo: Reacciones Nucleares y Transmutación de los Elementos Slide 21 / 34 La energía y el momento deben ser conservados en las reacciones nucleares. La reacción general: a + X Y + b La energía de la reacción, o el valor de Q, es la suma de las masas iniciales menos la suma de las masas finales, multiplicado por c 2 : Q = (M a + M X - M b - M Y ) c 2

8 Reacciones Nucleares y Transmutación de los Elementos Puesto que la energía se conserva, Q es igual al cambio en la energía cinética: Slide 22 / 34 Q = EC b + EC Y - EC a - EC X Si Q es positiva, los productos tienen más energía cinética (energía se libera en la reacción). La reacción es exotérmico, y ocurrirá aun que la energía cinética sea pequeña. Si Q es negativo, los reactivos tienen más energía cinética (la energía es absorbida en la reacción). La reacción es endotérmica y tiene que haber una energía cinética mínima antes que la reacción pueda ocurrir. Energía Umbral es la energía mínima necesaria para que la reacción ocurra. Reacciones Nucleares y Transmutación de los Elementos Slide 23 / 34 Neutrón Capturado por Los neutrones son muy eficaces en las reacciones nucleares. Decae por beta a neptunio Ellos no tienen carga, por lo que no son repelidos por el núcleo. decae por si mismo desintegración beta para producir plutonio Los científicos fueron capaces de crear elementos transuránicos por el compartimiento de neutrones. Fisión nuclear y reactores nucleares Slide 24 / 34 Después de absorber un neutrón, un núcleo de U-235 se divide en dos partes. Esto puede ser visualizado como una especie de gota de líquido. A medida que el núcleo se divide, los neutrones son puesto en libertad. Una reacción típica es: Aunque otros también pueden ocurrir.

9 Fisión nuclear y reactores nucleares Slide 25 / 34 La energía liberada en un reacción de fisión es muy de grande. Los núcleos más pequeños son estables, con menos neutrones, por lo que múltiples neutrones emergen en cada fisión. Estos neutrones pueden ser utilizados para inducir la fisión a los núcleos cercanos, causando una reacción en cadena. Fisión nuclear y reactores nucleares Slide 26 / 34 La reacción en cadena tiene que ser autosuficiente con el fin de crear un reactor nuclear. La reacción debe continuar indefinidamente en una manera controlada. Fisión nuclear y reactores nucleares Slide 27 / 34 Los neutrones que se escapan a partir del uranio no constituyen la fisión. Hay una masa crítica por debajo del cual una cadena de reacción no se producirá porque muchos neutrones escaparon.

10 Fisión nuclear y reactores nucleares Las barras de control, generalmente de cadmio o boro, absorben los neutrones y se utilizan para el control fino de la reacción. Mantienen la reacción apenas en el nivel critica. Slide 28 / 34 Sistema Primario Sistema Secundario Núcleo (combustible y moderador) agua caliente (liquido de sodio) intercambiador de calor vapor turbina de vapor generador eléctrico agua barras de control condensador recipiente (protección) bomba protección bomba agua de refrigeración Fisión nuclear y reactores nucleares Slide 29 / 34 Las bombas atómicas usan la fisión. El centro es deliberadamente diseñado para someterse a una reacción de cadena descontrolada masiva. Esto libera enormes cantidades de energía. Fusión nuclear Slide 30 / 34 Los más ligero de los núcleos pueden fusionarse para formar núcleos más pesados, liberando energía en el proceso. Un ejemplo es la secuencia del proceso de fusión en cual hidrógeno cambia al helio en el Sol, como se muestra a continuación. (0,42 MeV) (5,49 MeV) (12,86MeV)

11 Fusión nuclear Slide 31 / 34 El efecto neto es la transformación de cuatro protones a un helio núcleo más dos positrones, dos neutrinos y dos rayos gamma. Las estrellas más masivas pueden fusionar elementos tan pesados como el hierro en sus centros. Fusión nuclear Slide 32 / 34 Hay tres reacciones de fusión que se están considerando para reactores de potencia: (4,03 MeV) (3,27 MeV) (17,59 MeV) Estas reacciones utilizan combustibles relativamente común (deuterio o tritio) y liberan mucha más energía que la fisión. Slide 33 / 34 Fusión nuclear Un reactor de fusión en éxito no se ha logrado. Bombas de fusión (o termonucleares) han sido construidas.

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