1. EL NÚCLEO ATÓMICO - Apuntes 10 Física nuclear

PARTÍCULAS CONSTITUYENTES

(Nucleones)

PROTÓN (p)

 Carga positiva, qp = - qe  Masa, mp ~ 1836·me

NEUTRÓN (n)

 Carga nula,

 Masa similar a la del p

TAMAÑO

NÚCLEO

ATÓMICO

 RNUCLEAR ~ RATOMICO/100.000

 RNUCLEAR ~ 10 ─15

m = 1 Femtometro (Fm)

DENSIDAD  El núcleo contiene el 99% de la masa atómica en un espacio muy reducido, luego la densidad nuclear es enorme

 dNUCLEAR ~ 10 18

kg/m3

 X, símbolo del elemento

 Z, número atómico del elemento = número de protones  A, número másico = número de nucleones

FÍSICA NUCLEAR

1.

EL NÚCLEO ATÓMICO

 En 1911 , Rutherford, basándose en sus experiencias con átomos de Au propone que el átomo está constituido por dos regiones: El NÚCLEO, dotado de carga positiva, y la CORTEZA, en la que se encuentran los electrones (e-), moviéndose en órbitas circulares.

 Las características básicas del núcleo son

 Las diferentes especies nucleares se simbolizan usando el símbolo del elemento químico correspondiente:

 Si dos átomos poseen el mismo número atómico, pero distinto número másico, se denominan ISÓTOPOS. Poseen las mismas características fisicoquímicas, al variar sólo el número de neutrones. Ejemplo, los tres isótopos conocidos del carbono:

C

C

C

13

6

14

6

12

 ΔE, variación en la energía del sistema físico.

 Δm, variación en su masa.

 c, velocidad de la luz en el vacío.

ΔE = Δm·c

2

 Disminución de masa  Emisión de energía

p

n

INTERACCIÓN NUCLEAR FUERTE

 Nula a distancias mayores que 10-15 m (Corto alcance)

 Atractiva a distancias menores que 10-15 m.  Actúa por igual entre n y p (Independiente

de la carga eléctrica)

 Es la interacción más fuerte conocida.  Mantiene unido el núcleo.

INTERACCIÓN NUCLEAR DÉBIL

 Nula a distancias superiores a 10-17 m. (Corto alcance)

 Actúa entre p, n y e-.

 Menos intensa que la interacción fuerte y la eléctrica, pero más que la gravitatoria.  Desestabiliza algunos núcleos y produce la

desintegración β.

2.

FUERZAS NUCLEARES

 En el interior del núcleo atómico los protones se encuentran “empaquetados” a distancias cortísimas (10-15 m), con lo que la repulsión electrostática es enorme. Por tanto, alguna fuerza debe ser responsable de la estabilidad del núcleo. Es posible comprobar que la gravedad es demasiado débil para ello, luego, en el interior del núcleo deben actuar fuerzas de un tipo distinto a las anteriores. Se denominan fuerzas nucleares.

3.

RELACIÓN MASA-ENERGÍA

 En 1905, A. Einstein propone la Teoría de la Relatividad Especial. Uno de los resultados más importantes de esta teoría es que la masa de un sistema físico y su energía son magnitudes equivalentes, tal como se expresa en la ecuación masa-energía:

 Si varía la energía contenida en un sistema físico, variará equivalentemente la masa del mismo. Por ejemplo, si aumentamos en 10C la temperatura de 1 kg de agua habremos aumentado su energía en 4180 J y su masa aumentará en 5·10-14 kg. Se puede comprobar que, para cuerpos macroscópicos, la equivalencia masa-energía tiene poca importancia.

 Núcleos con Z bajo → Z ≈ N

 Núcleos con Z mediano o alto → Z > N

Donde N es el número de n

DEFECTO DE MASA

Z, número atómico A, número másico, mp, masa del p mn, masa del neutrón, MN, masa del núcleo

Δm = { Zm

p

+ (A – Z)m

n

} - M

N

ENERGÍA DE ENLACE ENERGÍA DE ENLACE POR NUCLEÓN

B = Δm·c

2

_{B/A = Δm·c}

2

/A

4.

ESTABILIDAD NUCLEAR

 De cada elemento químico sólo unos pocos isótopos se encuentran en la Naturaleza o se pueden producir de forma artificial. Se encuentra experimentalmente el siguiente comportamiento:

 Si un núcleo es estable, hace falta comunicarle energía para separar sus partículas. Por ello, si se forma un núcleo a partir de sus nucleones constituyentes se liberará energía. A dicha energía se le denomina energía de enlace nuclear (B).

 Para estudiar la estabilidad de un núcleo hay que conocer su energía de enlace por nucleón, B/A, que indica la energía necesaria para extraer un nucleón de dicho núcleo.

 Las masas de p, n, y los distintos núcleos pueden hallarse experimentalmente, con lo cual puede obtenerse el defecto de masa nuclear, Δm, es decir la diferencia en masa entre los nucleones por separado y el núcleo formado.

 Conociendo el defecto de masa, y aplicando la equivalencia masa-energía de Einstein pueden hallarse las energías anteriores:

5.

RADIACTIVIDAD

 Se denomina así a la emisión por el núcleo atómico de partículas subatómicas y/o radiación electromagnética de alta energía. A principios del s XX se identificaron tres tipos básicos de radiactividad

a) Partículas α ( 4₂

He

,

4₂



,



2): Son núcleos de He-4 y tienen doble carga positiva. Poseen poco poder de penetración en la materia.

Cuando un núcleo emite una partícula α, se transforma en un núcleo del elemento situado dos lugares a la izquierda en la tabla periódica. Es decir, su no atómico disminuye en dos unidades

b) Partículas β ( _-0₁

e

,

_-0₁



,



-): Son electrones. Son emitidos al decaer un neutrón nuclear en un protón, un electrón y un antineutrino

Su poder de penetración en la materia es intermedio.

Cuando un núcleo emite una partícula β, se transforma en un núcleo del elemento situado un lugar a la derecha en la tabla periódica. O sea, su nº atómico aumenta una unidad.

c) Rayos γ ( 0₀



,



): Constituidos por radiación electromagnética de muy alta frecuencia. Poseen un alto poder de penetración, siendo solo absorbidos por blindajes de varios cm de plomo o decenas de cm de hormigón.

Cuando un núcleo emite radiación γ continúa siendo del mismo elemento químico. Simplemente, el núcleo inicial, que se encontraba en un estado excitado (Con energía superior al estado fundamental) se desescita, emitiendo un fotón.

Los tres tipos de partículas radiactivas Poder de penetración 

  n e

- Familias radiactivas

6.

REACCCIONES NUCLEARES

 Una reacción nuclear es un proceso en el que varios núcleos o partículas subatómicas (Reactivos) interaccionan, obteniéndose en muchos casos núcleos o partículas subatómicas diferentes (Productos). Durante la reacción nuclear actúan la fuerza nuclear fuerte o la débil, y se liberan o absorben grandes cantidades de energía.

 Las ecuaciones de las reacciones nucleares son similares a las de las ecuaciones químicas, como se ve en la figura. Una diferencia importante con las reacciones químicas es que en las nucleares se produce transmutación en los elementos: No tiene que haber los mismos elementos en los reactivos y en los productos.

 Símbolos muy utilizados:

 En toda reacción nuclear se conservan dos cantidades:

1. Carga eléctrica: Lo verificamos sumando los números atómicos de los reactivos, y haciendo lo propio en los productos.

H

1

1

O

17

8

N

14

7

He

4

2







α

o

,

He

:

alfa

partícula

e

:

electrón

n

:

neutrón

p

o

,

H

:

Δm = M

productos

- M

reactivos

 En las reacciones nucleares, las energías que intervienen son millones de veces más grandes que las que intervienen en las reacciones químicas. Al producirse variaciones en la energía, se producen también variaciones entre las masas de reactivo y de productos El defecto de masa se calculará de la siguiente manera:

 Existen dos tipos de reacciones:

a) Endotérmicas: Es necesario que se aporte energía para que se produzca la reacción. El defecto de masa es positivo.

b) Exotérmicas: La reacción desprende energía. El defecto de masa es negativo.

7.

FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEARES

 Fisión nuclear: Observando la curva de energía de enlace por nucleón, se advierte que si un núcleo pesado se divide en dos núcleos intermedios, dichos productos son más estables que el núcleo original. Por tanto, el proceso puede ser exotérmico, liberándose energía en la reacción.

En la fisión nuclear, un núcleo pesado se divide en dos núcleos de número másico intermedio. La reacción es activada por un proyectil que colisiona al núcleo pesado (neutrón). Entre los productos de la reacción se liberan también varios neutrones, así como una gran cantidad de energía.

En determinadas condiciones, la fisión puede progresar formando una reacción en cadena (ver figura)

 Fusión nuclear: Según la curva de energía de enlace por nucleón, si dos núcleos ligeros se unen

para formar un núcleo intermedio, el producto es más estable. Por ello, este tipo de proceso es exotérmico.

En la fusión nuclear, dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más estable, liberándose energía y alguna partícula adicionan (neutrones, protones, etc)

La fusión nuclear es mucho más difícil de iniciar que la fisión. El motivo es que, para unir dos núcleos es necesario vencer la formidable barrera repulsiva creada por la fuerza de Coulomb entre ambos. Para ello, los reactivos deben encontrarse a temperaturas del orden de 20 MK.

8.

INTERACCIONES FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA

 Interacción gravitatoria

Este tipo de interacción es la responsable de mantener la estructura del universo, la formación de estrellas, planetas, etc. Se trata de una interacción atractiva de alcance infinito entre todos los cuerpos que poseen masa. Además, su intensidad disminuye rápidamente con la distancia.

Es la más débil de las interacciones fundamentales (A mucha distancia de las otras tres) ya que tiene una intensidad 10-38 veces menor que la interacción nuclear fuerte, por lo que el mundo microscópico se puede explicar sin recurrir a ella.

 Interacción nuclear débil

Desestabiliza algunos núcleos y produce la desintegración β. Es también responsable de varios procesos de emisión de energía por las estrellas. Es nula a distancias superiores a 10-17 m. (Corto alcance) Actúa entre p, n y e-. Menos intensa que la interacción fuerte y la eléctrica, pero más que la gravitatoria.

 Interacción electromagnética

Responsable de la estructura de átomos y moléculas, de las propiedades fisicoquímicas de los materiales y de los fenómenos ópticos y relacionados con la radiación electromagnética.

Actúa entre partículas dotadas de carga eléctrica, ya sea en reposo (Campo eléctrico) o en movimiento (Campos eléctrico y magnético) teniendo alcance infinito y disminuyendo su influencia rápidamente con la distancia. Puede tener carácter atractivo o repulsivo.

 Interacción nuclear fuerte

Es la más intensa de las cuatro interacciones. Mantiene unido al núcleo atómico, ctuando por igual entre n y p (Independiente de la carga eléctrica)

Es nula a distancias mayores que 10-15 m (Corto alcance), y se vuelve atractiva a distancias menores.