El átomo se compone de partículas más simples, o partículas subatómicas: los protones, los

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FÍSICA NUCLEAR

1. INTRODUCCIÓN:

En 1895 Roentgen descubrió los rayos X , consistentes en O.E.M. de alta frecuencia. Una año después Becquerel descubrió la radiactividad investigando la posibilidad de descubrir radiaciones similares a los rayos X en sales de uranio que presentaban fosforescencia. En 1897 Thomson , estudiando los rayos catódicos, halló una partícula subatómica (más pequeña que un átomo) llamada electrón. En experimentos con rayos anódicos se descubrió el protón.

LINK partículas subatómicas

En 1898 Rutheford reconoció la existencia de dos tipos de radiaciones, la alfa y la beta . Posteriormente Villard encontró una tercera , la radiación gamma

En 1935 Chadwick descubrió el neutrón al bombardear átomos de Be con partículas alfa.

Haciendo chocar átomos y partículas, con grandes energías, se han ido descubriendo un

gran número de partículas distintas.

2. ESTRUCTURA ATÓMICA. NÚCLEO ATÓMICO.

Rutheford bombardeó una delgada lámina de oro con partículas α, observando que la inmensa

mayoría atravesaban la lámina, unas pocas se desviaban y una minoría rebotaba, o sea los átomos no tenían la masa distribuida uniformemente, sino concentrada en una región central ( núcleo con protones y neutrones) y los electrones giraban a su alrededor a una gran distancia .

Se llama Z ( número atómico ) al número de protones de un átomo. Un elemento químico es

una sustancia pura formada por átomos de igual número atómico.

Se denomina A ( número másico ) a la suma de protones y neutrones de un átomo. Son

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3. FUERZAS FUNDAMENTALES. LINK

Todas las interacciones ( ≅ fuerzas ) existentes en la naturaleza se pueden clasificar en cuatro tipos.

3.1. Interacción gravitatoria. Es poco intensa, tiene largo alcance, es acumulativa , es proporcional a 1 / r2, es 10 39 veces menor que la fuerte. Ejemplos. Movimiento de los planetas,

gravedad.

3.2. Interacción débil. Es poco intensa, tiene corto alcance ( 10 – 17 m ), es 10 5 veces menor

que la fuerte. Ejemplos. Transmutación de partículas, radiactividad.

3.3. Interacción electgromagnética. Es intensa , tiene largo alcance, 100 veces menor que la fuerte, es proporcional a 1 / r 2. No es acumulativa debido a la existencia por igual de cargas positivas

y negativas. Ejemplos. Enlaces Químicos , Biología.

3.4. Interacción fuerte. Es muy intensa. Tiene corto alcance (10 – 15 m ) . Ejemplos . Une los

núcleos atómicos. Posibilita la existencia de los núcleos atómicos, impidiendo la repulsión electrostática entre los protones . Los neutrones ayudan a estabilizar el núcleo, ya que experimentan interacción fuerte, pero no repulsión electrostática. Sin embargo, un número excesivo de neutrones hace inestable el núcleo, ya que los neutrones individuales tienden a descomponerse en protones y electrones.

Todas estas interacciones se están intentando unificar dentro de una única teoría; todavía no se ha conseguido, pero se ha avanzado mucho. La interacción gravitatoria es la única que todavía no se ha podido unificar con las demás de una forma satisfactoria. El estado actual es:

LINK

Electricidad

Electromagnetismo

Magnetismo ( Leyes de Maxwell ) Electrodébil

Débil Gran Unificación Supercuerdas

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4. PARTÍCULAS SUBATÓMICAS Y ELEMENTALES. LINK

El átomo se compone de partículas más simples, o partículas subatómicas: los protones, los

neutrones y los electrones. Todas ellas pueden absorber otro tipo de partículas, los fotones. Existen, además, otras partículas subatómicas , que solo aparecen al chocar átomos a gran velocidad.

La mayoría de estas partículas están formadas, a su vez, por otras partículas elementales,

que NO se pueden descomponer en otras más simples.

Se conocen en la actualidad cientos de partículas subatómicas, todas ellas están divididas en dos grupos dependiendo si están sometidas a la acción de la fuerza nuclear fuerte o no:

- Leptones. No están sometidos a la interacción nuclear fuerte. Hay seis tipos: electrón, el muón, el tauón, y tres tipos de neutrinos: electrónico, tauónico y muónico.

- Hadrónes. Están sometidos a la interacción nuclear fuerte. Están formados por las partículas fundamentales llamadas quarks, de las que hay seis tipos.

Además, se conocen otras partículas portadoras o bosones, que son las responsables de

propagar las interacciones: El fotón ( I. Electromagnética ) y los piones ( I entre protones y neutrones) han sido descubiertas experimentalmente. Los gluones ( I entre quarks ), el gravitón ( I. gravitatoria ) y la partícula W ( I entre leptones ) solo se han predicho a nivel teórico.

En todas los procesos , las partículas cumplen una serie de leyes de conservación ( energía, carga eléctrica, momento angular, espín, etc.. ) que permiten descubrir otras partículas y procesos, como el que permitió el descubrimiento del neutrino en la reacción de descomposición del neutrón, en la cual solo se cumplían las leyes de conservación si intervenía esta partícula:

1

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º

5. ESTABILIDAD NUCLEAR. ENERGÍA DE ENLACE.

La estabilidad de un núcleo atómico solo es explicable debido a la existencia de la

interacción fuerte, que evita la repulsión electrostática de los protones. Los neutrones ayudan a estabilizar el núcleo, ya que experimentan interacción fuerte, pero no repulsión electrostática. Sin embargo, un número excesivo de neutrones hace inestable el núcleo, ya que los neutrones individuales tienden a descomponerse en protones y electrones.

En el núcleo se observa:

- La densidad de los núcleos es constante, e independiente del número de nucleones, siendo muy elevada ( 2,4.10 17 Kg/m3 ).

- Las fuerzas que ligan a todos los nucleones son iguales ( independientemente que sean protones o neutrones ), y no dependen de la carga eléctrica.

- La interacción fuerte tiene muy corto alcance ( 10 - 15 m), cada nucleón solo interacciona con los vecinos ( esto explica la densidad nuclear constante ).

- Se necesita mucha energía para fragmentar un núcleo, lo que demuestra la fortaleza de la interacción fuerte.

La energía de enlace es la energía liberada cuando los nucleones se unen para formar el núcleo. El núcleo es más estable ( menos energético ) que el conjunto de sus nucleones aislados, ya que al formarse se libera energía.

La masa de un átomo es inferior a la suma de la masa de cada partícula que lo constituye. Este defecto de masa , se ha transformado en energía ( E = mc 2) y mantiene unido al núcleo.

Para energías pequeñas se usa como unidad de energía el electrón - voltio (eV) ( energía que adquiere un electrón cuando es sometido a una diferencia de potencial de 1 voltio además del Julio

(1 eV = 1,6.10-19 J ).

La energía de enlace por nucleón es el cociente entre la energía de enlace y el número másico ( E/A), cuanto mayor sea este cociente , más estable es el núcleo, puesto que se necesita más energía para separar los nucleones. Se observa en la tabla siguiente que los núcleos más estables son los de la zona media de la Tabla Periódica ( hierro, cobalto...), no son ni demasiado grandes, para hacerlo inestable, ni demasiado pequeños con pocos nucleones que se unan con interacción fuerte.

La energía de enlace se calcula: ΔE = Δm.c2 ; Δm = Z m

p + ( A – Z ) mn - Mexp

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6. RADIACTIVIDAD

Es la emisión de partículas y/o energía proveniente de núcleos atómicos inestables, estabilizándose de esta forma. Estas radiaciones pueden penetrar en cuerpos opacos, ionizar el aire , impresionar placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias. La radiactividad libera mucha energía ya que parte de la masa nuclear se convierte en energía ( E = m c 2 ).

La radiactividad de una sustancia NO se ve afectada por cambios de temperatura, ni de presión ni de disolución ni por reacciones químicas, ya que estos procesos NO afectan a los núcleos atómicos.

Existen tres tipos distintos de radiación: α, β y γ.

a) Radiación alfa.(α). Emisión de núcleos de He, provocan una gran ionización y tienen poca penetración. Z disminuye en dos unidades y A en cuatro, ya que el núcleo pierde 4 nucleones. Dos protones y dos neutrones.

b) Radiación beta. (β). Emisión de electrones. Z aumenta una unidad . A permanece constante, ya que, un neutrón nuclear se convierte en un protón, liberando un electrón y un

antineutrino. 1

0 n  11 p + 0-1 e+ ν~e

c)Radiación gamma. (γ). Es una O.E.M., es energía, tiene mucho poder de penetración. Z y A permanecen constantes, ya que el núcleo solo pierde la energía que le sobra.

En las reacciones nucleares se conserva el número atómico Z y el másico A

6.1. Cálculos radiactivos. La radiactividad es un proceso aleatorio, gobernado por las leyes estadísticas. Existe una ley de emisión radiactiva que nos calcula el número de núcleos , que aún no se han desintegrado.

N = N0 . e - λ. t N0 es el número de núcleos inicial, N el número de núcleos final, λ es

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Se denomina actividad a la cantidad de desintegraciones que se producen por segundo.

A = λ.N . Su unidad S.I es el beqcuerel ( Bq), que es una desintegración por segundo. Otra unidad es el Curie: 1 curie = 3,7.10 10 Bq.

Se llama periodo de semidesintegración, o semivida T , al tiempo necesario para que se

desintegre la mitad de los núcleos iniciales. N = N0/2

Se denomina vida media a la inversa de la constante radiactiva. τ = 1 / λ.

Todas las reacciones nucleares se escriben igual que las reacciones químicas, indicando las partículas que actúan, los Z y los A , ajustándolas si fuera necesario. Se conserva Z total y A total.

Ej: 1

0 n + 147 N  146 C + 11 H

7. FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR

Se pueden conseguir grandes cantidades de energía transformando pequeñas cantidades de materia. Hay dos métodos:

7.1). FISIÓN. Ruptura de núcleos pesados para obtener dos intermedios al ser bombardeado con neutrones. En cada fisión se produce liberación de más neutrones y gran cantidad de energía, produciéndose una reacción en cadena ( bomba atómica ). Si se consiguen frenar los neutrones ( grafito ) y capturar los neutrones que halla en exceso ( barras de cadmio ) , se consigue la liberación de energía de forma controlada ( Central nuclear ).

Una Central nuclear consta de un reactor

donde se lleva a cabo la fisión, moderadores

( grafito ) que frenan los neutrones,

controladores ( barras de cadmio ) que capturan neutrones sobrantes, blindaje para que nos escape la radiación al exterior y sistema de refrigeración que evita el recalentamiento excesivo del reactor.

Como combustible se suele utilizar uranio ( 235 ) y plutonio ( 239 )

235

92U + 1 0 n  14156 Ba + 9236 Kr + 3 10 n

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7.2). FUSIÓN. Se unen dos núcleos ligeros para obtener otro más pesado. Es la fuente de energía de las estrellas. Se ha usado como bomba ( Bomba H ). Su uso pacífico está en investigación.

2 1 H + 3

1 H  42 He + 10 n

Ventajas: Se obtiene mucha más energía que con la fisión ( tres veces más ), existen grandes reservas de energía ( el hidrógeno del agua de los océanos ) y no produce residuos contaminantes.

Inconvenientes: El proceso está en investigación. Se necesita una temperatura elevada para comenzar la reacción , del orden de millones de grados ( se investiga usar láseres ) y se requiere mantener los compuestos confinados en un espacio ( se investiga usar campos magnéticos ).

8. APLICACIONES DE LOS RADIOISÓTOPOS.

Los isótopos radiactivos ( radiosótopos ), no siempre son perjudiciales, también tienen aplicaciones .

8.1. Arqueología. Los organismos vivos tienen en sus células una proporción fija de C-12 y

de C-14. Cuando fallecen , el carbono – 14 se desintegra. Sabiendo el periodo de semidesintegración

del C-14 y su proporción se puede estimar la cronología de unos restos arqueológicos.

8.2. Geocronología. Todos los radioisótopos se desintegran transformándose en varios isótopos , que a su vez se desintegran , hasta transformarse en isótopos estables. Solo hay cuatro caminos , llamados series radiactivas, para alcanzar el punto final. Si un mineral se analiza se puede estimar su edad conociendo su composición, la serie radiactiva y los periodos de semidesintegración de sus componentes.

Figure

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