Tema 12. Física nuclear
12.1. La radiactividad 12.2. El núcleo atómico
12.3. Procesos radiactivos. Series radiactivas 12.4. Ley de la desintegración radiactiva
12.1. La radiactividad
• En 1896, el físico francés H. Becquerel descubrió que una sal de uranio emitía radiaciones muy penetrantes.
• La radiactividad es el fenómeno por el cual ciertas sustancias llamadas radiactivas emiten espontáneamente radiaciones penetrantes que son partículas materiales o radiación electromagnética de alta energía.
• M. Curie descubrió otras sustancias radiactivas como el polonio o el radio.
• La radiactividad espontánea que muestran algunas sustancias como el uranio se llama radiactividad natural. Se produce en elementos de número atómico elevado (Z > 83).
• Tipos de emisiones radiactivas:
Rutherford llegó a la conclusión de que los elementos radiactivos naturales emitían tres tipos diferentes de radiación: α, β y γ.
1. Emisión α: Compuesta por núcleos de helio-4. Su poder de penetración es escaso, es frenada por una hoja de papel. Por su gran masa, tiene una gran capacidad de ionizar la materia que atraviesa.
2. Emisión β: Constituida por electrones que se mueven casi a la velocidad de la luz. Gran poder de penetración, se necesita una lámina de metal para detenerla. Al ser más ligeros que las partículas alfa, es una radiación menos ionizante.
12.2. El núcleo atómico
• Rutherford publicó en 1911 su modelo nuclear del átomo, según el cual, el núcleo concentra en un pequeño tamaño casi toda la masa del átomo y la carga positiva.
• Para caracterizar un núcleo se definen los siguientes parámetros:
1. Número atómico, Z: Es el número de protones o carga nuclear. Es característico de cada elemento químico. Coincide con el número de electrones si el átomo es neutro.
2. Número másico, A: Es el número de nucleones, es decir, el número de protones, Z, más el número de neutrones, N = A – Z.
• Los isótopos son los átomos diferentes de un mismo elemento; es decir, aquellos que tienen el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. Por tanto, tienen igual valor del número atómico pero distinto valor del número másico.
• Se denomina núclido a cada especie nuclear definida por su número atómico y su número másico.
X
• Masa atómica:
Para indicar de forma práctica la masa de los átomos, los núcleos y las partículas subatómicas, se utiliza la unidad de masa atómica: es la doceava parte de la masa de un átomo del isótopo de carbono-12.
Por tanto, la masa de un átomo de carbono-12 vale 12 u.
La masa atómica de los elementos que aparecen en la tabla periódica es la media ponderada de las masas de los diferentes isótopos naturales de un elemento.
12.3. Procesos radiactivos. Series radiactivas
• Rutherford y Soddy establecieron, en 1902, la siguiente hipótesis:
Cuando un núcleo emite radiación α o β, se transforma en un núcleo de otro elemento químico diferente. Decimos que el núcleo se ha transmutado o desintegrado.
• Leyes de los desplazamientos radiactivos:
Soddy enunció en 1913 las leyes del desplazamiento radiactivo:
1. Cuando un núcleo emite una partícula α, se transforma en otro núcleo diferente cuyo número másico es cuatro unidades menor y cuyo número atómico es dos unidades menor que el núcleo de partida.
He
Y
2. Cuando un núcleo emite un electrón o partícula β-, su número másico no
varía, pero su número atómico aumenta en una unidad.
donde es una partícula denominada antineutrino.
3. Cuando un núcleo radiactivo emite una partícula β+, también llamada
positrón (antipartícula del electrón), su número másico no varía, pero su número atómico disminuye una unidad.
donde ν es una partícula llamada neutrino.
4. Cuando un núcleo emite un fotón γ, el núcleo no se transforma en otro diferente. Se produce cuando el núcleo pasa de un estado excitado energéticamente a otro con menor energía.
e
p
n
11 011 0
0 1 1
Y
X
Z AA Z
e n
p 01 10
1 1
0 1 1
Y
X
z AA Z
0 0
* X
X ZA
• Series radiactivas naturales:
En los procesos radiactivos, los elementos van transmutando en cadena. Las cadenas constituyen las series o familias radiactivas naturales.
Se conocen tres series radiactivas naturales:
1. Serie del torio: Comienza con el 232Th y finaliza con el 208Pb. Los
núclidos de esta serie cumplen A = 4·n, con n entero.
2. Serie del uranio: Comienza con el 238U y finaliza en el 206Pb. Los
núclidos de esta serie cumplen A = 4·n +2, con n entero.
3. Serie del actinio: Comienza con el 235U y finaliza en el 207Pb. Los
12.4. Ley de la desintegración radiactiva
• La velocidad de desintegración de una muestra radiactiva, v, es, en cada instante, proporcional al número de núcleos presentes:
donde λ es una constante que depende del tipo de muestra radiactiva (constante radiactiva). Se mide en el S.I. en s-1.
• El número de núcleos radiactivos que quedan en una muestra decae exponencialmente con el tiempo:
• La velocidad de desintegración se llama actividad, A:
N dt dN v · t
e
N
N
0·
·t
e A A
N
donde A0 es la actividad de una muestra en el instante inicial, t = 0, A0 = λ·N0
La unidad de actividad en el SI es el becquerel, Bq: Un becquerel es la actividad que presenta una muestra radiactiva en la que se produce una desintegración nuclear cada segundo.
• El período de semidesintegración de un núclido radiactivo es el tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos presentes en una muestra se reduzca a la mitad.
• La vida media de un núcleo radiactivo es el tiempo medio necesario para que se produzca su desintegración.
• El método del carbono-14 se basa en que la proporción
14C/12C de un organismo vivo permanece constante hasta el
momento de su muerte, a partir del cual la cantidad de 14C
12.5. Interacción fuerte y estabilidad nuclear
• La estabilidad del núcleo se debe a que existe una fuerza atractiva entre los nucleones que se llama interacción nuclear fuerte, cuyas propiedades son las siguientes:
1. Es una fuerza atractiva de corto alcance, pues sólo actúa a distancais del orden del radio del núcleo, de 10-14 m a 10-15 m.
2. En su radio de acción es tan intensa que puede vencer la repulsión electrostática de los protones.
CARACTERÍSTICAS DE LAS INTERACCIONES FUNDAMENTALES
CARACTERÍSTICA GRAVITATORIA ELECTROMAGNÉTICA NUCLEAR FUERTE NUCLEAR DÉBIL
Partículas afectadas Todas Con carga eléctrica Protones y netrones Protones, neutrones, electrones, neutrinos
Carácter Atractivo Atractivo/Repulsivo Atractivo Atractivo
Intensidad relativa 1 1038 1040 1025
Alcance Infinito Infinito 10-15 m 10-17 m
Región de predominio
Universo Átomo-Escala humana
• Radiactividad y estabilidad nuclear:
La formación de los núcleos y su cohesión interna está en relación con el equilibrio entre la interacción fuerte entre los nucleones (atractiva) y la fuerza electrostática entre los protones (repulsiva).
No hay núcleos estables con Z > 83 ya que la fuerza nuclear fuerte se satura con los nucleones más próximos, pero la repulsión electrostática afecta a todo el núcleo. Por tanto expulsan partículas alfa.
Otra causa de inestabilidad nuclear es la interacción débil,
que es la tendencia de neutrones y protones a intercambiarse, dando lugar a interacciones β- y β+.
He
Y
X
AZ A Z 4 2 4 2e
p
n
11 011
0 p n e
• La energía de enlace nuclear es la energía que debe suministrarse a un núcleo para disgregarlo en sus partículas constituyentes.
• La energía de enlace nuclear crece con el tamaño del núcleo, lo cual no indica que los núcleos grandes retengan más fuertemente a sus nucleones.
• Para calcular la intensidad con que es retenido cada nucleón dentro del núcleo, se emplea la energía de enlace nuclear por nucleón para arrancarle uno de sus nucleones. Su valor es:
A E
• La masa de un núcleo atómico es menor que la suma de las masas de los nucleones que lo componen. La diferencia de masa está en la energía de enlace nuclear, según la ecuación de Einstein de equivalencia entre masa y energía:
• En el caso de la energía de enlace nuclear:
siendo m la masa del núcleo, mp y mn las masas del protón y del neutrón respectivamente. Si como dato se proporciona la
masa atómica, habrá que descontar la masa de los electrones para obtener la masa nuclear m:
2
·
c
m
E
2 )· · ·(m Z m N m c
Ee p n
e
a
Z
m
M
12.6. Reacciones nucleares: fisión y fusión
• Reacciones nucleares de fisión:
Una reacción de fisión es la descomposición de un núcleo pesado en dos o más núcleos ligeros con la consiguiente emisión de subproductos como partículas alfa, beta, rayos gamma y neutrones.
La fisión puede inducirse bombardeando el núcleo pesado con alguna partícula ligera de alta energía, como un neutrón o un protón. Este proceso fue descubierto por Otto Hahn y Lise Meitner en 1938.
La fisión en cualquier núcleo más pesado que el hierro produce energía, mientras que si el núcleo es más ligero que el hierro, requerirá energía.
La reacción en cadena ocurre cuando tras una fisión se producen dos o tres neutrones a gran velocidad que inducen la fisión de otro átomo, y así sucesivamente. Para que ocurra hace falta:
1. Una masa crítica del material fisionable.
• Reacciones nucleares de fusión:
Una reacción de fusión es la unión de dos o más núcleos ligeros para dar un núcleo más pesado y la consiguiente emisión de energía. La fusión de dos núcleos más ligeros que el hierro produce energía. De forma natural se produce en las estrellas, donde la temperatura alcanza los quince millones de grados Celsius (reacciones termonucleares).
El gran inconveniente para producirla de manera artificial está en las altas temperaturas que se requieren. Se necesita un confinamiento magnético o electrostático del plasma.
Ventajas de la fusión nuclear:
1. Abundancia del material fusionable: deuterio y tritio del agua. 2. No desechos radiactivos.
12.7. Efectos de la radiación. Aplicaciones
• Efectos biológicos:
La interacción de la radiación con la materia de la que está hecha los seres vivos puede dañarla, modificarla o destruirla. Daños: quemaduras, neutralización de funciones celulares u
órganos, alteración del ADN, muerte del individuo. Fuentes naturales a las que estamos expuestos:
1. Radiación cósmica: partículas subatómicas y fotones que llegan a la Tierra desde el exterior.
2. Aire que respiramos y alimentos: radón.
• Aplicaciones de los radioisótopos:
1. Tratamiento de tumores cancerígenos: Cobalto-60 como fuente externa y yodo-131 como interna.
2. Estudio de órganos en medicina: se introduce una pequeña muestra de radioisótopo en el interior del órgano o glándula y se analiza su rastro mediante detectores llamados cámaras gamma. Yodo-131 para glándula tiroides y tecnecio-99 para las arterias.
3. Esterilización de instrumentos quirúrgicos. 4. Irradiación de alimentos.
