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UNIDAD 12 FÍSICA NUCLEAR

1.- ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DEL NÚCLEO ATÓMICO

Con los experimentos de Rutherford y el descubrimiento, en 1932, del neutrón se determinó de forma definitiva la estructura del núcleo.

Los átomos están constituidos por electrones que se mueven alrededor de un núcleo atómico. En el núcleo se concentra prácticamente toda la masa atómica (más del 99%), en cambio, el

volumen del núcleo es una parte muy pequeña del volumen atómico (105 veces más pequeño) El núcleo está formado por protones y neutrones, partículas denominadas nucleones. Un núcleo atómico se caracteriza por su número atómico Z (nº de protones) y su número másico A (nº de nucleones). Si N es el número de neutrones: N=A-Z

La notación internacional del núcleo de un elemento de símbolo X es:

Partícula carga eléctrica (C) masa (Kg) masa (u)

electrón -1,602.10-19 9,1.10-31

---protón +1,602.10-19 1,673.10-27 1,007

neutrón 0 1,675.10-27 1,009

El número atómico caracteriza al elemento, un elemento con Z=1 es siempre hidrógeno, Z=2 helio, Z=3 litio ... , pero pueden existir núcleos de un elemento que sean diferentes. Al ser del mismo elemento tendrán el mismo número de protones, por tanto se diferencian en el número de neutrones. Los átomos diferentes de un mismo elemento se conocen con el nombre de isótopos.

Isótopos: átomos diferentes de un mismo elemento que tienen por tanto el mismo número de protones pero distinto número de neutrones, distinto número másico. Los isótopos de un elemento tienen el mismo comportamiento químico pero distintas propiedades físicas.

Por ejemplo se conocen tres núcleos diferentes del hidrógeno: (protio); (deuterio); (tritio)

Dado que la masa de los núcleos y los átomos es tan pequeña, se utiliza una unidad más adecuada que el Kg, es la unidad de masa atómica (u) , que es la doceava parte de la masa del átomo de

1 u = 1,660.10-27 kg 2.- RADIACTIVIDAD NATURAL

La radiactividad es la propiedad que presentan algunas sustancias llamadas sustancias radiactivas de emitir espontáneamente radiaciones capaces de penetrar en cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar placas fotográficas y excitar fluorescencia en ciertas sustancias.

El descubrimiento de la radiactividad natural por el físico francés Henry Becquerel en 1896, se produjo como consecuencia de una investigación sobre la posible emisión de rayos X por

sustancias fosforescentes.

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solar. Lo extraño era que cuando sobre la placa se colocaba una sal de uranio esta resultaba velada incluso en la oscuridad. Esto ponía de manifiesto la emisión continua de algo que era capaz de penetrar el papel e incluso una placa de vidrio. Lo que llamó más la atención de esta nueva

radiación fue su carácter continuo, persistente y espontaneo, sin requerir aporte de energía por parte de un agente externo para su mantenimiento y sin agotarse aparentemente.

Las investigaciones fueron continuadas por los esposos Marie y Pierre Curie, quienes descubrieron que otro elementos poseían actividad radiante o radiactividad, incluso mayor que la del uranio. Entre ellos tenemos el torio y los nuevos elementos descubiertos por ellos: el radio y el polonio.

Una vez conocida la existencia de diferentes sustancias radiactivas espontaneas, el paso siguiente era averiguar la naturaleza de estas emisiones. Desde su descubrimiento se fueron realizando experiencias para comprobar si la radiación era única o estaba formada por distintos componentes. E. Rutherford, en 1899, colocando láminas metálicas en la trayectoria de la emisión y usando un intenso campo magnético consiguió separar y caracterizar las diferentes radiaciones.

 La primera fracción, a la que llamo alfa(), era detenida por un reducido número de láminas y no sufría gran desviación en el campo magnético. Hoy sabemos que las partículas  () son núcleos de helio formados por dos protones y dos neutrones (partículas de gran masa y carga positiva.)

 +

 Otra facción que poseía un poder de penetración 100 veces mayor a la anterior y experimentaba una gran desviación en el campo magnético, la designó como radiación

beta ().

Hay dos tipos de desintegración beta:

 La beta positivo es una emisión de un positrón acompañado de un neutrino. X

A

Z ZA1Y +

 01e

+ neutrino

 La beta negativo es la emisión de un electrón acompañado de un antineutrino. Las partículas - (

10 ) son electrones rápidos procedentes de neutrones que se

desintegran en el núcleo dando lugar a un protón y un electrón. Son partículas con muy poca masa y carga negativa.

 + + antineutrino

En la emisión beta, además de la propia partícula  , se emite un antineutrino,, el proceso que tiene lugar es: el antineutrino prácticamente no tiene masa y no tiene carga eléctrica.

 Posteriormente, P. Villard detectó la presencia de una tercera fracción mas penetrante que las anteriores, llamada radiación gamma (). Esta última radiación no es afectada por la acción de campos magnéticos o eléctricos por lo que se la caracteriza como radiación electromagnética (fotones)de gran frecuencia. No posee ni masa ni carga, por lo que la emisión de la partícula  no altera ni le número atómico ni el número másico del núcleo que la emite.

 +

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4.- MASA Y ENERGÍA

En el estudio de los procesos químicos se utiliza la “Ley de Lavoisier o de conservación de la masa”: en un sistema cerrado, la masa permanece constante, independientemente de los procesos químicos que tengan lugar.

Por otra parte, el primer principio de la termodinámica o principio de conservación dela energía, dice: la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Sin embargo, en determinados procesos nucleares se ha constatado una transformación de masa en energía y viceversa:

E=m.c

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(fórmula de Einstein)

E: energía

m: masa

c=3.108 m/s (velocidad de la luz) Por tanto, en un sistema aislado no se conserva la masa ni la energía individualmente, sino como conjunto masa-energía, ya que son equivalentes según la fórmula:, la disminución de la masa va acompañada por el desprendimiento de energía y el incremento de la masa por una absorción de energía.

5.- FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEARES. REACTORES NUCLEARES

Junto a la radiactividad nuclear natural, en la que el núcleo atómico se rompe

espontáneamente en dos o más fragmentos, es posible considerar otras reacciones nucleares, es decir, transformaciones en los núcleos átomos por otros diferentes de los mismos. El procedimiento más frecuente consiste en bombardear un núcleo X con otra partícula, lo que generalmente da lugar a otro núcleo Y y a otra partícula, además de liberar o absorber energía. Si la energía es liberada se dice que la reacción es exoenergética y en caso contrario, energía absorbida, endoenergética.

Por ejemplo, la primera reacción nuclear producida artificialmente (en 1932) fue la siguiente:

que fue posible acelerando protones hasta comunicarles una energía cinética de 0,8 MeV. La reacción es exoenergética y se desprenden 17,3 MeV, esta energía puede calcular a partir de la disminución de masa con la ecuación de Einstein ( )

Hay dos tipos de reacciones nucleares: de fusión y de fisión.

FUSIÓN: Es el proceso que tiene lugar cuando dos o más núcleos (ligeros) dan lugar a otro más pesado y una o más partículas o radiación . En este proceso la masa disminuye, por tanto existe un desprendimiento de energía.

La fusión consiste en aproximar suficientemente dos núcleos ligeros para que la s fuerzas nucleares superen a las de repulsión eléctrica. Este proceso encierra grandes dificultades técnicas , ya que para que los núcleos se aproximen lo suficiente hay que elevar al temperatura hasta millones de grados (aproximadamente 100 millones). La fusión solo se produce de manera natural en el interior de las estrellas, como el Sol.

Una forma de conseguir estas temperaturas y, por tanto, de conseguir la fusión, es recurrir a la explosión de la bomba de fisión. De este modo se consigue una reacción de fusión incontrolada denominada bomba de hidrógeno.

A estas temperaturas la materia se encuentra en estado de plasma. Estado que consiste en una mezcla neutra de núcleos positivos y electrones, se tiene el problema añadido de encontrar un recipiente para contener el plasma, ya que no hay material capaz de soportar esas temperaturas.

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Además se está estudiando el confinamiento inercial, aquí el confinamiento y el

calentamiento se consiguen por medio de potentes láseres o por medio de haces de partículas que se hacen incidir sobre una microesfera de combustible.

Diferentes países, entre ellos España, y organizaciones internacionales dedican sus esfuerzos a resolver estos problemas tecnológicos y poder usar la fusión para producir energía útil. Lo s motivos son fundamentalmente:

 Es más limpia que la fisión, ya que no produce residuos radiactivos.

 Los reactivos son muy abundantes y fáciles de obtener (hidrógeno, deuterio y tritio)  El rendimiento energético por nucleón es mayor que en la fisión.

FISIÓN: Es el proceso en el que un núcleo, generalmente pesado, se rompe en dos fracciones más ligeras.

Generalmente para producir la fisión se hacen incidir neutrones sobre los núcleos a fisionar. Los neutrones pueden clasificarse en lentos, o térmicos, y rápidos. Para producir fisión los

neutrones que chocan con el núcleo deben ser lentos, pues sino el choque es elástico y el núcleo no se rompe. Si el neutrón con el que choca el núcleo es térmico es más probable que se produzca su captura y posterior fisión. Por cada neutrón capturado en la fisión se emiten dos o tres neutrones , si estos neutrones son lentos, que pueden provocar nuevas fisiones y producir lo que se llama

reacción en cadena.

En la práctica los neutrones desprendidos en la fisión son rápidos y si queremos que se mantenga la reacción deben ser moderados, esto puede conseguirse con choques con el propio material fisible: los sucesivos choques van reduciendo su velocidad hasta que son neutrones lentos. así se comprende el concepto de masa o volumen crítico de un material por debajo del cual no se puede producir la reacción en cadena, pues los neutrones no son frenados suficientemente y escapan de la muestra sin que den lugar a más fisiones.

Si la reacción transcurre de tal modo que un neutrón emitido produce a su vez una nueva fisión, tendremos un proceso automantenido o reacción en cadena controlada. Si, por el contrario, más de un neutrón liberado en la fisión es capaz de originar nuevas fisiones, el número de estas crece rápidamente, resultando una reacción incontrolada, esto es lo que ocurre en una bomba atómica.

Un

reactor nuclear

es una cámara blindada contra la radiación donde se produce una reacción nuclear controlada para la obtención de energía, producción de materiales fisionables como el plutonio para armamento nuclear, propulsión de buques o de satélites artificiales o para investigación.

Una central nuclear puede tener varios reactores. Actualmente solo producen energía de forma comercial los reactores nucleares de fisión aunque existen reactores nucleares de fusión experimentales.

Un reactor nuclear de fisión consta de las siguientes partes

 Combustible.-Isótopo fisionable o fértil (puede convertirse en fisionable por

activación neutrónica): Uranio-235, Uranio-238, Plutonio-239, Torio-232, o mezclas de estos (combustible típico en la actualidad es el MOX, Mezcla de Óxidos de Uranio y Plutonio).

 Moderador.- Agua, agua pesada, helio, grafito, sodio metálico: Cumplen con la función de frenar la velocidad de los neutrones producidos por la fisión, para que tengan la oportunidad de interactuar con otros átomos fisionables y mantener la reacción.

 Refrigerante.- Agua, agua pesada, anhídrido carbónico, helio, sodio metálico: Conduce el calor generado hasta un intercambiador de calor, o bien directamente a la turbina generadora de electricidad o propulsión.

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 Blindaje.- Hormigón, plomo, acero, agua: Evita la fuga de radiación gamma y neutrones rápidos (peligrosos para la salud).

 Material de control.- Cadmio o Boro: Hace que la reacción en cadena se pare. Son muy buenos absorbentes de neutrones. Generalmente se usan en forma de barras (de acero borado por ejemplo) o bien disuelto en el refrigerante.

 Elementos de Seguridad.- Todas las centrales nucleares de fisión, constan en la actualidad de múltiples sistemas de seguridad, activos (responden a señales eléctricas), o pasivos (actúan de forma natural, por gravedad, por ejemplo). La contención de hormigón que rodea a los reactores es el principal de ellos. Evitan que se produzcan accidentes, o que, en caso de producirse, haya una liberación de radiactividad al exterior del reactor. 6.- DEFECTO DE MASA. ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR. ESTABILIDAD NUCLEAR

Se sabe que: “la masa de un núcleo es menor que la de los nucleones que lo forman” Esta diferencia de masa se llama “defecto de masa”

m m Z A m Z

mp   n

 ( . ( ). )

Z = nº atómico; mp=masa del protón; A = nº másico; mn= masa del neutrón; m = masa del núcleo Cuando se forma el núcleo se desprende energía, es decir la masa del núcleo es menor que la suma de las masas de los nucleones. Si no fuese así el núcleo no se formaría.

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.c m

Ee  Energía de enlace nuclear: energía necesaria para disgregar un núcleo en sus nucleones.

A E Ene

Energía de enlace por nucleón La energía de enlace por nucleón se interpreta como la contribución de cada nucleón a la estabilidad nuclear: Cuanto mayor es En, más fuertemente

unidos están los nucleones y más estable es el núcleo. Por ejemplo dos núcleos diferentes pueden tener igual Ee, pero el número de nucleones de uno puede ser mayor que en otro, el núcleo con menos nucleones es más estable, ya que estos están ligados con más intensidad que los del núcleo que los tiene en mayor número.

Para explicar la estabilidad de los núcleos se postula la existencia de la llamada interacción fuerte, una fuerza atractiva de corto alcance entre los nucleones que, a distancias muy cortas (del orden de los diámetros nucleares), es más intensa que la repulsión

electrostática entre los protones, manteniendo así los núcleos estables.

La estabilidad nuclear está relacionada con la cantidad relativa de protones y neutrones que posee un núcleo. Aquellas especies con Z par son más numerosas que las de Z impar. Los puntos negros son los isotopos estables y la franja ascendente es la franja de estabilidad nuclear. Observe que para Z>20, los que son estables tienen más neutrones que protones. Para un elemento dado, en la parte central están los isotopos estables y hacia arriba y hacia abajo los isotopos radiactivos. Si un núcleo con Z protones tiene exceso o deficiencia de neutrones es inestable. La línea recta (Z=N) es la condición ideal de estabilidad.

7.- PARTÍCULAS ELEMENTALES

Electrón 01e: En 1897 Thomson llegó a la conclusión de que los rayos catódicos estaban

formados por partículas de masa pequeña y carga negativa, que posteriormente se denominaron electrones.

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que siempre se mueven a la velocidad de la luz c. . Es imposible mantener un fotón estacionario. La única forma de detenerlo es destruyéndolo. Por tanto, su masa en reposo es cero.

Protón 11p: Descubierto en experiencias con tubos de vacio con el cátodo perforado(rayos

canales)

Neutrón 01n: En 1930, Irene Curie (hija de los descubridores del radio) y su esposo

descubre que el berilio bombardeado con partículas  emitía una partícula neutra, posteriormente ChadwicK demostró que se trataba de una partícula sin carga, de masa semejante al protón y que se denominó neutrón.

Antineutrino 00 : Se comprobó que el neutrón era inestable y que podía desintegrarse en

un electrón y un protón (radiactividad ). Las experiencias demostraron que para que se cumpliera el principio de conservación de la energía era necesario que una nueva partícula neutra se emitiera arrastrando el exceso de energía. Esta nueva partícula fue llamada antineutrino.

Positrón 01e: Poco después se descubría una nueva partícula, el positrón, de carga positiva

y masa igual a la del electrón. La existencia del positrón había sido predicha en 1930 por Dirac según el cuál a toda partícula debía corresponder una partícula conjugada,

antipartícula, portadora de igual masa pero de carga opuesta. El positrón erala antipartícula del electrón. El positrón es muy inestable y en presencia de un electrón se combina,

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