Isótopos. Tema 7: M ateria y Radiación. electrones. O tros isótopos:

Tem a 7: M ateria y Radiación

O rb it al e s e le ct rón ic o s d iá m e tr o 10 -1 0 m e tr o s N úc leo at ó m ic o d iá m e tr o 10 -1 5 m e tr o s 9 9 .9 % d e la m as a d e l át om o electrones

N úm ero m ásico: total neutrones y protones

N úm ero atóm ico: total protones o, lo que es lo m ism o, de electrones

Isótopos

H idrógeno:1₁

_H

2

_H

1

H

3 1 deuterio: tritio: O tros isótopos:

C

13 6

C

12 6 14 6

C

Cl

37 17

O

16 8

O

18 8

O

17 8

Cl

35 17 N úm ero m ásico A N úm ero atóm ico Z

98.93% 1.07% >0.01% 99.76% 0.04% 0.20% 75.8% 24.4%

A bundancia: 98.99% 0.01% 0.00% M asa: 1.0078 2.0141 3.0160 M asa del protón: 1.0078 g/m ol del neutrón: 1.0092 g/m ol M asa del núcleo m enor que sum a de m asas de protones y neutrones La m asa que falta es la energía de enlace del núcleo E=m c2

protón neutrón N úm e ro d e ne utr on e s A -Z N úm ero de protones Z

N úcleos estables H acen falta m ás

neutrones que protones para estabilizar los núcleos pesados recta de igual núm ero de neutrones y protones

Elem entos radiactivos naturales: con isótopos inestables que intervienen

en las series radiactivas naturales

*

* *

* *

* especialm ente im portantes

Inestabilidad de los núcleos: radiactividad Los isótopos inestables (naturales o artificiales) sufren

transform aciones y em iten partículas y radiación: rayos alfa, beta, gam m a, X , neutrones, neutrinos, y otros

A lfa Beta Rayos X

Gam m a N eutrones

A lum inio Plom o H orm igón

Tipos básicos de decaim iento radiactivo D ecaim iento alfa: un núcleo pierde una partícula alfa

+

H e

4 2 partícula alfa

Ejem plo de decaim iento alfa

236 92

U

240 94

Pu

4 U na partícula

α

es unnúcleo de H elio

Tipos básicos de decaim iento radiactivo D ecaim iento beta positivo:

un protón del núcleo se convierte en neutrón

Protón neutrón + positrón + neutrino

230 91

Pa

230 90

Th

Ejem plo de decaim iento β+

partícula β+ (o positrón e+₎

El positrón tiene la m ism a m asa que

el electrón pero carga opuesta neutrino

Tipos básicos de decaim iento radiactivo

neutrón protón + electrón + antineutrino

D ecaim iento beta negativo:

un neutrón del núcleo se convierte en protón

Ejem plo de decaim iento β−

partícula β− (o electrón e−₎ U na partícula β

− es unelectrón 228 88

Ra

228 89

A c

antineutrino

Tipos básicos de decaim iento radiactivo D ecaim iento gam m a:

un núcleo excitado em ite un fotón gam m a y vuelve a su estado fundam ental o basal

U na partícula

γ

es unfotón

Ejem plo de decaim iento γ

240 94

Pu*

240 94

Pu

partícula γ: radiación electrom agnética

de alta energía γγ

EJERCICIO

Indicar el tipo de decaim iento que tiene lugar en los siguientes procesos radiactivos e indicar

las partículas que se em iten en cada caso

263 106

Sg

259 104

Rf

14 6

C

14 7

N

18 9

F

18 8

O

222 86

Rn

218 84

Po

214 83

Bi

214 84

Po

El decaim iento radiactivo es exponencial caracterizado por la vida m edia del elem ento

N = N

₀

e

-kt Vida m edia:

τ

=ln 2 _k N úm e ro d e át om os d e l e le m e nt o ra d ia ct iv o

N

0

N

₀

2

τ

tiem po

Tiem po en que la m itad de los átom os han decaído

Las series radiactivas naturales

Serie del U ranio-235:

238 92

U

207 82

Pb

239

94

Pu

decaim ientos_{interm edios}

Serie del Torio-232:

228 88

Ra

208 82

Pb

232

90

Th

decaim ientos _{interm edios}

Serie del U ranio-238:

206 82

Pb

234

90

Th

decaim ientos _{interm edios}

235 92

U

237 93

N p

Serie del N eptunio-237:

209 83

Bi

233

Serie del Torio-232: Serie del U ranio-238:

Serie del U ranio-235 (poco abundante): Serie del N eptunio-237 (ya inexistente en la Tierra):

Radiactividad natural: el problem a de gas Radón

222

86

Rn

218 84

Po

Serie del U ranio-238:

₊

partícula

α

222

86

Rn

es un GA S con una vida m edia de unos 4 días que

difunde a la atm ósfera y se alm acena en los espacios cerrados (por ej. en las viviendas) N o es peligroso salvo si se respira, ya que se

alm acena en los pulm ones donde libera partículas

α

Se estim a que la irradiación por Radón constituye el 50% de la total a la que está expuesto el ser hum ano a lo largo de su vida.

Se piensa que es la segunda cusa de cáncer de pulm ón tras el tabaco.

Irradiaciones radiactivas: unidades y dosis tolerables Cantidad de radiación producida:

1 Becquerel: radiación producida por 1 decaim iento/segundo Ejem plo: 234 ₉₂

U

α , γ 230 ₉₀

Th

1 Becquerel = _{1 partículas α y γ /segundo}

D osis efectiva de energía acum ulada por unidad de m asa: D 1 Gray: irradiación de 1 Julio por kilogram o de m asa

D osis biológica equivalente: H = D WT WR

1 Sievert: dosis efectiva (J/kg) m ultiplicada por factores de ponderación según la radiación producida WR y el tejido u

órgano afectado WT (se sum an todos los tejidos y radiaciones).

El lím ite de exposición perm itido es de 0.001 Sv/año. 1 rem : 0.01 Sievert (unidad no S.I., pero que se usa a m enudo) WR = 20 (partícula α), 5-20 (neutrones), 1 (rayos X , γ, part. β)

WT = 0.2 (glándulas sexuales), 0.12 (m édula ósea, colon, pulm ón,

Reacciones nucleares para la producción de energía: Fisión nuclear y Fusión nuclear

E ne rg ía d e en la ce p or nuc le ón (M e V ) N úm ero m ásico 62 N i 58 Fe 235 U 56 Fe

Zona de fisión exotérm ica Zona de fusión exotérm ica El núm ero m ásico típico de los fragm entos de fusión es 118 Los núcleos m ás estables E n e rg ía d e fu si ón D + T H e Energía de fisión Energía nuclear

Centrales nucleares: La fisión nuclear

235 92

U

Fisión del por un neutrón Ejem plo de una de lasreacciones que tienen lugar en un reactor nuclear 235

92

U

236 92

U

Im pacto de

un neutrón elem ento_inestable

Kr

89 36 rayo γ rayo γ neutrón neutrón

Ba

144 56 S e liberan unos 215 M eV de energía 235

U

Fisión del por un neutrón

Reacción de fisión en cadena

Los neutrones liberados producen nuevas fisiones de uranio Funcionam iento de un reactor

1. Com bustible: Isótopo fisionable (235_{U ,} 239_{Pu) o isótopo fértil}

(238_{U ,} 232_{Th, que form an} 239_{Pu y} 235_{U al colisionar con neutrones).}

El com bustible típico en la actualidad: M ezcla de óxidos de U y Pu 2. M oderador: A gua, agua pesada, grafito, sodio m etálico: Frenan la velocidad de los neutrones para optim izar reacción en cadena. 3. Refrigerante: A gua, agua pesada, CO2, grafito, sodio m etálico:

Captan el calor generado, que se transm ite a la turbina de generación eléctrica o de propulsión.

4. M aterial de control: Cadm io o Boro. Son m uy buenos absorbentes de neutrones. Controlan el ritm o de la reacción en cadena o la paran. 5. Blindaje: H orm igón, plom o, acero, agua: evitan la fuga de

radicación gam m a y de neutrones rápidos.

6. Seguridad: Elem entos de control activos (electrónicos) y pasivos (arquitectónicos)

Funcionam iento de un reactor nuclear de fisión típico C o m b u st ib le nu cl e ar Reactor Barras de control

A rm adura de horm igón

vapor Turbina Generador A gua fría Bom ba de agua línea eléctrica Refrigerante Residuos radiactivos

a) Residuos de alta actividad:Em iten altas dosis de radiación. Form ados por los restos que quedan de las varillas del uranio que se usa com o com bustible en las centrales nucleares y otras sustancias que están en el reactor y por residuos de la fabricación de arm as atóm icas. Tam bién algunas sustancias que quedan en el proceso m inero de purificación del uranio.

plutonio 239 (vida m edia de 24 400 años), neptuno 237 (vida m edia de 2 130 000 años) plutonio 240 (vida m edia de 6 600 años).

S e alm acenan en contenedores resistentes, en zonas geológicas estables

b) Residuos de m edia o baja actividad:

Em iten cantidades pequeñas de radiación. H erram ientas, ropas, piezas de repuesto, lodos, etc. de las centrales nucleares, H ospitales, laboratorios de investigación, industrias, etc.

S e alm acenan cerca de la superficie. En España, en El Cabril (Córdoba)

Fusión nuclear:

conversión de dos núcleos de H idrógeno en uno de H elio

4 2

H e

2 1

H

3 1

H

neutrón D euterio Tritio 4 2

H e +

3 1

H

6 3

Li +

neutrón El tritio se produce a partir de

D iagram a de un reactor de Fusión

Plasm a gas cargado con núcleos de D euterio y Tritio y electrones a ≈50 000 000 K

plasm a Plasm a confinado_{m agnéticam ente}

Reactor de Fusión Europeo: JET

cam po polar electroim anes polares internos y externos electroim anes

toroidales

cam po

m agnético cam po

Confinam iento m agnético en un Reactor de Fusión

Com portam iento ondulatorio de la m ateria

v

v

Interferencia de ondas electrom agnéticas: El experim ento de la doble rendija (Young, 1801)

lá m p ar a rendija colim adora doble rendija patrón de Interferencia constructiva (m áxim os)

y destructiva (m ínim os)

Interferencia de ondas m ateriales: El experim ento de la doble rendija ¡con electrones!

experim ento con luz experim ento con electrones

¡Las partículas presentan propiedades ondulatorias!

Interferencia con átom os de helio

D escripción ondulatoria de las partículas (M ecánica Cuántica) Longitud de onda de

una partícula m aterial (de Broglie, prem io N obel 1919)

λ

h m v = Constante de Planck M om ento lineal (m asa x velocidad)

∂

ψ

(x,

t

)

_ηη

2

∂

2

ψ

_(x,

_t

₎

∂

t

_2m

∂

_x

2

i

ηη

= - + V(x,t)

ψ

(x,

t

)

Ecuación de Schrödinger para ondas m ateriales (en una dim ensión) (com parar con la ecuación de ondas clásica, considerando V(x,t)=0)

inúm ero im aginario, _ηη= h/2π, V(x,t):energía potencial

ψ

(x,

t

)

am plitud de probabilidad de la partícula

|

ψ

(x,

t

)|

2 probabilidad de encontrar la partícula Significado de la función de onda