2f 08 bfisicanuclear
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Física nuclear
Esta parte de la Física estudia el comportamiento de los núcleos
atómicos
Esta parte de la Física estudia el comportamiento de los núcleos
atómicos
Física nuclear
CORTEZAElectronesCORTEZAElectrones
NÚCLEOProtones
Neutrones
NÚCLEOProtones
Neutrones
MATERIA ~ 10-9 m ÁTOMO ~ 10-10 m NÚCLEO ~ 10-14 m NUCLEÓN ~ 10-15 m
Átomo Electrón Protón Neutrón Quarks
PARTÍCULA CARGA MASA
Electrón (e-) -1,6.10-19 C 9,1.10-31 kg
Protón (p+) +1,6.10-19 C 1,67.10-27 kg
Neutrón (n) 0 1,67.10-27 kg
TAMAÑO Y DENSIDAD DE LOS TAMAÑO Y DENSIDAD DE LOS NÚCLEOS INÚCLEOS I
• Rutherford fue el primero que calculó el tamaño del núcleo.
2
2
22
2
4
2
2
12
1
mv
kZed
d
Zekmv
d
QQkmv
El tamaño nuclear obtenido es del orden de 10-14 m
• De la experiencia se pueden obtener dos conclusiones básicas:
• Los núcleos atómicos son básicamente esféricos, si bien sus bordes son difusos.
• El tamaño de los núcleos pequeños es del orden de 10-
15 m.• La unidad en la que se expresa el tamaño del núcleo es
el fentómetro (1 fm = 10-15 m) en honor a Enrico Fermi.• La ecuación empírica que permite conocer el tamaño
del núcleo es: r ≡ 1,2 A1/3 fm
TAMAÑO Y DENSIDAD DE LOS TAMAÑO Y DENSIDAD DE LOS NÚCLEOS IINÚCLEOS II
TAMAÑO Y DENSIDAD DE LOS TAMAÑO Y DENSIDAD DE LOS NÚCLEOS IIINÚCLEOS III
• Cálculo de la densidad de los núcleos:
• Esta densidad es enorme, 2,4 1014 veces la densidad del agua 317
344
27
315
27
33/1
27
2,1
3
273
271066,1
/103,2
1017,2
1098.4
)102,1(4
1066,13
)2,1(34
1066,1
34
1066,1
3
4
1066,1
3/1
27
mkg
m
kg
A
A
A
A
r
ArV
V
A
V
m
fmAr
kgAm
2,3 1017 kg/m3
¿Qué fuerza es capaz de ofrecer estas densidades?
Física nuclear
El núcleo está compuesto por protones y neutrones y representa la carga positiva del átomo y el 99% de su masa.
El núcleo está compuesto por protones y neutrones y representa la carga positiva del átomo y el 99% de su masa.
Las partículas constituyentes del núcleo se llaman núclidos o nucleones.
Las partículas constituyentes del núcleo se llaman núclidos o nucleones.
Número Másico A=N+Z
Número Másico A=N+Z
Número Atómico
Z
Número Atómico
Z
Número de Neutrones
N
Número de Neutrones
N
Los átomos y sus núcleos se caracterizan por el número atómico Z (número de protones) y el número másico A (número de nucleones)
Los átomos y sus núcleos se caracterizan por el número atómico Z (número de protones) y el número másico A (número de nucleones)
Física nuclear
Todos los átomos de un determinado elemento químico tienen el mismo número de protones (Z), pero pueden diferir en el número de neutrones.
Todos los átomos de un determinado elemento químico tienen el mismo número de protones (Z), pero pueden diferir en el número de neutrones.
Los átomos de un mismo elemento químico (igual Z) que tienen distinto número de neutrones (distinto A), se denominan isótopos.Los átomos de un mismo elemento químico (igual Z) que tienen distinto número de neutrones (distinto A), se denominan isótopos.
Isótopos del Hidrógeno: H11 H31H21(protio) (deuterio) (tritio)
Isótopos del Carbono: C126 C14
6C136
(Carbono-12) (Carbono-13) (Carbono-14)
Física nuclear
A pesar de la repulsión electrostática entre los protones, los nucleones se mantienen unidos debido a una fuerza muy intensa, de corto alcance y atractiva que se denomina interacción nuclear fuerte.
A pesar de la repulsión electrostática entre los protones, los nucleones se mantienen unidos debido a una fuerza muy intensa, de corto alcance y atractiva que se denomina interacción nuclear fuerte.
FUERZAS FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA
InteracciónIntensidad
RelativaAlcance Partícula Mediadora
Fuerte 1 Corto Gluón
Electromagnética 0.0073 Largo Fotón
Débil 10-9 Muy Corto Bosones W , Z
Gravitacional 10-38 Largo Gravitón
Física nuclear
El valor de la masa del núcleo de un átomo es siempre menor que la suma de las masas de los nucleones que lo componen. Esta diferencia en la masa se denomina defecto de masa (m).
El valor de la masa del núcleo de un átomo es siempre menor que la suma de las masas de los nucleones que lo componen. Esta diferencia en la masa se denomina defecto de masa (m).
+
+
+
+Nucleones aislados Núcleo
Z protonesN neutronesaislados
npnucleones mNmZM .. Núcleo conZ protonesN neutrones
nucleoM
Defecto de masa: nucleonucleones MMm
Física nuclear
De acuerdo con la ecuación de Einstein, el defecto de masa es equivalente a una energía dada por:
Esta energía se denomina energía de enlace del núcleo y es la energía que se libera al formarse el núcleo a partir de sus nucleones constituyentes. Coincide con la energía que hay que suministrar al núcleo para separar los nucleones que lo forman.
De acuerdo con la ecuación de Einstein, el defecto de masa es equivalente a una energía dada por:
Esta energía se denomina energía de enlace del núcleo y es la energía que se libera al formarse el núcleo a partir de sus nucleones constituyentes. Coincide con la energía que hay que suministrar al núcleo para separar los nucleones que lo forman.
2.cmE
Dividiendo la energía de enlace del núcleo entre el número de nucleones que contiene, se obtiene la energía de enlace por nucleón.Cuanto mayor es la energía de enlace por nucleón, más estable es el núcleo.
Dividiendo la energía de enlace del núcleo entre el número de nucleones que contiene, se obtiene la energía de enlace por nucleón.Cuanto mayor es la energía de enlace por nucleón, más estable es el núcleo.
Unidad de masa atómica = 1 u =1,661.10-27 kg
Física nuclear
El núcleo más estable es el hierro-56, al que corresponde una energía de enlace por nucleón de 8,8 MeV/nucleón.El núcleo más estable es el hierro-56, al que corresponde una energía de enlace por nucleón de 8,8 MeV/nucleón.
ΔE
A(MeV)
Energía de enlace por nucleón en función del número másico
A
Física nuclear
Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen directamente los núcleos de los átomos, transformándose en otros distintos.
Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen directamente los núcleos de los átomos, transformándose en otros distintos.
La primera reacción nuclear de la historia la produjo E. Rutherford en 1919 bombardeando núcleos de átomos de nitrógeno con partículas alfa. Las partículas alfa eran absorbidas por el núcleo, que se transformaba en otro distinto emitiendo un protón.
La primera reacción nuclear de la historia la produjo E. Rutherford en 1919 bombardeando núcleos de átomos de nitrógeno con partículas alfa. Las partículas alfa eran absorbidas por el núcleo, que se transformaba en otro distinto emitiendo un protón.
14 4 17 17 2 8 1N He O H
Física nuclear
En toda reacción nuclear se cumple siempre que la suma de los números atómicos y la suma de los números másicos a ambos lados de la reacción tienen que ser iguales.
En toda reacción nuclear se cumple siempre que la suma de los números atómicos y la suma de los números másicos a ambos lados de la reacción tienen que ser iguales.
27 4 30 113 2 15 0Al He P n 14 1 4 117 1 2 6N H He C
238 1 239 239 092 0 92 93 1U n U Np e
Física nuclear
En la naturaleza existen elementos cuyos núcleos son inestables (sustancias radiactivas), y tratan de transformarse en otros elementos estables emitiendo radiaciones capaces de penetrar cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar las placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias.
Este fenómeno se conoce con el nombre de radiactividad.
En la naturaleza existen elementos cuyos núcleos son inestables (sustancias radiactivas), y tratan de transformarse en otros elementos estables emitiendo radiaciones capaces de penetrar cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar las placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias.
Este fenómeno se conoce con el nombre de radiactividad.
Existen tres tipos de emisiones radiactivas:
Radiación
Radiación
Radiación
Existen tres tipos de emisiones radiactivas:
Radiación
Radiación
Radiación
Física nuclear
42 He
01e
42 α
01β
00 γ
1 1 00 1 1 en p e ν
Física nuclear
Carga eléctrica de las emisiones radiactivasCarga eléctrica de las emisiones radiactivas
Física nuclear
+ + + + +
- - - - - -
+-
Partículas α: carga positiva
Partículas β: carga negativa
Rayos γ: sin cargaCampo eléctrico
sustancia radiactiva
Bloque de plomo
+-
sustancia radiactiva
Bloque de plomoNo existe campo eléctrico: no hay desviación de las trayectorias rectilíneas de las partículas
Carga eléctrica de las emisiones radiactivasCarga eléctrica de las emisiones radiactivas
Física nuclear
Poder de penetración de las emisiones radiactivasPoder de penetración de las emisiones radiactivas
ALFA α
BETA β
GAMMA γ
NEUTRÓN
Papel Cobre Plomo Hormigón
Física nuclear
Leyes de los desplazamientos radiactivos de Soddy y FajansLeyes de los desplazamientos radiactivos de Soddy y Fajans
Partícula Alfa
Partícula Beta menos(electrón)
Antineutrino
Partícula Beta más(positrón)
Neutrino
Rayo Gamma(Fotón)
A, Z A, Z-1
A, Z+1
A-4, Z-2A, Z
A, Z
A, Z A, Z
DE
SIN
TE
GR
AC
IÓN
AL
FA
DE
SIN
TE
GR
AC
IÓN
BE
TA
ME
NO
SD
ES
INT
EG
RA
CIÓ
NB
ET
A M
ÁS
DE
SIN
TE
GR
AC
IÓN
GA
MM
A
Emisión de partículas α (Ley de Soddy)
A A 4 4Z Z 2 2X Y He
Emisión de partículas β- (Ley de Fajans)
A A 0Z Z 1 1X Y e
Emisión de partículas β+
eYX AZ
AZ
011
Física nuclear
Física nuclear
Cuando un núcleo radiactivo se transforma en otro por emisión o , el nuevo núcleo también puede ser radiactivo y originará otro núcleo distinto emitiendo nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que aparezca un núcleo estable. Todos los núcleos que proceden del inicial forman una serie o familia radiactiva.
Se conocen 4 series radiactivas, tres existen en la naturaleza (torio-232, uranio-238, actinio-227) y otra no (neptunio-237).
Cuando un núcleo radiactivo se transforma en otro por emisión o , el nuevo núcleo también puede ser radiactivo y originará otro núcleo distinto emitiendo nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que aparezca un núcleo estable. Todos los núcleos que proceden del inicial forman una serie o familia radiactiva.
Se conocen 4 series radiactivas, tres existen en la naturaleza (torio-232, uranio-238, actinio-227) y otra no (neptunio-237).
TORIO-232 1.41 BILL. DE AÑOS
RADIO-228 5.75 AÑOS
ACTINIO-228 6.15 HORAS
FRANCIO-224 3.3 MINUTOS
RADIO-224 3.66 DÍAS
RADÓN-220 55.6 SEGUNDOS
POLONIO-216 0.145 SEGUNDOS
PLOMO-212 10.64 MINUTOS
BISMUTO-212 1.01 HORAS
TALIO-208 3.05 MINUTOS
PLOMO-208 ESTABLE
Física nuclear
El proceso por el cual un núcleo se transforma en otro por emisión radiactiva se denomina desintegración radiactiva.
La desintegración es un proceso aleatorio que ha de estudiarse estadísticamente
El proceso por el cual un núcleo se transforma en otro por emisión radiactiva se denomina desintegración radiactiva.
La desintegración es un proceso aleatorio que ha de estudiarse estadísticamente
Muestra radiactivaInicial Final, después de un tiempo t
Núcleos presentes: oN Nλ t
oN N e Ley de emisión radiactiva:
se denomina constante de desintegración y representa la probabilidad de que un determinado núcleo se desintegre en un segundo. Se mide en el S.I. en s-1
Física nuclear
Actividad radiactiva o velocidad de desintegración A es el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una muestra radiactiva.
Actividad radiactiva o velocidad de desintegración A es el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una muestra radiactiva.
A λ N La actividad de una muestra en el instante que contiene N núcleos radiactivos es:
La actividad radiactiva se mide en el S.I. en Becquerel (Bq):
desintegración1 Bq 1
s
Otras unidades: el curio (Ci) y el Rutherford (Rf)101 Ci 3,7 10 Bq
61 Rf 10 Bq
Física nuclear
Período de semidesintegración o de semivida T es el tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos presentes en una determinada muestra se reduzca a la mitad
Período de semidesintegración o de semivida T es el tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos presentes en una determinada muestra se reduzca a la mitad
ln 2T
λ
Su unidad en el S.I. es el segundo (s)
0,693T
λ
t
Núcleos presentes
0N
0N
2
0N
40N
8
T 2T 3T 4T
0N
16
Física nuclear
Vida media representa el tiempo que por término medio tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva.Vida media representa el tiempo que por término medio tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva.
Su unidad en el S.I. es el segundo (s)
1τ
λ
Tτ
ln 2
Física nuclear
Magnitud Simbolo Significado Unidad SI Otras unidades
Constante radiactiva o de
desintegración
Representa la probabilidad que tiene un núcleo radiactivo de desintegrarse en la unidad de tiempo. h1 ; día1 ; año1
Actividad radiactiva o velocidad de desintegración
A
Es el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una muestra radiactiva.
N = número de núcleos presentes
Becquerel (Bq)
Curio (Ci)
Rutherford (Rf)
1 Ci=3,7·1010 Bq
1 Rf= 106 Bq
Período de semide-
sintegración T
Tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos presentes en una determinada muestra se reduzca a la mitad. s h , día , año
Vida media
Tiempo que por término medio tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva.
s h , día , año
NA
693,0T
1693,0
T
1ss
1
Física nuclear
Muestra radiactivaInicial Final, después de un tiempo t
Núcleos presentes: oN N
oA A
om m
λ toA A e
λ t0m m e
Actividad:
Masa :
λ toN N e
Física nuclear
La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado se divide en otros dos más ligeros. En el proceso se libera una gran cantidad de energía.
La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado se divide en otros dos más ligeros. En el proceso se libera una gran cantidad de energía.
235 1 141 92 192 0 56 36 0U n Ba Kr 3 n
Los productos de esta reacción presentan un defecto de masa de 0,2154 u, que corresponde a una energía liberada de 200 MeV por cada núcleo de uranio-235. Los isótopos más utilizados en la fisión nuclear son el U-235 y el Pu-239Los neutrones liberados por la fisión pueden fisionar otros núcleos dando lugar a una reacción en cadena.
Los productos de esta reacción presentan un defecto de masa de 0,2154 u, que corresponde a una energía liberada de 200 MeV por cada núcleo de uranio-235. Los isótopos más utilizados en la fisión nuclear son el U-235 y el Pu-239Los neutrones liberados por la fisión pueden fisionar otros núcleos dando lugar a una reacción en cadena.
Física nuclear
235 1 141 92 192 0 56 36 0U n Ba Kr 3 n
Física nuclear
REACCIÓN EN CADENA
Física nuclear
Fisión nuclear en cadena
Controlada No controlada
Si el número de neutrones liberados es muy alto, se introduce un material que absorbe el exceso de neutrones y se evita que la reacción prosiga de forma incontrolada (explosiva)
Se produce en las centrales nucleares y en los generadores auxiliares de submarinos
En este caso no existe ningún elemento controlador que absorba los neutrones en exceso y la reacción tiene lugar de forma explosiva pues se libera toda la energía en muy poco tiempo.
Se produce en las bombas nucleares
Física nuclear
La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos ligeros se unen para formar otro más pesado. En el proceso se libera gran cantidad de energía.
La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos ligeros se unen para formar otro más pesado. En el proceso se libera gran cantidad de energía.
► ►
21HNúcleo de (deuterio)
31HNúcleo de (tritio) Fusión de los núcleos
42 HeNúcleo de (helio)
10 n (neutrón)
2 3 4 11 1 2 0H H He n Energía
+
+
++
+
+
++
Los productos de esta reacción presentan un defecto de masa de 0,0189 u, que corresponde a una energía liberada de 17,6 MeV por átomo de helio-4 formado. Para conseguir la fusión de los núcleos es necesario vencer la repulsión electrostática entre ellos, para lo que se les suministra una energía térmica muy elevada ( correspondiente a temperaturas superiores a 106 K ).
Los productos de esta reacción presentan un defecto de masa de 0,0189 u, que corresponde a una energía liberada de 17,6 MeV por átomo de helio-4 formado. Para conseguir la fusión de los núcleos es necesario vencer la repulsión electrostática entre ellos, para lo que se les suministra una energía térmica muy elevada ( correspondiente a temperaturas superiores a 106 K ).
Física nuclear
Fusión nuclear en cadena
Controlada No controlada
Aún no se ha conseguido de forma rentable, debido a la dificultad técnica que supone confinar los reactivos, que, a temperaturas tan elevadas, están en estado de plasma
Se produce en la bomba atómica de hidrógeno (termo-nuclear).
Para conseguir la alta temperatura necesaria para la fusión se utiliza una bomba atómica de fisión