9 fisica nuclear

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FÍSICA NUCLEAR

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ejercicios de física nuclear

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Page 1: 9 Fisica Nuclear

FÍSICA NUCLEAR

Page 2: 9 Fisica Nuclear

La menor porción de sustancia que posee todas las

propiedades químicas de un elemento químico dado.

¿ Qué es un átomo?

Page 3: 9 Fisica Nuclear

ELEMENTO QUÍMICO1.- MATERIA FORMADA POR ÁTOMOS MATERIA FORMADA POR ÁTOMOS CON LAS MISMAS PROPIEDADES CON LAS MISMAS PROPIEDADES QUÍMICAS.QUÍMICAS.

2.- LOS ÁTOMOS CONSTITUYENTES SE 2.- LOS ÁTOMOS CONSTITUYENTES SE DENOMINAN DENOMINAN ISÓTOPOS.ISÓTOPOS.

Page 4: 9 Fisica Nuclear

¿Como están formados los átomos?

Por un núcleo cuya carga eléctrica es positiva y, por electrones, que se mueven en el campo eléctrico del núcleo.

Los átomos son eléctricamente neutros.

Page 5: 9 Fisica Nuclear

NNúúcleo Atómicocleo Atómico:: Sistema enlazado de Sistema enlazado de protones (protones (ZZ) y neutrones () y neutrones (NN) a través de ) a través de la interacción fuerte. A los protones y la interacción fuerte. A los protones y neutrones se les denomina neutrones se les denomina NUCLEONES.NUCLEONES.

AA: : número másico (número de nucleones)número másico (número de nucleones)

NZA ZZ: : número atómico (número de protones)número atómico (número de protones)

XAZ

Page 6: 9 Fisica Nuclear

ISÓTOPOS DE UN ELEMENTO QUÍMICO

ÁTOMOS QUE POSEEN EL

MISMO Z PERO DISTINTO A.

ELEMENTO QUÍMICO HIDRÓGENO (H)

- ISÓTOPO HIDRÓGENO 1111HH- - ISÓTOPO DEUTERIOISÓTOPO DEUTERIO 2211HH- - ISÓTOPO TRITIOISÓTOPO TRITIO 3311HH

Page 7: 9 Fisica Nuclear

Carga del núcleo: Carga del núcleo: +Ze+Ze

e = carga de un electróne = carga de un electrón

Radio núcleoRadio núcleo ~ ~ 1010-15-15 m (1 fm) m (1 fm) ((100 000 veces menor que el del átomo)100 000 veces menor que el del átomo) Masa del átomo concentrada en el núcleo.Masa del átomo concentrada en el núcleo.

q =-Zeq =-Ze q=+Zeq=+Ze

MMát át M Mnúcleonúcleo

Masa protón = 1836 masa electrón

Masa protón ≈ masa neutrón

Page 8: 9 Fisica Nuclear

NeutrNeutrónón:: 1100nn Partícula fundamental Partícula fundamental

componente componente del núcleo atómicodel núcleo atómico con con carga carga eléctrica cero.eléctrica cero.

No es una partícula elemental, sino que está compuesto por quarks

Page 9: 9 Fisica Nuclear

ProtónProtón:: 1111p ò p ò 11

11H H Partícula fundamentalPartícula fundamental componente componente del núcleo atómicodel núcleo atómico, con , con carga carga eléctrica +e.eléctrica +e.

No es una partícula elemental, está compuesta por quarks

Page 10: 9 Fisica Nuclear

ElectrónElectrón:: 00-1-1e e Partícula elementalPartícula elemental

componente componente de la corteza electrónicade la corteza electrónica, con , con carga eléctrica -e.carga eléctrica -e.

Page 11: 9 Fisica Nuclear

Interacción fuerteInteracción fuerte: : Es la más fuerte de la Es la más fuerte de la naturalezanaturaleza

De 100 a 1000 veces más intensa De 100 a 1000 veces más intensa

que la electromagnética y que la electromagnética y

10103838 veces más intensa veces más intensa

que la gravitatoria. que la gravitatoria.

Son fuerzas de atracción, de corto Son fuerzas de atracción, de corto alcance (alcance (10 10 -15-15 m = 1 fm m = 1 fm).).

Page 12: 9 Fisica Nuclear

Gracias a ella el Gracias a ella el núcleo atómico es núcleo atómico es un un sistema enlazadosistema enlazado de nucleones a de nucleones a pesar de la pesar de la interacción interacción electromagnética electromagnética repulsiva entre los repulsiva entre los protonesprotones

Page 13: 9 Fisica Nuclear

1- Son fuerzas de corto alcance, actúan en una distancia 1,5 Fermi.

2- Son independientes respecto a la carga o sea actúan por igual entre protón y protón, entre neutrón y protón, entre neutrón y neutrón. Lo que demuestra su carácter no eléctrico.

Propiedades de las fuerzas nucleares.

Page 14: 9 Fisica Nuclear

3- No son fuerzas centrales, o sea, no están en la dirección de la línea recta que une a las dos partículas.

4- Son las de mayor intensidad en la naturaleza.

Page 15: 9 Fisica Nuclear

Masa del núcleo.Masa del núcleo.

Como unidad de masa utilizamos la Como unidad de masa utilizamos la unidad de masa atómicaunidad de masa atómica [uma], [uma],

1uma = 1,66 . 101uma = 1,66 . 10-27-27 kg kg

molátomos

N

gN

uma

A

A

2310 022,6

11

Page 16: 9 Fisica Nuclear

1.- MASA ISOTÓPICA→Masa de un isótopo ( ),en uma.M(isótopo) ≈ A (uma)

M(11H) = 1.00783 uma ------------- 99.985% (abundancia)

M(2211HH) = 2.01411 uma-------------- 0.015% (abundancia)

M(31H) = 3.01605 uma-------------- trazas

2.- MASA ATÓMICA→Masa de un átomo irreal, en uma.

3.- MASA MOLAR→Masa de un MOL de unidades, en gramos.Mm(H)=1.00798 g/mol

XAZ

umaxxx

HMa

xabundaciaisótopoMMa

00798.1100

001605.3015.001411.2985.9900783.1)(

100)(

Page 17: 9 Fisica Nuclear

Energía de enlace (E)

Es la energía mínima que hay que darle a Es la energía mínima que hay que darle a un núcleo en un estado dado para un núcleo en un estado dado para desintegrarlo en cada uno de sus desintegrarlo en cada uno de sus nucleones componentes.nucleones componentes.

Núcleo

XAZ

EE

Núcleo en estado Núcleo en estado básicobásico

Sistema no enlazado de Sistema no enlazado de nucleones en reposonucleones en reposo

Page 18: 9 Fisica Nuclear

LA MASA DE LOS NÚCLEOS ES MENOR QUE LA SUMA DE LAS MASAS DE LOS NUCLEONES (PROTONES Y NEUTRONES)

Defecto de masaDefecto de masa

Page 19: 9 Fisica Nuclear

ENERGÍA DE ENLACE

210

11

2

10

11

)]())()([(

0

cXMnNmpZmE

mcE

E

EXnNpZ

AZ

AZ

UNIDAD DE S.I. → JULIO (J)OTRA UNIDAD → ELECTRÓN-VOLT (eV)Equivalente masa-energía → 1uma=931.5 MeV

Page 20: 9 Fisica Nuclear

ESTABILIDAD DE NÚCLEOS ATÓMICOS

ENERGÍA POR NUCLEÓN:

AE

MAYOR ESTABILIDAD →

LOS NÚCLEOS SON INESTABLESA PARTIR DE Z=83 (Bi), DEBIDO ALELEVADO Nº DE NEUTRONES.

AE

Page 21: 9 Fisica Nuclear

Transformaciones nuclearesTransformaciones nucleares

1.- Desintegraciones radiactivas1.- Desintegraciones radiactivas (naturales o espontáneas(naturales o espontáneas) )

, , y radiación y radiación

2.- Reacciones nucleares 2.- Reacciones nucleares

(artificiales o no espontáneas)(artificiales o no espontáneas)

Fisión y FusiónFisión y Fusión

Page 22: 9 Fisica Nuclear

Desintegración radiactiva: Proceso por el cual los núcleos se Proceso por el cual los núcleos se transformantransforman espontáneamenteespontáneamente en en otros núcleos más establesotros núcleos más estables..

Todo esto lo realizan Todo esto lo realizan emitiendoemitiendo o o bien una partículabien una partícula (núcleo de He 4422He, positivoHe, positivo)),, unauna

(electrones) o un fotón(electrones) o un fotón ..

Page 23: 9 Fisica Nuclear
Page 24: 9 Fisica Nuclear
Page 25: 9 Fisica Nuclear

LEYES DEL DESPLAZAMIENTO RADIACTIVO

1.- Cuando un núcleo radiactivo X emite una partícula se convierte en otro núcleo Y con número másico A-4 y nºatómico Z-2.

ZAX ----> Z-2

A-4Y + 4422HeHe

EJEMPLO:eHTlBi 4

2208

8121283

Page 26: 9 Fisica Nuclear

2.- Cuando un núcleo radiactivo X emite una partícula o electrón, se convierte en otro núcleo Y con número másico A y nºatómico Z+1.

ZAX ----> Z+1

AY + 00-1-1e e

Ejemplo: La desintegración Ejemplo: La desintegración del del neutrón:neutrón:

01n ----> 1

1p + 00-1-1e + (antineutrino)e + (antineutrino)

Page 27: 9 Fisica Nuclear

3.- Cuando un núcleo radiactivo X emite una partícula positrón, se convierte en otro núcleo Y con número másico A y nºatómico Z-1.

ZAX ----> Z-1

AY + 00+1+1e e

Ejemplo: La desintegración Ejemplo: La desintegración del del protón:protón:

11p ----> 0

1n + 00+1+1e + (neutrino)e + (neutrino)

Page 28: 9 Fisica Nuclear

4.- Cuando un núcleo excitado radiactivo X emite radiación , se transforma en el mismo núcleo en su estado fundamental.

ZAX* ----> Z

AX + EJEMPLO: Un núcleo de protactinio excitado:

PaPa 23491

23491 *

Page 29: 9 Fisica Nuclear

Desintegración radiactivaDesintegración radiactiva

teNN 0Ley de la

desintegración radiactiva.

Constante radiactiva λ de una sustancia indica la probabilidad de desintegración por unidad de tiempo.Unidad S.I. (1/s)

Page 30: 9 Fisica Nuclear

No/2

Periodo de Periodo de semidesintegración (T): semidesintegración (T): en en ese tiempo la cantidad de ese tiempo la cantidad de núcleos disminuye a la mitad núcleos disminuye a la mitad del número original Ndel número original N0 0

Tiempo de vida mediaTiempo de vida media

2lnT

1

Page 31: 9 Fisica Nuclear

Actividad de una muestra (A)Actividad de una muestra (A)

teAA 0

00 NA

Ao

A

NA

UNIDAD S.I.BECQUEREL (Bq)1Bq =1desintegración/seg

A → nº de desintegracionespor unidad de tiempo.

Page 32: 9 Fisica Nuclear

¿QUÉ ES UN SIEVERT? El daño producido al cuerpo humano por todo tipo de radiaciones se mide con una magnitud denominada dosis de radiación.

Un Sievert (Sv) es la unidad que mide esa dosis de radiación. Para darnos una idea de lo que significa esta unidad:- Un TAC transmite 5 mSv.-Una radiografía dental transmite 0.05 mSv.- El límite anual de dosis para la totalidad del organismo referido a cualquier período de doce meses consecutivos es de 20 mSv.

Page 33: 9 Fisica Nuclear

PORCENTAJE DE MUESTRAQUE QUEDA SIN DESINTEGRAR

100100%00 A

ANN

Page 34: 9 Fisica Nuclear

Cuando dos núcleos, venciendo la repulsión culombiana, logran acercarse hasta distancias donde actúan las fuerzas nucleares, puede ocurrir un reordenamiento de los nucleones, dando como resultado que los núcleos producto sean diferentes a los núcleos iniciales.

ReaccionesReacciones nucleares nucleares

Page 35: 9 Fisica Nuclear

Generalmente son producidas bombardeando núcleos con nucleones.

La reacción es EXOTÉRMICA:E>0

REACTIVOS → PRODUCTOS

m = m(reactivos) – m(productos)

E = m · c2

Page 36: 9 Fisica Nuclear

Un núcleo original se bombardea Un núcleo original se bombardea con neutrones. con neutrones.

Como productos de la reacción se Como productos de la reacción se obtienen dos núcleos más ligeros y obtienen dos núcleos más ligeros y más neutrones los cuales producen más neutrones los cuales producen

una reacción en cadena.una reacción en cadena.

La reacción es EXOTÉRMICALa reacción es EXOTÉRMICA

Reacciones de fisión nuclearReacciones de fisión nuclear

Page 37: 9 Fisica Nuclear

Reacción de fisión del 235U

nKrBaUnU 10

9236

14156

23692

10

23592 3*

EL DEFECTO DE MASA m PRODUCEUN DESPRENDIMIENTO DE ENERGÍA POR NÚCLEO DE URANIO.

E = +m · 931,5 MeV

Page 38: 9 Fisica Nuclear

Núcleos pequeños se unen para Núcleos pequeños se unen para formar núcleos algo mayores. formar núcleos algo mayores.

Los núcleos de hidrógeno se Los núcleos de hidrógeno se fusionan para dar lugar a núcleos de fusionan para dar lugar a núcleos de

helio.helio.

La reacción es EXOTÉRMICALa reacción es EXOTÉRMICA

Reacciones de fusión nuclearReacciones de fusión nuclear

Page 39: 9 Fisica Nuclear

Reacciones de fusión nuclear

p - d

p - h

eHHH 01

21

11

11

p - p

HeHH 32

21

11

eHeHeH 01

42

32

11

E = +m · 931,5 MeV