clase fisicanuclear
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Presentación
Física NuclearMiguel Bustamante S.
Física Nuclear
Estructura Atómica
Modelo Thonson
Modelo de Rutherford
Las cargas negativas (electrones) giran en torno a este núcleo de igual forma como lo hacen los planetas; mantenidas en órbita por la fuerza eléctrica.
Modelo de Rutherford
El modelo consiste de partículas cargasdas.
Electrón carga -1.6x10-19 C Masa
Protón Carga: 1.6x10-19 C Masa
Modelo de Rutherford
Asumía un análogo con los planetas orbitando el sol.
En el centro está el núcleo con carga positiva, rodeado por los electrones que giran en torno del núcleo.
Modelo de Bohr
La emisión de luz de un átomo no es continua. Emite ciertas frecuencias de luz, en forma
discretas
Modelo de Bohr
Así, el átomo de Bohr, los electrones giran en ciertas “orbitas”, y al pasar de una orbita a otro absorbe o emite un fotón. Este hecho explica los espectros discretos de emisión o absorción de los átomos.
Niveles de Energía:Transciciones
Emisión
Cada átomo emite su propia fuente de “luz”, ondas electromagnética, es su firma:
Espectro de emisión de H
Energía del “fotón”
La ondas electromagnéticas emitidas por los átomos tienen energía.
Esta energía depende de la frecuencia o de la longitud de onda.
La energía es E=hf o E=h c/, donde es la longitud de onda, f es la frecuencia (hertz) y h la constante de plack h=6.62606896(33) ×10 -34
Js=4.13566733(10)×10-15 eVs.
Energía del fotón
Las ondas electromagnéticas tienen asociado una energía que depende de su longitud, o su frecuencia.
Una onda de 3 cm de longitud de onda (micro onda) tiene una energía de 3.975x10-24 J
1 electron volt = 1.60217646 × 10-19 joules
Fuentes de la radiación La emisión de luz, en general vienen de las
transciciones de los electrones en la capa atómica.
Los rayos X, vienen de la emisión de las transciciones de las capas internas de los átomos Capas K,L,M
http://www.santillana.cl/fis4/swf/actividad3.swf Las ondas infrarrojas provienen de la vibración
molecular, no del átomo. Las micro ondas, de la vibración molecular,
como de la vibración torsional
Fuentes de Ondas
Las ondas de radio provienen del movimientos acelerado de partículas cargadas (onda corta, Amplitud modulada, Frecuencia modulada).
El emisión de radiación gamma provienen de las transiciones del decaimiento nuclear, no de las transiciones atómicas.
Núcleo atómico
En el núcleo, y dependiendo del elemento tiene un número Z de protones.
Además también puede neutrones que anotamos como N.
La suma de protones y neutrones lo anotamos como A.
Núcleo
El número Z, el número de protones da las crematísticas químicas del elemento.
El número A, da las características físicas del elemento,
Radiación Gamma
El núcleo, en un proceso de decaimiento, emite fotones de alta energía, llamados gamma.
La radiación gamma sólo proviene del núcleo.
En general su energía es superior a los 100 kev y puede llegar los MeV.
Producción de fotones:Radiación X y Gamma
Hasta el momento hemos estudiado los tipos de radiación, pero no como se producen.
Rayos X
Radiación Gamma
La radiación Gamma proviene del núcleo. Los nucleones (protones y neutrones) tienen
asociado niveles de energía, como los electrones en la orbita (modelo de capa de núcleo).
Radiación gamma
Los fotones gamma provienen de una transición nuclear, o
De la aniquilación de materia o antimateria, como por ejemplo al juntar un electrón y un positrón
e+ + e- → γ + γ
Ley de Atenuación
Radiación electromagnética Atenuación
● En este caso, la radiación son las ondas electromagnética.
● Luz, Rayos X y rayos gamma.
Lay de atenuación
● Sea I0, la intensidad de radiación incidente sobre un objeto material de espesor x.
● I(x), la cantidad de radiación que atraviesa el material
● es el coeficiente de atenuación lineal.
I (x)=I 0 e−μ x
Ley de Atenuación
El coeficiente
● El coeficiente es un numero que caracteriza la interacción dela radiación con la materia.
● , depende de la energía material, de la composición de este.
● Se define un termino, conocido como el másico.
●
μρ=μρ
Explicación del
● Para explicar el coeficiente de atenuación, debemos ver que efectos son los involucrados.
● Efecto fotoeléctrico● Efecto Compton● Efecto Pair.
Efecto Fotoeléctrico
● Un fotón transfiere toda su energía a un electrón de la cada interna del átomo.
● La energía saliente del electrón es hv-W, donde W es la energía necesaria para sacar el electrón.
Efecto compton
● Un fotón “choca” elásticamente con un electrón “semi-libre”.
● La energía con salen el electrón y el fotón dependen de la energía incidente.
Este efecto, produce un cambio en la longitud de la onda
Efecto PAR
● Este efecto se observa cuando el fotón, con una energía superior a 1022 kev.
● El fotón a pasar cerca de un núcleo de material pesado, se transforma en dos partículas: Electrón y antielectrón.
Resumen
Estabilidad nuclear
Un núcleo es estable cuando existe un equilibrio entre las fuerzas que actúan, o las fuerzas atractivas son mayores que las repulsivas. Es decir, la interacción nuclear fuerte que experimentan los neutrones y protones son mayores que las fuerzas de repulsión eléctrica de los protones.
De lo contrario, el núcleo es inestable
Núcleos estables● Todo núcleo con 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, neutrones o
protones, son estables. Son los llamados números mágicos, que corresponden a capas nucleares completas.
● Todo núcleo con Z menor o igual a 20, que presenta relación neutrón, protón (N/Z) igual a 1 es estable.
● Todo núcleo con Z mayor que 20, menor a 84, que presenta relación neutrón, protón (N/Z) entre 1 y 1.5 es estable.
● Los núcleos con Z menor a 84 son más estables que los que tienen Z mayor a 84.
● Todos los núcleos con números de nucleones pares son más estables que los impares.
Métodos de estabilización nuclear
● Emisión de partícula alfa
● Emisión de positrón● Emisión de electrón,
o partícula beta● Captura electrónica
● Emisión de protón● Emisión de neutrón● Emisión de fotón
gamma● Emisión de un núcleo
Emisión de partúcula alfa
● Se da generalemente en nucleos, y el numero atómico abaja en 2 (Z-2) y el numeros de neutrones (N-2).
● La particula se anota también como He, núcleo de Helio
● 238U → 231Pa + α
Emisión beta
● La radiación β se origina por la emisión de electrones desde el núcleo de un elemento radiactivo. Estos electrones provienen de la desintegración de un neutrón.
● El nucleo incrementa el Z en 1, matiene el valor de A
Captura electrónica (CE)
● La captura electrónica es una forma de estabilización de algunos núcleos pesados con un exceso de protones. Consiste en la absorción del núcleo de un electrón de las capas más internas (K ó L).
● Inmediatamente se emite una radiación X característica.
● El Z baja en una unidad.
Emisión de un positrón ()
● Un protón nucleo se transforma en neutrón.
● El Z sufre en una unidad, manteniendo el numero de nucleones A.
XZA
→ XZ+1A
+e
60Co → 60Ni + e− + ν¯
Emisión de neutrón
● El núcleo emite un neutrón
● El numero Z se mantiene pero baja en uno el másico.
● El hijo es un isótopo de padre
XZA
→ XZA−1
+n
Emisión de fotón gamma
● Cuando los núcleos quedan excitado, un mecanismo es la emisión de un fotón gamma.
● Este mecanismo, no cambia ni el numero z ni el A.
● Se anota la reacción como
137Ba* → 137Ba + γ(662 keV)
Emisión de un nucleo
● Un núcleo pesado, se divide en otro elemento, típicamente como la fisión
252Cf → 137I + 112Rh + 3n
ResumenA
Z
n
Decaimiento Radiactivo
El decaimiento radioactivo es un proceso en el que un núcleo inestable se transforma en uno más estable, emitiendo partículas y/o fotones y liberando energía durante el proceso.
Mecanismo de decaimiento
Una sustancia que experimenta este fenómeno espontáneamente se denomina sustancia radioactiva. Pueden emitir tres tipos de radiación:
* Radiación α (alfa);* Radiación β (beta);
* Radiacón γ (gamma).
Leyes de desintegración radioactivaLos procesos de desintegración nuclear son estadísticos. La desintegración de todos los núcleos de una cierta masa no se suceden a intervalos iguales de tiempo sino que obedecen a leyes estadísticas. En base a ésto podemos determinar la velocidad a la que ocurre un proceso de decaimiento en una muestra radioactiva, la cual es proporcional al número de núcleos radioactivos presentes.
Si N es la cantidad de núcleos radioactivos presentes en la muestra en algún instante,
entonces la razón de cambio de N es:
Si N es la cantidad de núcleos radioactivos presentes en la muestra en algún instante, viene descrito por
N (t )=N 0 e−λ t
, constante de decaimiento, cuyas unidades son 1/s
0 5 10 15 20 25 300
20
40
60
80
100
120
Numero de nucleos activos
N
Tiempo(s)
N, n
um
ero
de
nú
cle
os
N(t)
Definiciones
● Definimos el período de semi-desintegración, T, como el tiempo necesario para que decaiga la mitad de un número dado de núcleos radioactivos.
● Partiendo de la ecuación para un N=No/2 y despejando t, obtenemos:
T=ln(2)
λ
Definiciones
● Tiempo de vida promedio, τ, es el promedio del tiempo de vida de todos los núcleos radioactivos en una muestra.
● Se define como:
τ=1λ
Actividad
● En lugar de referirnos al número de núcleos presentes en la muestra, es habitual referirse a la Actividad, que se define como el número de núcleos que se desintegran en la unidad de tiempo, es decir, es la tasa de desintegración de una muestra.
A(t )=λ N (t )=λ N 0 e−λt
Unidades de Actividad
● 1 Bq = un Bequerel es un decaimiento por segundo
● 1 Ci = un Curie es la actividad de 1 gr de Ra-226
● 1 cpm = una cuenta por minuto
● 1 Ci = 3,7*1010 Bq
Vidas medias
Isotopo Vida Media Radiación
99mTc 6,05 h 140,5 kev Gamma
22Na 8,21x107 s Beta menos
60Co 60Ni 1,17 Mev gamma
Generador de 99Tc*
Efectos de la radiación
● ionización de la materia.
● Creación e radicales libres.
● Producción de mutaciones
Enlaces
● http://spice.duit.uwa.edu.au/samples/ast0025/● https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VC
hartHTML.html● http://ie.lbl.gov/education/decmode.html● http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/index.cfm● http://phet.colorado.edu/en/simulation/rutherford
-scattering● http://phet.colorado.edu/en/simulation/hydroge
n-atom