Física nuclear

Esta parte de la Física estudia

el comportamiento de los

núcleos atómicos

Física nuclear

CORTEZA Electrones

NÚCLEO Protones

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

Física nuclear

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.

Número Másico

A=N+Z

Número

Atómico

Z

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)

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.

Los átomos de un mismo elemento químico (igual Z) que tienen distinto

número de neutrones (distinto A), se denominan isótopos.

Isótopos del Hidrógeno: H1

1 H3

1H2

1(protio) (deuterio) (tritio)

Isótopos del Carbono: C12

6 C14

6C13

6(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.

FUERZAS FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA

Interacción Intensidad

Relativa Alcance 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 (Dm).

+

+

+

+

Nucleones aislados Núcleo

Z protones N neutrones aislados

npnucleones mNmZM .. Núcleo con Z protones N neutrones

nucleoM

Defecto de masa: nucleonucleones MMm D

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.

2.cmE D

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.

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.

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 1

7 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.

27 4 30 1

13 2 15 0Al He P n

14 1 4 11

7 1 2 6N H He C

238 1 239 239 0

92 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.

Existen tres tipos de emisiones radiactivas:

Radiación a

Radiación b

Radiación g

Física nuclear

Naturaleza Carga

(e)

Masa

(u)

Energía

cinética Símbolos

α Núcleos de átomos de helio +2 4 MeV

β

Electrones rápidos

procedentes de neutrones

que se desintegran en el

núcleo

-1 0 MeV

γ Radiaciones

electromagnéticas 0 0 keV-

MeV

4

2 He

0

1e

4

2α

0

1β

0

0 γ

1 1 0

0 1 1 en p e ν

Física nuclear

Carga eléctrica de las emisiones radiactivas

Física nuclear

+ + + + +

- - - - - -

+ -

Partículas α: carga positiva

Partículas β: carga negativa

Rayos γ: sin carga Campo eléctrico

sustancia radiactiva

Bloque de plomo

+ -

sustancia radiactiva

Bloque de plomo No existe campo eléctrico: no hay desviación de

las trayectorias rectilíneas de las partículas

Carga eléctrica de las emisiones radiactivas

Física nuclear

Poder 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 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-2 A, Z

A, Z

A, Z A, Z

Emisión de partículas α (Ley de Soddy)

A A 4 4

Z Z 2 2X Y He

Emisión de partículas β- (Ley de Fajans)

A A 0

Z Z 1 1X Y e

Emisión de partículas β+

eYX A

Z

A

Z

0

11

Física nuclear

Física nuclear

Cuando un núcleo

radiactivo se transforma

en otro por emisión a o b,

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

Muestra radiactiva

Inicial Final, después de un tiempo t

Núcleos presentes: oN N

λ t

oN N e Ley de emisión radiactiva:

l 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.

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

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 t 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 l

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 t

Tiempo que por término medio tardará

un núcleo en desintegrarse. Es la

inversa de la constante radiactiva.

s h , día , año

NA l

l

693,0T

lt

1

693,0

Tt

1ss

1

Física nuclear

Muestra radiactiva Inicial Final, después de un tiempo t

Núcleos presentes: oN N

oA A

om m

λ t

oA A e λ t

0m m e

Actividad:

Masa :

λ t

oN 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.

235 1 141 92 1

92 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.

Física nuclear

235 1 141 92 1

92 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.

► ►

2

1HNúcleo de (deuterio)

3

1HNúcleo de (tritio) Fusión de los núcleos

4

2 HeNúcleo de (helio)

1

0 n (neutrón)

2 3 4 1

1 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 ).

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