Núcleo Atómico MSc. Victoria Calzada PARTICULAS ELEMENTALES QUARKS LEPTONES BOSONES Quarks Los quarks son partículas elementales, que forman toda una serie de familias de otras partículas. Combinaciones de tres quarks forman los bariones y combinaciones de un quark y un antiquark forman la famila de los mesones. El modelo nuclear mas aceptado es aquel que considera a las partículas nucleares en niveles de energía. Existe un estado fundamental nuclear y estados excitados. La desexcitación del núcleo va acompañada, al igual que la de los electrones, por la emisión de radiación electromagnética. La distribución de los nucleones dentro del núcleo determina la energía de éste. ESTABILIDAD NUCLEAR El núcleo es intrínsecamente inestable debido a la repulsión electrostática entre los protones. El balance repulsión-atracción determina si un nucleido es estable o no. La relación entre N y Z es de fundamental importancia en dicho balance. NUCLEIDOS Se corresponde a un átomo con número definido de protones y neutrones. Es la unidad en Radioquímica, así como el elemento es la unidad en Química. Se conocen hasta el momento unos 117 elementos y mas de 2000 nucleidos. http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/index.jsp Cada elemento puede tener varios nucleidos estables. Estudiando la relación N/Z de los nucleidos estables vemos que: Si Z < 20 la relación N/Z es aproximadamente 1 para mantener la estabilidad Para Z > 83 ningún nucleido es estable Aún para los nucleidos radiactivos la existencia del núcleo como tal es más favorable que la separación en los nucleones que lo constituyen. La masa de un átomo es siempre menor que la suma de las masas de las partículas que lo constituyen. Esa diferencia se denomina defecto de masa y es equivalente a la cantidad de energía que el núcleo gasta en mantener juntos a sus nucleones (energía de ligadura). La energía de ligadura/nucleón es una medida de la estabilidad del núcleo. La inestabilidad nuclear conduce fenómeno denominado radiactividad. al LA RADIACTIVIDAD ES UN FENÓMENO ESPONTÁNEO DE TRANSFORMACIÓN DE UN NUCLEIDO EN OTRO CON EMISION DE ENERGÍA (RADIACIÓN). El modo de decaimiento más probable será aquel que lo acerque a la estabilidad DECAIMIENTO β Se produce en nucleidos con exceso de neutrones (N/Z >estabilidad). Implica la transformación de un neutrón en un protón con emisión de un electrón y energía. El número total de nucleones permanece constante mientras que el número atómico aumenta en una unidad. A X Z A Z+1Y + 0-1e + ν^ + E DECAIMIENTO β + Se produce en nucleidos con defecto de neutrones (N/Z <estabilidad). Implica la transformación de un protón en un neutrón con emisión de un positrón y energía. El número total de nucleones permanece constante mientras que el número atómico disminuye en una unidad. A X Z A Y Z-1 + 0+1e + ν + E CAPTURA ELECTRÓNICA Se produce en nucleidos con defecto de neutrones (N/Z <estabilidad). Implica la captura de un electrón orbital por parte de un protón nuclear, transformándose ambos en un neutrón, con emisión de un neutrino y energía. El número total de nucleones permanece constante mientras que el número atómico disminuye en una unidad A X Z + 0-1e A Y Z-1 + ν +E + RX El hueco en las capas electrónicas es llenado por otros electrones más externos, produciéndose la emisión concomitante de rayos X característicos. EMISION α Se produce en nucleidos con alto número de nucleones (Z > 83). Implica la pérdida simultánea de 2 protones y 2 neutrones bajo la forma de núcleos de 42He. A X Z A-4 Y Z-2 + 42He +E EMISION γ Se produce cuando el núcleo se encuentra en estado excitado. Implica la emisión del exceso de energía como un cuanto de radiación electromagnética. No produce cambio ni en el número de nucleones ni en el número atómico. Modos de decaimiento de los isótopos del Carbono Isótopo 9C 10C 11C 12C 13C 14C 15C 16C N/Z 0.50 0.67 0.83 1.0 1.17 1.33 1.50 1.67 estable estable Para predecir el tipo de decaimiento mas probable se calcula el defecto de masa β AZX AZ+1Y + 0-1e + E +ν~ ∆m = M padre - (M hijo + me-) α AZX A-4Z-2Y + 42He + E ∆m = M padre - M hijo - M 42He CE ν ∆m = M padre + m e- - M hijo + β AZX AZ-1Y + 0+1e + E + ν ∆m = M padre - (M hijo + me+) CINETICA DEL DECAIMIENTO RADIACTIVO El decaimiento radiactivo es un proceso al azar. Sólo podemos establecer el número de átomos desintegrados por unidad de tiempo. La probabilidad de decaimiento es característica de cada nucleido e independiente de las condiciones físicas y químicas. λ A - dNA λNA dt B +X = Integrando N = - dNA y dt N0e-λt Multiplicando por λ = A (actividad) A= A = λNA A -λt A0e Graficando A vs t Graficando Ln A vs t Actividad de una muestra Cantidad de átomos desintegrados por unidad de tiempo. Unidades: Becquerel (Bq) = dps Curie (Ci) - 1 Ci = 3.7x1010 Bq Constante de decaimiento (λ λ) Probabilidad de que un átomo se desintegre en la unidad de tiempo. Es característico de cada radionucleido. Unidades: Inversa de tiempo ( s-1, h-1 , d-1) Período de semidesintegración (t1/2) Tiempo en el cuál la actividad de la muestra o el número de átomos de la misma disminuye a la mitad. Es característico de cada radionucleido al igual que λ. Unidades Unidades de tiempo ( s, d, h, a) Tarea 9 Comienza 16/6 20:00 h