www.elmaestrodeciencias.es 1 A X → Z−2 4He A X → Z+1 0β A X

TEMA 13: FÍSICA NUCLEAR
1. La
radiactividad.
RESUMEN :2ºBACHILLERATO
1
Roentgen descubrió por casualidad los rayos X, Becquerel, animado por este descubrimiento, investigó sobre
el fenómeno, llegando a descubrir la radiactividad:
“La radiactividad es el fenómeno por el cual ciertas sustancias llamadas radiactivas emiten espontáneamente
radiaciones penetrantes que son partículas materiales o radiación electromagnética de alta energía”. Cabemos
destacar a Maria Curie como una de las investigadoras más importantes de este fenómeno, descubrio el
polonio y el radio, sustancias altamente radiactivos.
Radiactividad natural y artificial: La radiactividad descubierta por Becquerel se produce de manera
espontánea en sustancia de la naturaleza y por eso se la llama radiatividad natural. Sin embargo Joliot y
Curie bombardearon átomos de aluminio con rayos alfa y obtuvieron un isótopo radiactivo que no existía en la
naturaleza el fósforo-30, habían descubierto la radiactividad artificial.
Fue Rutherford quien puso de manifiesto que al hacer impactar sobre un núcleo una partícula con la suficiente
energía, éste se puede transmutar en otro núcleo diferente.
Tipos de emisiones radiactivas: Rutherford concluyó que las radiaciones naturales son de tres tipos
1.-Radiaciones α :Son núcleos de helio-4, con una velocidad del “5%·c” con poco poder de penetración y gran
capacidad de ionización.
2.- Radiaciones β :Son electrones que provienen del núcleo. Cuando un neutrón se convierte en un protón +
un electrón + un antineutrino;(estos dos últimos salen despedidos del núcleo) con una velocidad del “99,95·c”
con un poder de penetración mayor que las α , pero esta emisión es menos ionizante.
3.- Radiaciones γ :Es radiación electromagnética constituida por fotones muy energéticos, con un poder de
2.- El núcleo
atómico.
3.- Procesos
readiactivos.
Series
radiactivas.
penetración muy alto y con muy poca capacidad de ionización.
El núcleo atómico. Rutherford demostró la existencia del núcleo atómico, formado por nucleones (protones y
neutrones), cuyos parametros son:
Número atómico “Z”: Es el número de protones del núcleo o carga nuclear.
Número másico “A”: Es el número de nucleones, es decir la suma de protones y neutrones.
Isótopos y núclidos: Los isótopos son los átomos diferentes de un mismo elemento; es decir, aquellos que
tienen el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. Por tanto tienen la misma “Z” pero
diferente “A”. Presentan las mismas propiedades químicas pero diferentes propiedades físicas.
Llamamos “núclido” a cada especie nuclear definida por su número atómico y su número másico.
Masa atómica: La unidad de masa atómica “u”, es la doceava parte de la masa de un átomo del isótopo 12
del carbono.
El sistema periódico recoge la media ponderada de las masas atómicas de los isótopos naturales del
elemento, nunca es un número entero; ya que la única masa atómica exacta es la del carbono 12.
Cuando un núcleo emite radiación α o radiación β , se transforma en un núcleo de otro elemento químico
diferente. Decimos que el núcleo se ha trasmutado o desintegrado.
Leyes de los desplazamientos radiactivos:leyes de Soddy y Fajans:
Primera ley: “Cuando un núcleo emite una partícula
α , 24 He se transforma en otro núcleo diferente cuyo
número másico es cuatro unidades menor y cuyo número atómico es dos unidades menor que el núcleo de
A
A−4
4
partida”. Z X → Z−2Y + 2 He
El núcleo obtenido tras una desintegración α corresponde a un elemento químico que está desplazado, en el
sistema Periodico, dos lugares a la izquierda del núcleo original.
Segunda ley: “Cuando un núcleo emite un electrón
0
−1
e
o partícula
másico no varía, pero su número atómico aumenta en una unidad”.
El núcleo obtenido tras una desintegración
β−
0
−1
A
Z
β (desintegración β − ) su número
X → Z+1AY + −10 β
corresponde a un elemento químico desplazado, en el Sistema
Periodico, un lugar a la derecha del elemento original.
0
1
Si la partícula emitida es un positrón,
e
o partícula
0
1
β
antipartícula del electrón (desintegración
número másico no varía, pero su número atómico disminuye en una unidad”.
El núcleo obtenido tras una desintegración
A
Z
β + ) su
X → Z−1AY + 10 β
β + corresponde a un elemento químico desplazado, en el Sistema
Periodico, un lugar a la izquierda del elemento original.
Emisión gamma γ : La emisión se produce cuando el núcleo pasa de un estado energético excitado, a otro
de menor energía.
A
Z
X* → ZA X + 00γ
el núcleo no se transmuta.
Series radiactivas naturales: El matrimonio Curie detectaron polonio y radio en cantidades infimas en el
mineral de uranio, la única explicación posible es que estos minerales constituyen un eslabón intermedio en
las series radiactivas naturales.
1.-Serie del torio: Comienza en el
A = 4·n
Dep. FYQ
232
Th
y terminan en el
208
Pb
, los núclidos de esta serie cumplen
donde “n”es un número entero .
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TEMA 13: FÍSICA NUCLEAR
RESUMEN :2ºBACHILLERATO
2.-Serie del uranio: Comienza en el
A = 4·n + 2
238
U
Pb
2
, los núclidos de esta serie cumplen
donde “n”es un número entero .
3.-Serie del actinio: Comienza en el
A = 4·n + 3
235
U
y terminan en el
207
Pb
, los núclidos de esta serie cumplen
donde “n”es un número entero .
4.-Serie del neptunio: Comienza en el
4.- Ley de la
desintegración
radiactiva.
y terminan en el
206
241
Pu _ 237 Np
y terminan en el
209
Bi
, los núclidos de esta serie
cumplen A = 4·n +1 donde “n”es un número entero .
La proporción de Plomo contenido en el mineral permite conocer la entiguedad de su formación.
Cada especie radiactiva tiene un ritmo propio de desintegración sujeto a su propia naturaleza (ejm nº de
núcleos que tiene) e independiente de factores externos.
Velocidad de desintegración radiactiva: La desintegración es un proceso aleatorio y por tanto se le aplica
un procedimiento estadístico: “La velocidad de desintegración de una muestra radiactiva, “v” es, en cada
instante, proporcional el número de nucleos presentes”.
v=−
dN
= λ ·N = A llamado actividad o tasa de desintegración A ,donde N es el número de núcleos
dt
-1
y λ (s ) es la constante radiactiva caracteristica de cada emisor.
Si integramos la ecuación anterior obtenemos la ley integrada de la desintegración radiactiva.
N = N 0 ·e− λ ·t
sustituyendo A = λ ·N
= λ ·N 0 ·e− λ ·t = A0 ·e− λ ·t donde A0 = λ ·N 0
El becquerel (Bq) es la unidad de actividad que presenta una muestra radiactiva en la que se produce una
10
desintegración nuclear cada segundo. Otra unidad de actividad es el curio (Ci) y 1Ci = 3,73·10 Bq.
Periodo de semidesintegración y vida media. “El periodo de semidesintegración de un núclido radiactivo es
el tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos presentes en una muestra se reduzca a la
mitad”.
T1 =
2
ln 2 0, 693
=
λ
λ
“La vida media de un núcleo radiactivo es el tiempo medio necesario para que se produzca su desintegración.
T1
1
τ= = 2
λ 0, 693
5.- Interacción
fuerte y
estabilidad
nuclear.
Datación de muestras con fuentes radiactivas: “El método de carbono-14 se basa en que la proporción C14/C-12 de un organismo vivo permaanece constante hasta el momento de su muerte, a partir del cual la
cantidad de C-14 disminuye exponencialmente.
No es un método infalible ya que debemos suponer que:
1.-Que la proporción entre los isotopos de (C-14/C-12) solo se ha alterado por la desintegración natural.
2.-Que la proporción es constante para todos los seres vivos en todas las épocas y lugares.
3.-La concentración de C-14 en la atmósfera ha permanecido constante a lo largo de la historia.
Si el núcleo está formado por protones, por qué la repulsión electrica no destruye el núcleo? La respuesta es la
fuerza nuclear fuerte, que es una fuerza atractiva entre nucleones, yse caracteriza por:
-14
-15
a)El una fuerza atractiva de corto alcance. 10 a 10 m.
b)Es tan intensa que vence la fuerza eléctrica.
c)Actua por igual entre protones, neutrones, protones y neutrones.
Las interacciones fundamentales de la naturaleza: Actualmente se conocen cuatro: gravitatoria,
electromagnética, nuclear fuerte (responseble de la unión entre nucleones) y nuclear debil (responsable de la
estabilidad interna de protones y neutrones y de la emisión β . Hoy día se interpretan como manifestaciones
de una sola interacción; se intenta unificar las cuatro fuerzas en una sola superfuerza.
Radiactividad y estabilidad nuclear: En los núcleos atómicos existe un equilibrio entre la fuerza nuclear
fuerte y la fuerza eléctrica, pero los núcleos más pesados son inestables y emiten partículas α .
A
Emisión α : Z X
→
A−4
Z−2
Y + 24 He
y
Tanto en los núcleos pesados como en los ligeros otra causa de inestabilidad es la fuerza nuclear debil, que
es la tendencia de neutrones y protones a intercambiarse, dando lugar a: A
−
La emisión
γ
→ Z+1AY + −10 β ; Emisión β + : ZA X → Z−1AY + 10 β
1
0
1
; Captura electrónica: 1 p + −1 e → 0 n + ν no altera la composición del núcleo, es un mecanismo de expulsión de energía de núcleos
Emisión β : Z X
excitados.
Energía de enlace nuclear ( Ee ):” Es la energía que debe suministrarse a un núcleo para disgregarlo en sus
partículas constituyentes”.
La energía de enlace nuclear por nucleón ( En ):” es la energía media que se debe suministrar a un nucleo
Dep. FYQ
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TEMA 13: FÍSICA NUCLEAR
3
RESUMEN :2ºBACHILLERATO
para arrancarle uno de sus nucleones”.
En =
Ee
A
donde “A” es el número másico. Observamos que existen
núclidos ligeros especialmente estables (islas de estabilidad nuclear) H-4, C-12, O-16.
Balance de masa y energía: En los procesos nucleares espontáneos, la fuente de energía se debe a que se
produce una perdida de masa.
“La masa de todos los núcleos, excepto el H, es siempre menorque la suma de las masa de sus nucleones
E = Δm·c 2 .Esta ecuación relativista, nos da la relación entre la masa y la energía; donde
el balance de masa se calcula: Δm = (Z·m p + N·mn ) − m donde “m” es la masa nuclear no la masa
correspondientes”.
6.Reacciones
nucleares.
Fisión y
fusión.
atómica.
Las reacciones nucleares son procesos en los que tiene lugar la transformación de un núcleo en otros po rle
bombardeo con otros núcleos o con un proyectil aecuado (protón, neutrón, partícula α ).
La notación simbólica que se emplea es:
A1
Z1
X1 + ZA22 X 2 →
A'1
Z '1 1
Y + A'2
Z '2Y2 +.. .. Y se cumple que:
1.- La carga eléctrica no varía: esto es, la suma de los subindices permanece constante.
2.-El número de nucleones no varía: esto es, la suma de los superindices permanece constante.
Fisión nuclear: ”Es el proceso en el que un núcleo pesado se divide en otros más ligeros de tamaño variable”
Strassman y Hahn bombardearon uranio con neutrones:
235
92
141
92
1
U + 01n → 236
92 U* → 56 Ba + 36 Kr + 3 0 n
como
aparecen 3 neutrones en los productos, que pueden ser absorbidos por nuevos núcleos de uranio, se puede
originar una reaccion en cadena.
Reactores de fisión: S la reacción en cadena es controlada se usa en un reactor nuclear para producir
electricidad. Los combustibles nucleares más idoneos son el
235
U y el
239
Pu .
Los principales elementos de una central son:
1.-El combustible nuclear: Plutonio
239
Pu
o uranio enriquecido con el isótopo
235
U a 3%.
2.-Barras de control: Absorben neutrones y son de Boro B o Cadmio Cd .
3.-Moderador Reduce la velocidad de los neturones transformando en calor su energía cinética.
4.-Circuito de refrigenración primario: Extrae el calor del reactor.
5.-Blindaje externo: Protege el entorno de fugas o accidentes nucleares.
Fusión nuclear: “Es el proceso por el que dos núcleos de número másico bajo se unen, se fusionan, para
formar un núcleo más pesado con mayor energía de enlace por nucleón”.
La reacción nuclear más prometedora para obtener energía es:
En el Sol ocurre:
7.-Efectos de
la radiación.
Aplicaciones.
2
1
H + 13 H → 24 He + 01n +17, 6MeV .
4 11H → 24 He + 2e+ + 24, 7MeV . Debido a las altas temperatura y presiones.
Para conseguir el proceso de fúsión en en reactor, es necesario que el plasma este a unos diez millones de
grados, temperatura que ningún material resiste, y para llevarlo a cabo, se ha pensado en:
a)Confinamiento magnético: donde el gas ionizado está encerrado en intensos campos magnéticos.
b)Confinamiento inercial: donde gotitas de material son bombardeadas con potentisimos rayos láser que las
mantienen en suspensión a altas temperaturas. Una vez que sean viables, serán limpias, y emplearan un
combustible barato y abundante.
Efectos biológicos: La radiación en su interacción con la materia de los seres vivos puede, dañarla, modificar
sus funciones o destruirla. Los daños pueden ir desde quemaduras mas o menos graves hasta la alteración
del ADN que puede desembocar en la muerte del individuo.
Todos estamos expuestos a la fuentes naturales de radiación:
1.-La radiación cosmica: partículas subatómicas que llegan del exterior.
2.-El aire que respiramos y los alimentos: sobre todo el radón que contiene el aire que respiramos.
3.-La materia que nos rodea: puede tener pequeñas cantidades de material radiactivo.
Dosis de radiacción: La dosis absorbida “D”, se define como el cociente entre la energía depositada por la
muestra radiactiva, “E”, y la masa de tejido vivo, “m”.
D=
E
m
.Su unidad en el S.I. es el “gray” (Gy);
1Gy=1J/kg tambien se usa el “rad”; 1rad=0,01J/kg por lo tanto 1rad = 0,01 Gy.
Como el efecto tambien depende de la calidad de la radiación de define una nueva magnitud que se denomina
“dosis equivalente” y se mide en “sievert” (Sv), aunque se utiliza el “rem”, donde 1rem=0,01Sv,
Aplicaciones de las radioisótopos:
1.-Tratamiento de tumores cancerígenos: se usa el Co-60 como fuente externa y el I-131 como interna.
2.-Análisis por activación neutrónica: al bombardear una muestra con neutrones los núcleos que se vuelven
inestables emiten radiación que medimos.
3.-Estudio de órganos en medicina: se introduce dentro de organismo una pequeña muestra de material
radiactivo y de analiza su rastro con camaras gamma.
4.-Identificacón de moléculas: se usa H-3 en reacciones complejas.
5.-Esterilización de instrumentos quirúrgicos: sometiendolos a elevadas dosis de radiación.
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8.- El modelo
estándar de
partículas.
RESUMEN :2ºBACHILLERATO
4
6.-Irradiación de alimentos: la irradiación no hace que los alimentos se vuelvan radiativos, y eliminamos
agentes patógeno y alargamos la vida del producto.
7.-Reactores nucleares de fisión: para la obtención de energía.
8.-Detectores de humo: la muestra radiactiva ioniza el aire facilitando la señal eléctrica, y el humo sirve de
pantalla lo que activa la alarma.
9.-Pararrayos:la muestra ioniza el aire circundante y atrae a los rayos hacia el pararrayos.
“Una partícula se considera elemental” si no está constituida por otras más sencillas. Tales partículas son
indivisibles en el sentido clásico del término”.
Inicialmente eran tres, el electrón, el protón (Rutherford) y el neutrón (Chadwick), pero pronto crecio la lista.
Posteirormente se descubrieron el positrón (antipartícula del electrón), el muón (un electrón muy grande) y los
tres mesones pi ( π ) o piones. Con los aceleradores de partículas, aparecieron algunas más, así que había
que poner orden.
Clasificación de las partículas: Partículas que están sometidas a alguna de las cuatro interacciones.
1.-Hadrones: no son partículas elementales. Interaccionan mediante la fuerza nuclear fuerte.
a)Bariones: con spin semientero. (protones, neutrones).
+
0
b)Mesones: con spin entero o cero (Pión, π , π )
2.-Leptones: son partículas elementales. Interaccionan mediante la fuerza nuclear debil, con spin semientero
(electrón
e− , muón µ − , tauón τ − , neutrino electrónico ν e , neutrino muónico ν µ , y neutrino tauónico ν τ .
Modelo estándar de partículas de las partículas elementalers: Se dividen en dos tipos:
1.-Partículas materiales: forman la materia, se les denomina “fermiones”, con spin semientero, son dos:
a) Leptones:
e− , µ − , τ − , ν e , ν µ , ν τ .
b) Quark): hay seis tipos: (up, down, strange, charm, bottom, top)(u,d,s,c,b,t). Y cada
2.-Partículas de campo: transmiten fuerzas, se las denomina “bosones”, con spin entero o cero, son tres.
a) Fotón γ : es la partícula mediadora en las interacciones electromagnética, y actua sobre partículas
cargadas eléctricamente.
b) Gluón g : son ocho partículas mediadoras en la interacción nuclear fuerte.
+
−
0
c) Bosón vectorial : son las partículas medidoras de la interacción nuclear debil.( W , W , Z ).
El modelo estándar no contempla la fuerza gravitatoria, cuya partícula de campo es el “gravitón”, cuya
existenia es solo teórica.
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