núcleo

Física nuclear
Esta parte de la Física estudia
el comportamiento de los
núcleos atómicos
Física nuclear
CORTEZA
Electrones
NÚCLEO
Protones
Neutrones
PARTÍCULA
MATERIA ~ 10-9 m
Átomo
ÁTOMO ~ 10-10 m
Electrón
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
NÚCLEO ~ 10-14 m
NUCLEÓN ~ 10-15 m
Protón
Neutrón
Quarks
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:
Isótopos del Carbono:
12
6
1
1
H(protio)
2
1
H (deuterio)
3
1
H(tritio)
C(Carbono-12) 136C (Carbono-13) 146C (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
+
M nucleones  Z .m p  N .mn
Defecto de masa:
Núcleo con
Z protones
N neutrones
Dm  M nucleones  M nucleo
M nucleo
Física nuclear
De acuerdo con la ecuación de Einstein, el defecto de masa es
equivalente a una energía dada por:
E  Dm.c
2
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.
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
ΔE
A
(MeV)
Energía de enlace por nucleón en
función del número másico
A
El núcleo más estable es el hierro-56, al que corresponde una energía
de enlace por nucleón de 8,8 MeV/nucleón.
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
7
N 
4
2
He 
17
8
O  11 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.
238
92
U  01 n 
239
92
U  239
93 Np 
27
13
Al  42 He 
14
7
N  11 H  42 He 
30
15
P 
1
0
n
11
6
C
0
1
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
α
Núcleos de átomos de helio
β
Electrones rápidos
procedentes de neutrones
que se desintegran en el
núcleo
1
0
γ
n  11 p 
0
1
Carga
(e)
+2
-1
Masa
(u)
Energía
cinética
Símbolos
He α
MeV
4
2
0
MeV
0
1
0
keVMeV
4
4
2
e
0
1
e  νe
Radiaciones
electromagnéticas
0
0
0
γ
β
Física nuclear
Carga eléctrica de las emisiones radiactivas
Física nuclear
Carga eléctrica de las emisiones radiactivas
Bloque de plomo
No existe campo eléctrico: no hay desviación de
las trayectorias rectilíneas de las partículas
+
sustancia radiactiva
Bloque de plomo
+
+
+
+
-
-
-
-
-
Partículas β: carga negativa
Rayos γ: sin carga
Campo eléctrico
+
sustancia radiactiva
+
-
Partículas α: carga positiva
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
Emisión de partículas α (Ley de Soddy)
A
Z
X 
A 4
Z2
Y 
4
2
Partícula Alfa
A, Z
A-4, Z-2
He
Antineutrino
Partícula Beta menos
(electrón)
Emisión de partículas β- (Ley de Fajans)
A
Z
X 
A
Z1
Y 
0
1
A, Z
A, Z+1
e
Neutrino
Partícula Beta más
(positrón)
Emisión de partículas β+
A
Z
A, Z
A, Z-1
X Z A1Y  10e
Rayo Gamma
(Fotón)
A, Z
A, Z
Física nuclear
Física nuclear
TORIO-232
1.41 BILL. DE AÑOS
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.
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
Se
conocen
4
series
radiactivas, tres existen
en la naturaleza (torio-232,
uranio-238, actinio-227) y
otra no (neptunio-237).
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
Núcleos presentes:
No
Ley de emisión radiactiva:
Final, después de un tiempo t
N
N  No  e
 λ t
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.
La actividad de una muestra en el instante que contiene N núcleos radiactivos es:
A  λN
La actividad radiactiva se mide en el S.I. en Becquerel (Bq):
desintegración
1 Bq  1
s
Otras unidades: el curio (Ci) y el Rutherford (Rf)
1 Ci  3, 7 1010 Bq
1 Rf  106 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
N0
ln 2
T
λ
Núcleos
presentes
0,693
T
λ
Su unidad en el S.I. es el segundo (s)
N0
2
N0
4
N0
16
N0
8
T
2T
3T
4T
t
Física nuclear
Vida media t representa el tiempo que por término medio tardará un
núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva.
τ
1
λ
τ
T
ln 2
Su unidad en el S.I. es el segundo (s)
Física nuclear
Magnitud
Constante
radiactiva o de
Simbolo
l
Significado
Representa la probabilidad que tiene
un núcleo radiactivo de desintegrarse
en la unidad de tiempo.
desintegración
Actividad
radiactiva o
velocidad de
desintegración
Período de
semidesintegración
Vida media
Unidad SI
Otras unidades
1
 s 1
s
h1 ; día1 ; año1
Es el número de desintegraciones por
unidad de tiempo en una muestra
radiactiva.
A
A  lN
Curio (Ci)
Rutherford (Rf)
Becquerel (Bq)
1 Ci=3,7·1010 Bq
1 Rf= 106 Bq
N = número de núcleos presentes
T
t
Tiempo que debe transcurrir para que
el número de núcleos presentes en
una determinada muestra se reduzca
a la mitad.
0,693
T
l
s
h , día , año
s
h , día , año
Tiempo que por término medio tardará
un núcleo en desintegrarse. Es la
inversa de la constante radiactiva.
1
t
l
T
t
0,693
Física nuclear
Muestra radiactiva
Inicial
Núcleos presentes:
Actividad:
Masa :
No
Ao
mo
N  N o  e  λ t
A  A o  e  λ t
m  m 0  e  λ t
Final, después de un tiempo t
N
A
m
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
92
U 
1
0
n 
141
56
Ba 
92
36
Kr  3 01 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
92
U 
1
0
n 
141
56
Ba 
92
36
Kr  3 n
1
0
Física nuclear
REACCIÓN EN CADENA
Física nuclear
Fisión nuclear en cadena
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
No controlada
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.
Núcleo de 2 H (deuterio)
Núcleo de
1
4
2
He (helio)
+
►
►
++
+ +
+
Núcleo de
3
1
H(tritio)
Fusión de los núcleos
2
1
H 
3
1
H

4
2
He 
1
0
1
0
n (neutrón)
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
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
No controlada
Se produce en la bomba
atómica de hidrógeno (termonuclear).
Para conseguir la alta
temperatura necesaria para la
fusión se utiliza una bomba
atómica de fisión