Tem a 7: M ateria y Radiación Isótopos H2 H3 C C C Cl O O O Cl He

H idrógeno: 1H
1
O tros isótopos:
N úm ero m ásico A
12
6C
98.93%
13
1.07%
6C
14
>0.01%
6C
N úm ero atóm ico Z
16
8O
99.76%
17
0.04%
8O
18
0.20%
8O
35
17 Cl 75.8%
37
17 Cl24.4%
Elem entos radiactivos naturales:
con isótopos inestables que intervienen
en las series radiactivas naturales
H acen falta m ás
neutrones que
protones para
estabilizar los
núcleos pesados
recta de igual
núm ero de
neutrones y
protones
tritio: 3H
1
A bundancia:
98.99%
0.01%
0.00%
M asa:
1.0078
2.0141
3.0160
M asa delprotón:1.0078 g/m ol delneutrón:1.0092 g/m ol
M asa delnúcleo m enor que sum a de m asas de protones y neutrones
La m asa que falta es la energía de enlace delnúcleo E=m c2
N úm ero atóm ico:totalprotones o,lo que es lo m ism o,de electrones
N úcleos estables
deuterio:2H
1
N úm ero m ásico:totalneutrones y protones
N úm ero de neutrones A -Z
neutrón
electrones
O rbitales electrónicos
diám etro 10-10 m etros
N úcleo atóm ico
diám etro 10-15 m etros
99.9% de la m asa delátom o
protón
Isótopos
Tem a 7:M ateria y Radiación
*
*
*
N úm ero de protones Z
*
*
* especialm ente im portantes
Inestabilidad de los núcleos:radiactividad
Los isótopos inestables (naturales o artificiales) sufren
transform aciones y em iten partículas y radiación:
rayos alfa,beta,gam m a,X ,neutrones,neutrinos,y otros
A lum inio
A lfa
Beta
Plom o
Tipos básicos de decaim iento radiactivo
D ecaim iento alfa:un núcleo pierde una partícula alfa
+
H orm igón
4
2H e
partícula
alfa
Ejem plo de decaim iento alfa
240
94
Pu
236
92
U
Rayos X
U na partícula α
Gam m a
N eutrones
N eutrinos
es un núcleo de H elio
4
partícula α = 2
He
1
Tipos básicos de decaim iento radiactivo
Tipos básicos de decaim iento radiactivo
D ecaim iento beta positivo:
un protón delnúcleo se convierte en neutrón
D ecaim iento beta negativo:
un neutrón delnúcleo se convierte en protón
Protón
neutrón
neutrón + positrón + neutrino
Ejem plo de decaim iento β+
230
91
neutrino
230
90
Pa
protón + electrón + antineutrino
Ejem plo de decaim iento β−
Th
228
88
Ra
Elpositrón tiene
la m ism a m asa que
elelectrón pero
partícula β+ (o positrón e+)
carga opuesta
antineutrino 228
89
partícula β− (o electrón e−)
Tipos básicos de decaim iento radiactivo
14
6
Ejem plo de decaim iento γ
240
94
Pu*
U na partícula β−
es un electrón
EJERCICIO
Indicar eltipo de decaim iento que tiene lugar en
los siguientes procesos radiactivos e indicar
las partículas que se em iten en cada caso
D ecaim iento gam m a:
un núcleo excitado em ite un fotón gam m a y
vuelve a su estado fundam entalo basal
240
94
Ac
18
9
Pu
γ
Eldecaim iento radiactivo es exponencial
caracterizado por la vida m edia delelem ento
14
7
N
F
18
8
O
Sg
259
104
Rf
214
83
Bi
214
84
Po
222
86
Rn
218
84
Po
partícula γ :radiación electrom agnética U na partícula γ
es un fotón
de alta energía
263
106
C
Las series radiactivas naturales
N úm ero de átom os del
elem ento radiactivo
Serie delU ranio-238:
N =N0
N0
e-k t
238
92
U
234
90
Th
decaim ientos
interm edios
206
82
Pb
Serie delTorio-232:
ln 2
k
Tiem po en que la m itad
de los átom os han decaído
Vida m edia:τ =
N0
2
232
90
Th
228
88
decaim ientos
interm edios
Ra
208
82
Pb
Serie delU ranio-235:
239
94
Pu
235
92
decaim ientos
interm edios
U
207
82
Pb
Serie delN eptunio-237:
τ
tiem po
237
93
Np
233
91
Pa
decaim ientos
interm edios
209
83
Bi
2
Serie delTorio-232:
Serie delU ranio-238:
Serie delU ranio-235 (poco abundante):
Radiactividad natural:elproblem a de gas Radón
222
Serie delU ranio-238: 86
222
86
Rn
218
84
Po + partícula α
Rn es un GA S con una vida m edia de unos 4 días que
difunde a la atm ósfera y se alm acena en los
espacios cerrados (por ej.en las viviendas)
N o es peligroso salvo sise respira,ya que se
alm acena en los pulm ones donde libera partículas α
Se estim a que la irradiación por Radón constituye
el50% de la totala la que está expuesto elser
hum ano a lo largo de su vida.
Se piensa que es la segunda cusa de cáncer de pulm ón
tras eltabaco.
Serie delN eptunio-237 (ya inexistente en la Tierra):
Irradiaciones radiactivas:unidades y dosis tolerables
Cantidad de radiación producida:
1 Becquerel:radiación producida por 1 decaim iento/segundo
234
Ejem plo: 92
U
α,γ
230
90
Th
1 Becquerel=
1 partículas α y γ /segundo
D osis efectiva de energía acum ulada por unidad de m asa:D
1 Gray:irradiación de 1 Julio por kilogram o de m asa
D osis biológica equivalente:H = D W T W R
1 Sievert:dosis efectiva (J/kg) m ultiplicada por factores de
ponderación según la radiación producida W R y eltejido u
órgano afectado W T (se sum an todos los tejidos y radiaciones).
Ellím ite de exposición perm itido es de 0.001 Sv/año.
1 rem :0.01 Sievert (unidad no S.I.,pero que se usa a m enudo)
W R = 20 (partícula α),5-20 (neutrones),1 (rayos X ,γ,part.β)
W T = 0.2 (glándulas sexuales),0.12 (m édula ósea,colon,pulm ón,
estóm ago),0.01 (piel,huesos),0.05 (resto de tejidos)
3
235
92
U por un neutrón
Zona de fisión exotérm ica
56
Fe
Fe
62
Ni
Energía
de fisión
Energía de fusión
D +T
He
58
235
U
Los núcleos
m ás estables
Elnúm ero m ásico
típico de los
fragm entos de
fusión es 118
N úm ero m ásico
Fisión del 235 U por un neutrón
Centrales nucleares:La fisión nuclear
Fisión del
Energía nuclear
Zona de fusión
exotérm ica
Energía de enlace por nucleón (M eV)
Reacciones nucleares para la producción de energía:
Fisión nuclear y Fusión nuclear
Ejem plo de una de las
reacciones que tienen
lugar en un reactor nuclear
235
92
U
236
92
rayo γ
89
36
Kr
S e liberan
unos 215 M eV
de energía
U
neutrón
rayo γ
Im pacto de
un neutrón
elem ento
inestable
144
56 Ba
Los neutrones liberados producen nuevas fisiones de uranio
Reacción de
fisión en cadena
neutrón
Funcionam iento de un reactor
1. Com bustible:Isótopo fisionable (235U ,239Pu) o isótopo fértil
(238U ,232Th,que form an 239Pu y 235U alcolisionar con neutrones).
Elcom bustible típico en la actualidad:M ezcla de óxidos de U y Pu
2.M oderador:A gua,agua pesada,grafito,sodio m etálico:Frenan
la velocidad de los neutrones para optim izar reacción en cadena.
3.Refrigerante:A gua,agua pesada,CO 2,grafito,sodio m etálico:
Captan elcalor generado,que se transm ite a la turbina de
generación eléctrica o de propulsión.
4.M aterialde control:Cadm io o Boro.Son m uy buenos absorbentes
de neutrones.Controlan elritm o de la reacción en cadena o la paran.
5.Blindaje:H orm igón,plom o,acero,agua:evitan la fuga de
radicación gam m a y de neutrones rápidos.
6.Seguridad:Elem entos de controlactivos (electrónicos) y
pasivos (arquitectónicos)
4
Funcionam iento de un reactor nuclear de fisión típico
Com bustible nuclear
A rm adura de horm igón
línea
eléctrica
Reactor
vapor
Refrigerante
Generador
Turbina
Residuos radiactivos
a) Residuos de alta actividad: Em iten altas dosis de radiación.
Form ados por los restos que quedan de las varillas deluranio que se usa
com o com bustible en las centrales nucleares y otras sustancias que
están en elreactor y por residuos de la fabricación de arm as atóm icas.
Tam bién algunas sustancias que quedan en elproceso m inero de
purificación deluranio.
plutonio 239 (vida m edia de 24 400 años),
neptuno 237 (vida m edia de 2 130 000 años)
plutonio 240 (vida m edia de 6 600 años).
S e alm acenan en contenedores resistentes,en zonas geológicas estables
b) Residuos de m edia o baja actividad:
Em iten cantidades pequeñas de radiación.H erram ientas,ropas,piezas
de repuesto,lodos,etc.de las centrales nucleares,H ospitales,
laboratorios de investigación,industrias,etc.
S e alm acenan cerca de la superficie.En España,en ElCabril(Córdoba)
Barras de control
A gua
fría
Bom ba de agua
Fusión nuclear:
conversión de dos núcleos de H idrógeno en uno de H elio
D euterio
D iagram a de un reactor de Fusión
Plasm a
gas cargado
con núcleos de
D euterio y Tritio
y electrones a
≈ 50 000 000 K
neutrón
2
1H
Tritio
3
1H
Eltritio se
produce 6
a partir de 3 Li+ neutrón
4
2
4
2
He
3
H e + 1H
Reactor de Fusión
Europeo:JET
plasm a
Confinam iento m agnético electroim anes electroim anes polares
toroidales
en un Reactor de Fusión
internos y externos
Plasm a confinado
m agnéticam ente
Tam año de una persona
cam po
m agnético
toroidal
cam po polar
cam po
neto
5
Interferencia de ondas electrom agnéticas:
Elexperim ento de la doble rendija (Young,1801)
Com portam iento ondulatorio de la m ateria
lám para
v
v
rendija
colim adora
Interferencia de ondas m ateriales:
Elexperim ento de la doble rendija ¡con electrones!
experim ento con luz
doble
rendija
patrón de
Interferencia
constructiva (m áxim os)
y destructiva (m ínim os)
Interferencia con átom os de helio
experim ento con electrones
¡Las partículas presentan propiedades ondulatorias!
D escripción ondulatoria de las partículas (M ecánica Cuántica)
Longitud de onda de
una partícula m aterial
(de Broglie,
prem io N obel1919)
λ = mhv
Constante de
Planck
M om ento lineal
(m asa x velocidad)
Ecuación de Schrödinger para ondas m ateriales (en una dim ensión)
(com parar con la ecuación de ondas clásica,considerando V(x,t)=0)
iη
2 ∂2 ψ(x,t)
∂ ψ(x,t)
=- η
+ V(x,t) ψ(x,t)
2m
∂t
∂x2
i núm ero im aginario, η = h/2π, V(x,t):energía potencial
Significado de la
función de onda
ψ(x,t)
am plitud de
probabilidad
de la partícula
|ψ(x,t)|2
probabilidad
de encontrar
la partícula
6