FÍSICA NUCLEAR - ies inca garcilaso

Dpto. Física y Química
I.E.S. Inca Garcilaso
FÍSICA NUCLEAR
Radiactividad
La radiactividad natural es la propiedad que presentan
determinadas sustancias de emitir radiaciones muy penetrantes que pueden
ionizar el aire, impresionar placas fotográficas, producir fluorescencia en
ciertas sustancias, e incluso producir cambios químicos en la materia.
Este fenómeno fue descubierto por Becquerel en 1896, aunque el
nombre de radiactividad fue propuesto por Marie Curie que junto con su
marido, investigaron y descubrieron la radiactividad del torio, polonio y del
radio.
Durante muchísimos años los seres vivos hemos soportado la
radiactividad natural, aunque la que contribuye notablemente a la dosis de
radiación que recibimos los humanos, es la radiactividad artificial,
procedente de fuentes creadas por el ser humano (aparatos de radiología,
elementos radiactivos en las centrales nucleares, isótopos radiactivos en
medicina...)
 ¿Cuál es el origen de la radiactividad?
Esta sería la siguiente pregunta que se realizaron los científicos tras
el descubrimiento de este fenómeno. Se analizaron las radiaciones emitidas
por las sustancias radiactivas, a las que inicialmente se les denominó
partículas alfa (), beta (), y gamma (). Las características y propiedades
de dichas partículas se recogen en el cuadro del libro de Guadiel, página
344.
Se descubrió que dichas partículas provenían del interior del núcleo: “La
radiactividad tiene origen nuclear”: La evidencia de esta afirmación radica
en que la emisión radiactiva es independiente del estado de agregación o de
combinación química de la sustancia.
 Los átomos no son esferas macizas, poseen estructura compleja.
Tras el descubrimiento de la radiactividad se realizaron una gran
cantidad de experiencias basándose en dicha propiedad y se llegó a la
conclusión de que el átomo no es indivisible, sino que tiene una
estructura compleja; a raíz de este hecho surgieron distintos modelos
sobre la estructura del átomo, que fueron perfeccionándose según se
realizaban nuevos avances científicos y técnicos, hasta llegar al modelo
actual de la estructura atómica.
Núcleo atómico. ( Por libro de Guadiel, página 347)
Características de los núcleos atómicos (repasar: Z, A, N)
Relación entre uma, Kg y MeV/c2.
 Uma: 1 uma es la doceava parte de la masa de 1 átomo de carbono 12
(isótopo de este elemento más abundante en la naturaleza)
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1 mol de átomos de carbono pesa 12 gramos (1210-3Kg) y contiene NA
átomos de carbono (repasar concepto de mol).
Establecemos una proporción:
x
12.103 Kg
=
; x= 12.10-3/NA Kg (masa de 1 átomo de C)
N A átom os 1átomo
1
Masa de 1 uma=
masa de 1 átomo de C
12
1 uma =

1
12.103
103
Kg =
Kg =
g;
NA
12N A
NA
1uma =
1
g = 1,66052 10-27 Kg
NA
Relación entre uma y MeV/c2.
La relación entre masa y energía viene dada por la ecuación de
Einstein E= m c2
Energía que equivale a 1 uma
Aplicamos la ecuación de Einstein:
E=m c2 = 1 u  c2 = 1,6605210-27Kg. (3108 m)2 =
1eV
1MeV
1,49237510-10J
= 931,46 MeV
19
1,6.10 J 106 eV
El equivalente energético de un uma es 931 MeV
La masa de 1 uma expresada en MeV/c2 = 931 MeV/c2
Partícula
Protón
neutrón
electrón
Carga (C)
1,6021×10-19
0
-1,6021×10-19
Masa
1,6726×10-27Kg
1,00782 u
938,26 MeV/c2
1,6749×10-27Kg
1,00867 u
939,55 MeV/c2
9,1096×10-31 Kg
5,485910-4 u
0,511 MeV/c2
2
Radio
1F=10-15m
Volumen (*)
1,2 Fermis(F) Vátomo  1Å 
105 VNúcleo
1,2 F
0
VNÚCLEO es
proporcional al
número de
nucleones
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(*) Forma del núcleo: Estudios sobre difracción de electrones han
establecido que la mayoría de los núcleos son esféricos, su volumen es
proporcional al número de nucleones (partículas que constituyen el núcleo).
El radio nuclear oscila entre 1,2 y 7,5 F.
R = r0
3
A
; r0 = 1,2×10-15m; A = nº másico.
En la siguiente tabla se muestran algunos parámetros sobre el
átomo y núcleo.
ÁTOMO
NúCLEO
MNÚCLEO0,99 MÄTOMO
Volumen
Del orden del uma
1 uma = 1,6610-27Kg
VÁTOMO= 105VNÚCLEO
Radio átomo = 10-10 m
Radio núcleo  10-15 m
Niveles
energéticos
Del orden del eV
Del orden del MeV (*)
Masa
(*) Los núcleos presentan distintos niveles de energía, al igual que los
electrones en los átomos.
“ Cuando se excita un núcleo (por colisión, absorción...) un
nucleón cambia de un estado de energía baja a uno de mayor energía, que
devuelve cuando el núcleo vuelve a su estado fundamental. El estudio de los
espectros nucleares nos informa de que los nucleones, al igual que los
electrones en los átomos, están ocupando niveles de energía , aunque ésta es
mucho más alta que la electrónica”.
Ejercicio.
Calcular la masa atómica relativa del carbono, sabiendo que
tiene dos isótopos, cuyas características se muestran en la tabla siguiente
Masa en uma
Abundancia (%)
C
13,0034
1,11
C
12,0000
98,89
12
6
13
6
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Para calcular la masa atómica relativa Ar (C) hay que tener en cuenta
la existencia de isótopos y su abundancia relativa.
M=
1,11.13,0034  98,89.12,0000
 12,0111u  1,9944  10  26 Kg
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Fuerzas nucleares. Estabilidad nuclear.
Fuerza nuclear fuerte
Una vez que quedó claro que en el interior del núcleo existían los
neutrones y protones, estos últimos, partículas del mismo signo, se planteó
la cuestión de cómo era posible que éstas permanecieran unidas en una zona
tan reducida, sin repelerse, es decir: ¿Cómo explicar la estabilidad
nuclear?. El hecho de que los nucleones se mantengan unidos sólo puede
explicarse admitiendo la existencia de una fuerza de atracción entre los
nucleones mucho mayor que la intensa fuerza de repulsión electrostática
que se produce entre protones a tan corta distancia.
Se empezó a hablar de fuerza nuclear: “Fuerza de atracción entre
cualquier tipo de nucleón (protones o neutrones), responsable de la cohesión
del núcleo”.
Las características fundamentales de esta interacción puede
resumirse así:
 Se manifiesta cuando la distancia entre nucleones es muy pequeña; es





decir: son fuerzas de “corto alcance” (del orden de 10-15 m).
Alta intensidad (mayor que la electromagnética, mucho mayor que la
fuerza nuclear débil y extraordinariamente superior que la
interacción gravitatoria).
Es atractiva a las distancias normales en el núcleo, se hace repulsiva
a distancias muy cortas y nula a distancias mayores de 1F (10-15m).
Es independiente de la carga eléctrica, por lo tanto, la intensidad
es la misma en las interacciones nucleares p-p, n-n ó p-n.
Saturación: cada nucleón interacciona con un cierto nº de nucleones
(los más próximos) independientemente del nº total de nucleones;
esto explica que la energía necesaria para arrancar un nucleón de un
núcleo sea la misma para núcleos de pocos nucleones (ocho o diez) que
para núcleos de muchos nucleones (ochenta o cien).
Responsable de la cohesión del núcleo.
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Fuerza nuclear débil
Esta interacción es la que encontramos con más frecuencia en los
procesos de desintegración de partículas elementales.
Características:
 Son de alcance aún más corto que la fuerza nuclear fuerte y de
magnitud 1013veces menor. Nula para distancias superiores a 10-17m.
 Se manifiesta sobre todo en partículas no sometidas a la acción de la
fuerza nuclear fuerte.
 A distancias muy cortas, donde es máxima, supera en intensidad a la
fuerza gravitatoria, pero es más débil que la electromagnética.
 Es la responsable de la desintegración  de los núcleos (la emisión 
se produce cuando un núcleo tiene un exceso o defecto de neutrones
en relación con los protones que contiene)
Estabilidad nuclear.
Para estudiar la estabilidad de los núcleos podemos realizar una
representación gráfica de A-Z ó N (nº de neutrones) frente a Z (nº de
protones).
En
-
la gráfica se observa lo siguiente:
Los núcleos ligeros (salvo el 1H ) son más estables si contienen un
número igual de protones que de neutrones (N=Z).
En los núcleos masivos se nota que éstos son más estables si el
número de neutrones excede al nº de protones ( NZ)
Estas observaciones indican que a medida que el número de protones
aumenta, también lo hace el valor de la intensidad de la fuerza
repulsiva eléctrica de Coulomb, lo que hace desestabilizar el núcleo; por eso
se necesitan más neutrones para mantener estable el núcleo, ya que los
neutrones sólo experimentan fuerzas nucleares atractivas. A partir del
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