Física Nuclear y Reacciones Nucleares

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El Núcleo
Protón:
Física Nuclear y
Reacciones
Nucleares
La carga de un protón es 1,6 x10 -19C.
La masa de un protón es 1,6726x10 -27kg.
Neutrones:
El neutrón es neutro.
La masa de un neutrón es 1,6749x10 -27kg.
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El Núcleo
Protones y neutrones se denominan colectivamente
nucleones .
El número de protones en un núcleo se llama el numero
atómico y se designa con la letra Z.
El número de nucleones en un núcleo se llama el numero
de masa atómica y se designa con la letra A.
La numero de neutrones, N, viene hacer N = A - Z .
Para especificar un nucleido se utiliza la formula siguiente:
El Núcleo
Los núcleos con el mismo número de protones son el
mismo elemento, pero si tienen diferentes números de
neutrones, estos se llaman isótopos .
Para muchos elementos, hay algunos diferentes isótopos
que se producen de forma natural.
Abundancia natural es el porcentaje de un determinado
elemento que se presenta como un cierto isótopo en la
naturaleza.
Muchos isótopos que no existen en la naturaleza pueden
ser creados en un laboratorio con las reacciones nucleares.
donde X es el símbolo químico del elemento.
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El Núcleo
El tamaño aproximado de los núcleos se determinó
originalmente por Rutherford. Decimos aproximado debido a
la dualidad de la onda-partícula. El tamaño de los núcleos es
un poco confuso.
Podemos obtener un tamaño aproximado de un núcleo por
la dispersión de electrones con alta velocidad desde el.
El radio aproximado de un núcleo está dada por:
r # (1,2 x 10-15m) (A1/3)
Donde A es el número de nucleones (no la área).
El Núcleo
Las masas nucleares se especifican en unidades de masa
atómica unificada (u). En esta escala un átomo de carbono
neutral con 6 protones y 6 neutrones tiene una masa de
12,000000 u.
1 u = 1,6605 x 10 -27kg = 931,5 MeV / c 2
Masa en reposo
Objeto
Electrón
u
kg
9,1094 x 10-31 0,00054858
-27
MeV/c 2
0,51100
Protón
1,67262 x 10
1,007276
938,27
átomo de
hidrógeno
1,67353 x 10-27 1,007825
938,78
Neutrón
1,67493 x 10
-27
1,008665
939,57
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Energía de Enlace y las Fuerzas Nucleares
Energía de Enlace y las Fuerzas Nucleares
¿Dónde se ha ido toda esa masa?
Se ha convertido en energía! (Energía, como la radiación o
energía cinética).
La diferencia entre la masa total de los nucleones y la masa del
núcleo se llama la energía de enlace total del núcleo. En
unidades de energía, la energía de enlace total es dada por:
E = Δmc 2
Energía de Enlace promedio/
Nucleon Bave, Mev
La masa total de un núcleo es siempre menor que la suma de
las masas de sus protones y neutrones.
Numero de Masa
Esta energía de enlace es la cantidad de energía necesaria
para ser puesto sobre el núcleo con el fin de dividirlo en
protones y neutrones.
Figura por e l MIT Ope nCours e Ware . De Me ye rhof.
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Radioactividad
Energía de Enlace y las Fuerzas Nucleares
La fuerza que une a los nucleones conjunto se denomina la
fuerza nuclear fuerte .
Esta es una muy fuerza fuerte, pero de corto alcance. Es casi
cero si la distancia entre los nucleones es más que 10-15 m.
La fuerza de Coulomb (Eléctrico) es una fuerza de largo
alcance. Dado que protones se repelan a distancias mayores,
los neutrones son necesarios en el núcleo si hay un gran
número de protones.
· La radiactividad es la emisión espontánea de la
radiación por un átomo.
· Se observó por primera vez por Henri
Becquerel.
· Marie y Pierre Curie también lo estudiaron.
Hay otra fuerza nuclear y se llama la fuerza nuclear débil que
rige la desintegración radiactiva.
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Radioactividad
Radioactividad
· Tres tipos de radiación fueron descubiertos por
Ernest Rutherford:
· partículas a
· partículas b
· los rayos g
· las partículas b se aceleran en contra del campo-E, por lo que
son negativos
Bloque de plomo
rayos
rayos
Sustancia Radiactiva
· las partículas a se aceleran con el campo-E, por lo que son
positivos
placas eléctricamente
cargadas
· Los rayos g no son afectados por el campo-E, por lo que no
tienen carga
Bloque de plomo
rayos
rayos
Placas fotográficas
rayos
rayos
Sustancia Radiactiva
placas eléctricamente
cargadas
Placas fotográficas
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Radioactividad
Alfa Desintegración
· partículas a resultaron ser el mismo que el
núcleo de Helio, que tiene dos protones y dos
neutrones
La desintegración alfa ocurre cuando un núcleo emite una
partícula alfa (Helio con dos neutrones). Este decaimiento
está escrito como:
· partículas b resultaron ser los electrones, las
mismas partículas que se encontraron en los
experimentos de tubo de rayos catódicos.
· rayos g resultaron ser radiación
electromagnética, como la luz, pero con una
energía mucho mayor (mayor frecuencia)
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Desintegración Beta
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Desintegración Gamma
Desintegración beta ocurre cuando un núcleo emite una
partícula beta (un electrón o positrón). Esta disminución se
escribe como:
Desintegración gamma ocurre cuando un núcleo en un
estado excitado emite una partícula gamma (un fotón de alta
energía). Este decaimiento se escribe como:
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Conservación de Número de Nucleones
Vida Media y la Tasa de Desintegración
Además de las leyes de conservación, existe la ley de
conservación de número de nucleones .
Esta ley establece que el número total de nucleón (A) se
mantiene constante en cualquier proceso. Sin embargo, un
tipo de nucleón puede cambiar al otro.
Una muestra macroscópica de una sustancia radiactiva
consiste de un gran número de núcleos. Estos núcleos no
pasan por desintegración al mismo tiempo.
En realidad, la desintegración es al azar y la desintegración
de un núcleo no tiene nada que ver con la desintegración de
los otros núcleos.
El número de desintegraciones durante un corto período de
tiempo es proporcional al número de núcleos, así como el
período de tiempo.
# N = -#N # t
donde # es la constante de desintegración.
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Reacciones Nucleares y
Transmutación de los Elementos
Una reacción nuclear ocurre cuando un núcleo (o partículas)
colisiona con otro núcleo (o partículas).
Este proceso se llama transmutación si el núcleo original se
transforma en un nuevo núcleo.
Por ejemplo:
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Reacciones Nucleares y
Transmutación de los Elementos
La energía y el momento deben ser conservados en las reacciones
nucleares.
La reacción general:
a+X
Y+ b
La energía de la reacción, o el valor de Q, es la suma de las masas
iniciales menos la suma de las masas finales, multiplicado por c 2:
Q = (M a + MX - Mb - MY) c 2
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Reacciones Nucleares y
Transmutación de los Elementos
Puesto que la energía se conserva, Q es igual al cambio en la
energía cinética:
Q = ECb+ ECY- ECa - ECX
Si Q es positiva, los productos tienen más energía cinética
(energía se libera en la reacción). La reacción es exotérmico , y
ocurrirá aun que la energía cinética sea pequeña.
Si Q es negativo, los reactivos tienen más energía cinética (la
energía es absorbida en la reacción). La reacción es
endotérmica y tiene que haber una energía cinética mínima
antes que la reacción pueda ocurrir.
Energía Umbral es la energía mínima necesaria para que la
reacción ocurra.
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Reacciones Nucleares y
Transmutación de los Elementos
Neutrón Capturado por
Decae por beta
a neptunio
decae por si mismo
desintegración beta para producir
plutonio
Los neutrones son muy
eficaces en las reacciones
nucleares.
Ellos no tienen carga, por lo
que no son repelidos por el
núcleo.
Los científicos fueron capaces
de crear elementos
transuránicos por el
compartimiento de neutrones.
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Fisión nuclear y reactores nucleares
Después de absorber un neutrón, un
núcleo de U-235 se divide en dos
partes.
Esto puede ser visualizado como una
especie de gota de líquido.
A medida que el núcleo se divide, los
neutrones son puesto en libertad.
Una reacción típica es:
Aunque otros también pueden ocurrir.
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Fisión nuclear y reactores nucleares
La energía liberada en un
reacción de fisión es muy
de grande. Los núcleos
más pequeños son
estables, con menos
neutrones, por lo que
múltiples neutrones
emergen en cada fisión.
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Fisión nuclear y reactores nucleares
La reacción en cadena tiene que ser
autosuficiente con el fin de crear un reactor
nuclear. La reacción debe continuar
indefinidamente en una manera controlada.
Estos neutrones pueden
ser utilizados para inducir
la fisión a los núcleos
cercanos, causando una
reacción en cadena.
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Fisión nuclear y reactores nucleares
Los neutrones que se
escapan a partir del uranio
no constituyen la fisión.
Hay una masa crítica por
debajo del cual una
cadena de reacción no se
producirá porque muchos
neutrones escaparon.
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Fisión nuclear y reactores nucleares
Las barras de control, generalmente de cadmio o boro,
absorben los neutrones y se utilizan para el control fino de
la reacción. Mantienen la reacción apenas en el nivel
critica.
Sistema Secundario
Sistema Primario
Núcleo
(combustible y moderador)
agua
caliente
(liquido de
sodio)
intercambiador
de calor
turbina de vapor
generador
eléctrico
vapor
agua
barras de
control
condensador
recipiente
(protección)
protección
bomba
bomba
agua de
refrigeración
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Fisión nuclear y reactores nucleares
Las bombas atómicas usan la fisión. El centro es
deliberadamente diseñado para someterse a una reacción de
cadena descontrolada masiva. Esto libera enormes
cantidades de energía.
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Fusión nuclear
Los más ligero de los núcleos pueden fusionarse para formar
núcleos más pesados, liberando energía en el proceso. Un
ejemplo es la secuencia del proceso de fusión en cual
hidrógeno cambia al helio en el Sol, como se muestra a
continuación.
(0,42 MeV)
(5,49 MeV)
(12,86MeV)
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Fusión nuclear
El efecto neto es la transformación de cuatro protones a un
helio núcleo más dos positrones, dos neutrinos y dos rayos
gamma.
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Fusión nuclear
Hay tres reacciones de fusión que se están considerando
para reactores de potencia:
(4,03 MeV)
Las estrellas más masivas pueden fusionar elementos tan
pesados como el hierro en sus centros.
(3,27 MeV)
(17,59 MeV)
Estas reacciones utilizan combustibles relativamente común
(deuterio o tritio) y liberan mucha más energía que la fisión.
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Fusión nuclear
Un reactor de fusión en éxito no se ha logrado.
Bombas de fusión (o termonucleares) han sido construidas.
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