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FÍSICA NUCLEAR

“I WANT TO KNOW GOD’S THOUGHTS; THE REST ARE DETAILS”

(Albert Einstein. 1879 – 1955)

1. INTRODUCCIÓN. RESEÑA HISTÓRICA

Radiactividad → propiedad de los núcleos atómicos de ciertos isótopos de modificar espontáneamente su constitución, emitiendo simultáneamente

una radiación característica.

Julio Vera GarcíaFísica Nuclear

1896 (Antoine Henri Becquerel): Fluorescencia del sulfato doble de uranio y potasio (radiación más penetrante que Rayos X)

Antoine Henri Becquerel

La radiactividad puede ser: Radiactividad natural: Es la que manifiestan los isótopos que se

encuentran en la naturaleza.

Radiactividad artificial o inducida: Es la que ha sido provocada por transformaciones nucleares artificiales.

Marie y Pierre Curie

2. RADIACTIVIDAD NATURAL – TIPOS DE RADIACIÓN

Julio Vera GarcíaFísica Nuclear

a. La radiación alfa ( está formada por núcleos del isótopo 4 de helio, es decir está constituida por una radiación corpuscular, en la que cada corpúsculo está formado por dos protones y dos neutrones.

He42

La reacción nuclear que la representa es:

HeYX A

Z

A

Z

4

2

4

2

Se da normalmente en núcleos muy pesados (A ≈ 200), como por ejemplo son el caso de:

235U →

231Th +

4He ;

226U →

222Rn +

4He ;

210Po →

206Pb +

4He ; aunque algunos núcleos

menos pesados también la tienen, como el 8C,

5Li,…

2. RADIACTIVIDAD NATURAL – TIPOS DE RADIACIÓN

Julio Vera GarcíaFísica Nuclear

b. La radiación beta ( está constituida por electrones, lo que significa que es también de naturaleza corpuscular, en la que cada corpúsculo tiene una masa atómica de 1/1800 aproximadamente, y una carga de 1 unidad negativa, por ello se le llama desintegración β

-.

Neutrón → protón + electrón + antineutrino

0

1

1

1

1

0

epn

La ecuación que la representa es:

0

11

eYX A

Z

A

Z

Mecanismo típico de núcleos con un exceso de neutrones (N >>Z).

En 1931, Pauli afirmó que en el proceso de desintegración β faltaba una partícula de

masa en reposo nula y sin carga, a la que llamó antineutrino . Toda partícula tiene su

antipartícula, la antipartícula del antineutrino es el neutrino ( ).

2. RADIACTIVIDAD NATURAL – TIPOS DE RADIACIÓN

Julio Vera GarcíaFísica Nuclear

Otro proceso diferente es la desintegración β+ que se descubrió posteriormente,

semejante a la beta (o beta negativa) pero con carga positiva. Está formada por positrones procedentes de transformación de un protón en un neutrón.

Mecanismo típico de núcleos con un exceso deprotones (N << Z).

protón → neutrón + positrón + neutrino

0

1

1

0

1

1

enp

La ecuación que la representa es:

0

11

eYX A

Z

A

Z

e O F 0

1

18

8

18

9

Dependiendo de la energía de la radiación que se

produce serán rayos o rayos X.

Positrón = antipartícula del electrón (misma masa que el

electrón y misma carga pero positiva (como la del protón).

Es antimateria, por lo que se aniquila con un electrón →

→ ANIQUILACIÓN DE PARES (ELECTRÓN-POSITRÓN)

2. RADIACTIVIDAD NATURAL – TIPOS DE RADIACIÓN

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c. La radiación gamma (de naturaleza electromagnética (fotones), semejante a la luz ordinaria, pero con mucho menor longitud de onda. Es, por lo tanto, de naturaleza ondulatoria, sin masa en reposo y sin carga. Esta radiación tampoco existía antes en el núcleo, sino que es energía que se emite como consecuencia de un reajuste energético de núcleo. Es la más penetrante, y muy peligrosa. * XX A

Z

A

Z

No existían emisores puros en la naturaleza sino que las desintegraciones y

dejan al núcleo hijo en estado excitado, que se desexcita con emisión .

* Captura electrónica: El núcleo atómico captura un electrón profundo dando lugar a que un protón de núcleo y ese electrón originen un neutrón y un antineutrino. (Recordar que ha dejado un hueco en esa capa cercana al núcleo, por lo que a la vez creará radiación gamma o rayos X).

1

0

0

1

1

1

nep

3. EL NÚCLEO ATÓMICO

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Thomson Rutherford Bohr Schrödinger

Evolución de los Módelos Atómicos

Núcleo Atómico

protones

neutrones

Z = número atómico = Nº de protones

N = Nº de neutrones

A = número másico = Nº de nucleones = Nº protones + Nº neutrones A = N + Z

CARACTERÍSTICAS DEL NÚCLEO

Tamaño del átomo: orden del Å = 10-10 metros.

Tamaño del núcleo: orden del fermi, 1 fm = 10-15 metros.

La masa atómica concentrada casi en su totalidad (un 99%) en ese

minúsculo espacio llamado núcleo → enorme densidad del núcleo: del orden de

1016 g/cm3.

Eso significa, que si un núcleo fuera del tamaño de una pelota de ping-pong, de radio 1.5 cm y con esa densidad, debería tener una masa de 0.13 billones de toneladas.

3. EL NÚCLEO ATÓMICO

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ISÓTOPOS: núcleos de un mismo elemento (= Z), pero con distinto Nº de neutrones (≠N)

ISÓTONOS: Núcleos con mismo de número de neutrones (N), pero distinto número

de protones (Z). Ejemplo: 12B y 13C, ambos tienen 7 electrones.

XA

Z

ISÓBAROS: Núcleos con mismo de número másico (A). Ejemplo:

ISÓMEROS: Son diferentes estados excitados de un mismo núcleo. La transición de

un isómero de un estado a otro lo hace mediante la absorción o emisión de

radiación gamma. Ejemplo: 12C y 12C*

Fuerza Nuclear Fuerte: responsable de mantener a los nucleones en el núcleo, contrarrestando la interacción coulombiana repulsiva de los protones.

1 uma = 1.66·10-27 kg (doceava parte de la masa del isótopo 12C)

1 uma = 931.5 MeV/c2

3. EL NÚCLEO ATÓMICO

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Franja de Estabilidad: Elementos estables

Con exceso de neutrones: Para ingresar a la

zona estable deben disminuir los neutrones y

aumentar los protones. Esto se logra

mediante la reacción .

Núcleos estables N/Z ≈ 1

Radicactividad: N/Z ≠ 1

) (emisión e p n -0

1

1

1

1

0

4. ENERGÍA DE ENLACE

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La energía de enlace es la energía liberada por un núcleo cuando sus nucleones

independientes se unen para constituir dicho núcleo.

La energía de enlace por nucleón

∆E/A nos da una idea de lo estable que

es un núcleo (cuánto mayor sea ∆E/A,

más estable es). Su valor medio es

aproximadamente unos 8.3 MeV.

MASA NÚCLEO < SUMA DE SUS COMPONENTES

núcleonp mmZAmZm )(

∆E = ∆m·c2

5. DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA

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Es un proceso aleatorio, estadístico.

λ: constante de desintegración radiactiva

T½: periodo de semidesintegración o semivida (tiempo

que tarda una muestra radiactiva en reducir su

población a la mitad) N = N0/2

τ: vida media (tiempo medio que tarda un núcleo en

desintegrarse)

En t0 = 0 tenemos N(0) = N0 núcleos sin desintegrar

La velocidad de desintegración es la actividad radiactiva (A) (el

número de desintegraciones por unidad de tiempo):

En un tiempo t tenemos N(t) = N núcleos sin desintegrar

Ndt

dN

t-N(0)·e )( tN

2 ln T

1/2

2ln

T

1 1/2

N dt

dN - A t-A(0)·e )t(A

5. DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA

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La actividad se mide en desintegraciones por segundo que es equivalente al

becquerelio o becquerel (DPS = s-1 = Bq), aunque por comodidad se utiliza a

veces otra unidad, el curio o curie (Ci):

DPS 1 Bq 1 ; Bq 3.7·10 Ci 1 10

6. REACCIONES NUCLEARES Y RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL

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Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen núcleos atómicos

transformándose en otros distintos.

Op) ,( N H O He N 17141

1

17

8

4

2

14

7

Pn) ,( Al n P He Al 30271

0

30

15

4

2

27

13

•Conservación de la energía

•Conservación de la cantidad de movimiento

•Conservación de la carga

•Conservación del número de nucleones

Ejercicio: Formula las reacciones nucleares siguientes:

O) p,( N 17

8

14

7

P) n,Al( 30

15

27

13

Mgp) Al(n, 27

12

27

13

C) (n, O 13

6

16

8

Li) (p, Be 6

3

9

4

Ben) Li(p, 7

4

7

3

Na) Na(n, 24

11

23

11

Be) Li(p, 8

4

7

3

7. FAMILIAS RADIACTIVAS

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Familia Uranio – Radio (A = 4n+2): Se produce 222Rn gaseoso como isótopo

intermedio de la familia (producirá 210Pb o 210Bi en polvo)

8. FISIÓN NUCLEAR

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La fisión nuclear es la división de un núcleo pesado en otros por el

bombardeo de neutrones. Se libera energía y varios neutrones (reacción

controlada o en cadena).

n 3 Kr Ba n U 1

0

92

36

141

56

1

0

235

92

Por cada núcleo de uranio se libera una energía de 200 MeV, lo que supone una energía

de 1 MeV por nucleón, lo que significa que una pequeña cantidad de uranio se puede

obtener una gran cantidad de energía

9. FUSIÓN NUCLEAR

Julio Vera GarcíaFísica Nuclear

La fusión nuclear es la unión de dos núcleos ligeros para formar otro más

pesado, liberándose gran cantidad de energía.

En esta reacción, al estudiar el balance de los defectos de masa de productos menos

reactivos se obtiene que se libera una energía de unos 17.6 MeV por cada núcleo de helio

que se forma, es decir, unos 3 MeV por nucleón

n He H H 1

0

4

2

3

1

2

1

Para que se origine la fusión

nuclear necesitamos aportar una

energía de activación, que en este

caso lo suministra la energía térmica

de las elevadas temperaturas

(superiores a 106 K) a las que se

somete para vencer las fuerzas

electrostáticas