10.- física nuclear

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Radiactividad

La radiactividad es un fenmeno natural o provocado por el que ciertos elementos, emiten partculas o radiaciones electromagnticas que provocan la impresin de las placas fotogrficas, ionizan gases, atraviesan objetos e incluso pueden provocar alteraciones en el comportamiento de las clulas de los seres vivos.

Estas emisiones radiactivas fueron descubiertas por Henry Becquerel que observ como unos trozos de pechblenda le estropearon unas placas fotogrficas que tena almacenadas debajo de ellos. Resultaba sumamente curioso que este mineral presentase una actividad mayor que el uranio puro. El trabajo de bsqueda y aislamiento de los elementos que acompaaban al uranio.

Este trabajo fue encargado a Pierre y Marie Curie, despus de remover ocho toneladas de este mineral, lograron aislar un gramo de cloruro de radio, adems de descubrir el polonio.

Estos cambios se producen en el ncleo atmico (reacciones nucleares). Las emisiones radiactivas pueden ser de distintos tipos y por ello sus efectos sern diferentes.

El ncleo de uranio 238 emite una partcula (alfa) que es simplemente un ncleo de helio y se transforma en un ncleo de thorio 234. A continuacin el thorio puede emitir una partcula (un electrn) que se produce en el ncleo por transformacin de un neutrn en un protn y un electrn. Es consecuencia de la interaccin dbil que se produce en el ncleo atmico se considera que las partculas portadoras son los bosones Z, W+ y W .



A veces, tras la emisin de partculas o , para alcanzar una situacin ms estable, el ncleo debe emitir radiacin electromagntica de alta energa (radiacin gamma)

Se llaman radiaciones ionizantes aquellas que tienen la capacidad de producir iones en el aire. Las radiaciones tienen carga positiva puesto que son desviadas en un campo elctrico hacia el electrodo negativo, por el contrario la radiacin tiene carga negativa, siendo atrada por el electrodo positivo en el seno de un campo elctrico, por ltimo la radiacin no se desva en el seno de un campo elctrico lo que implica que no tiene carga.

La capacidad de penetracin de las emisiones radiactivas vara siendo la mayor para la radiacin que solo es detenida por una gruesa capa de hormign, un menor para la radiacin que es detenida por una lmina metlica y muchsimo menor para la radiacin que es detenida por un papel o nuestra propia piel.

As la peligrosidad para nuestro organismo de un emisor radiactivos cuando est fuera de nuestro cuerpo es de mayor a menor , y por el contrario si el emisor est dentro de nuestro organismo la peligrosidad es la inversa , y .

Radiactividad natural

La radiactividad se debe a la inestabilidad de algunos istopos. Estos istopos tratan de llegar a una situacin de mayor estabilidad cambiando su composicin nuclear o emitiendo energa en forma de radiacin electromagntica o, lo que es ms comn, haciendo varias de estas cosas de forma consecutiva. El proceso puede darse de forma espontnea en la naturaleza y decimos entonces que se trata de radiactividad natural.

Estabilidad de istopos radiactivos. Imagen tomada de quimica4m.blogspot.com



La grfica representa los istopos existentes, en el eje horizontal el nmero atmico y en el vertical el nmero de neutrones. Cuando un istopo est fuera de la zona de estabilidad trata de ir a ella mediante la emisin de partculas , o radiacin .

Ley de la desintegracin radiactiva

Como se puede intuir cualquier ncleo que emite radiacin o se transforma en otro distinto con lo que se puede decir que el primer ncleo se ha desintegrado. Se trata de un proceso espontneo y al azar. Si el nmero de ncleos es N la velocidad con que desaparecen vendr dada por su derivada con respecto al tiempo y ser proporcional al nmero de ncleos existentes N. La constante de proporcionalidad es y recibe el nombre de constante de desintegracin radiactiva:

Si consideramos el tiempo que tarda en reducirse a la mitad el nmero inicial de ncleos:

La actividad de una sustancia radiactiva se define como el nmero de emisiones por unidad de tiempo, o lo que es lo mismo el nmero de ncleos que se desintegran en la unidad de tiempo. La unidad de actividad es el Becquerel (Bq)

Las radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas tienen un poder ionizante que no pueden detectar los seres humanos. No obstante estas si pueden detectarse mediante el uso de aparatos de medida como los contadores Geiger y otros detectores Existen varias unidades de medida de la radiacin ionizante, unas tradicionales y otras del SI.

Unidades tradicionales: son el Rntgen, el Rad., el REM. Unidades del SI: son las ms utilizadas el Culombio/kg, el Gray (Gy) y el Sievert (Sv).

El roentgen se utiliza para cuantificar la exposicin radiomtrica, es decir, la carga total de iones liberada por unidad de masa de aire seco en condiciones estndar de presin y temperatura. Equivale a la exposicin de una unidad electrosttica de carga liberada en un centmetro cbico de aire. En las unidades del SI, es la exposicin recibida por 1 kg de aire si se produce un nmero de pares de iones equivalente a 2,5810-4 C. 1 roentgen = 1 R = 2,58 10-4 C/kg. rad era la unidad de dosis absorbida. Su equivalencia es 1 rad=0,01 Gy rem (unidad para indicar la peligrosidad de una radiacin) era la unidad de dosis equivalente y de dosis efectiva, equivalente a 1 rad para rayos gamma. 1 rem=0,01 Sv



La dosis absorbida es una magnitud utilizada en Radiologa y Proteccin radiolgica, para medir la cantidad de radiacin ionizante recibida por un material y ms especficamente por un tejido o un ser vivo. La dosis absorbida mide la energa depositada en un medio por unidad de masa. La unidad en el Sistema Internacional es el J/kg, que recibe el nombre especial de gray (Gy) 1Gy = 100 rad. No obstante este no es un buen indicador de los efectos biolgicos de la radiacin sobre los seres vivos, 1 Gy de radiacin alfa puede ser mucho ms nociva que 1 Gy de fotones, por ejemplo. Deben aplicarse una serie de factores para que los efectos biolgicos sean reflejados, obtenindose as la dosis equivalente. El riesgo de efectos estocsticos debidos a la exposicin a una radiacin puede ser medido con la dosis efectiva, que es un promedio ponderado de la dosis equivalente de cada tejido expuesto, tomando en cuenta la sensibilidad de las poblaciones celulares que los forman. La unidad de estas dos ltimas magnitudes es el sievert. El sievert (smbolo Sv) es una unidad derivada del SI que mide la dosis de radiacin absorbida por la materia viva, corregida por los posibles efectos biolgicos producidos. 1 Sv es equivalente a un julio por kilogramo (J kg-1). Se cumple la equivalencia 1 Sv = 1 Gy para las radiaciones electromagnticas (Rayos X y gamma) y los electrones, pero para otras radiaciones debe utilizarse un factor corrector: 20 para la radiacin alfa, de 1 a 20 para neutrones,...). Esta unidad es utilizada para medir diferentes magnitudes usadas en proteccin radiolgica, como la dosis equivalente, la dosis colectiva, la dosis ambiental o la dosis efectiva entre otras, cada una de ellas corregida o "ponderada" por distintos factores que reflejan distintos aspectos, como la Eficiencia Biolgica Relativa (RBE en ingls).

Sntomas en los humanos a causa la radiacin acumulada durante un mismo da (los efectos se reducen si el mismo nmero de Sievert se acumula en un periodo ms largo): 0 - 0,25 Sv: Ninguno 0,25 - 1 Sv: Algunas personas sienten nuseas y prdida de apetito, y pueden sufrir daos en la mdula sea, ganglios linfticos o en el bazo. 1 - 3 Sv: nuseas entre leves y agudas, prdida de apetito, infeccin, prdida de mdula sea ms severa, as como daos en ganglios linfticos , bazo, con recuperacin solo probable. 3 - 6 Sv: nusea severa, prdida de apetito, hemorragias, infeccin, diarrea, descamacin, esterilidad, y muerte si no se trata. 6 - 10 Sv: Mismos sntomas, ms deterioro del sistema nervioso central. Muerte probable. Ms de 10 Sv: parlisis y muerte.

Sntomas en humanos por radiacin acumulada durante un ao, en milisieverts (1 Sv=1000 mSv): 2.5 mSv: Radiacin media anual global. 5.5 - 10.2 mSv: Valores naturales medios en [Guarapari] (Brasil) y en [Ramsar] (Iran). Sin efectos nocivos.6.9 mSv: Escner CT. 50 - 250 mSv: Lmite para trabajadores de prevencin y emergencia, respectivamente.

El ncleo del tomo

El ncleo est formado por protones y neutrones que a su vez estn constituidos por quarks.

En el momento en que Rutherford plantea su modelo nuclear del tomo ya se intuye que el ncleo est constituido por partculas positivas (protones) y que tiene que haber otras partculas neutras (neutrones) fue l mismo quien plantea la necesidad de su existencia en 1918 auque stas no son descubiertas hasta 1932 por Chadwick

Los protones y los neutrones estn constituidos por otras partculas menores quarks descubiertas en las dcadas de 1960 y 1970. Estas partculas estn formando parte de los protones y de los neutrones en grupos de tres y tienen carga 1/3 o 2/3 la unidad natural de carga (1,610-19C). Tambin forman parte de los mesones.



Hay seis tipos de quarks: up (u), down (d), top (t), botton (b), charme (c) y strange (s) aunque los cuatro ltimos tienen una vida tremendamente corta. Los protones estn formados por dos quarks up y uno down mientras que los neutrones estn formados por dos down y uno up.

El ncleo est constituido por nucleones (neutrones y protones). El nmero de protones de un ncleo es el nmero atmico (Z) y es caracterstico de cada elemento qumico. El nmero total de neutrones y protones se llama nmero msico (A). Los tomos del mismo elemento que tienen diferente nmero msico se llaman istopos.

Las partculas que forman el ncleo estn en un espacio muy reducido. A distancias menores que 10-15 m o fm (femtmetro tambin llamdo Fermi en Fsica Nuclear) prevalece la fuerza nuclear fuerte que es responsable de la cohesin del ncleo atmico. Se trata de una fuerza siempre atractiva e independiente de la carga que se manifiesta a distancias muy cortas y que supera con mucho las fuerzas de repulsin electrosttica entre los protones. Es importante tener en cuenta que esta fuerza desaparece a distancias mayores. Se trata pues de fuerzas de corto alcance a diferencia de las fuerzas gravitatoria y electromagntica.

Las partculas materiales son de dos tipos:

Leptones (no estn sometidas a la fuerza nuclear fuerte): electrn, mun, taun , neutrinos

Hadrones (sometidas a la fuerza nuclear fuerte) y formadas por quarks: protones, neutrones, mesones.

Adems cada partcula tiene su antipartcula correspondiente. Las antipartculas seran: positrn (antipartcula del electrn), antiprotn, antineutrn, antineutrino... Cuando una partcula se encuentra con su antipartcula se aniquilan desprendiendo energa, al contrario un fotn suficientemente energtico puede dar lugar a un par partcula antipartcula.

Energa de enlace

El ncleo es estable y para destruirlo o al menos extraer de l nucleones es necesario aportar energa. Si lo que pretendemos es descomponer el ncleo en sus componentes tenemos que aportar la misma energa que se libera en el momento de su formacin. Esta energa es la energa de enlace.



Representando la energa por nuclen frente al nmero atmico se obtiene una grfica como la que se indica a continuacin:

Reacciones nucleares

En estos procesos solamente intervienen los ncleos atmicos que pueden ser bombardeados por partculas subatmicas o con otros ncleos y dan lugar a nuevos ncleos distintos a los primeros.

Siempre se cumple en una reaccin nuclear que la suma de los nmeros atmicos permanece constante as como la suma de los nmeros msicos.

Estas reacciones en ocasiones se producen de forma natural dando lugar a transmutaciones en los ncleos que tienen lugar por emisin de partculas , o radiacin en varios pasos consecutivos hasta que se forma un ncleo estable. Estos procesos se conocen como series radiactivas y son tres:

pCNn 11146

147

10 ++



serie tipo elemento T (aos) estable Torio 4n 232Th 1,411010 208Pb Neptunio 4n+1 237Np 2,14106 207Bi Uranio 4n+2 238U 4,47109 206Pb Actinio 4n+3 235Ac 7,04108 207Pb

Cuando un ncleo emite una partcula se forma otro que tiene como nmero atmico dos unidades menos que el anterior y su nmero msico disminuye en cuatro unidades. Si lo que se emite es una partcula esto se debe a que un neutrn se transforma en un protn y un electrn por lo que el nmero atmico aumenta en una unidad y el nmero msico permanece constante. Estas dos leyes del desplazamiento radiactivo fueron enunciadas de forma independiente por Soddy y Fajans.

84Po215 82Pb211 + 2He4 (emisin )

18Ar40 19K40 + -1e0 (emisin )

Por ltimo cuando un ncleo sobreexcitado emite radiacin pasa a un estado de menor energa pero no sufre ninguna transmutacin.

Reacciones de fisin

La fisin nuclear es una reaccin en la que un ncleo se divide en otros dos mas ligeros cuando es bombardeado por neutrones. Este proceso tiene lugar con un defecto de masa que se transforma en energa.

La reaccin de fisin nuclear fue estudiada en 1938 en primer lugar por Hahn y Strassmann en los preludios de la guerra mundial. Sin embargo la explicacin del proceso fue dada por Lisa Meitner con su modelo de la gota lquida. Supone que los neutrones lentos que inciden sobre el ncleo pesado lo deforman como si de una gota de agua se tratara. Debido a sto los extremos del ncleo deformado se repelen y se parte en dos menores liberando neutrones que a su vez participarn en nuevos procesos de fisin.

El proceso puede llevarse a cabo de forma controlada en los reactores nucleares para producir energa elctrica o de forma no controlada con lo que la reaccin tiene lugar de forma explosiva.

n10

U23592 U23692 n

10

n10

n10

Ba14156 Kr9236



Reacciones de fusin

A partir de ncleos pequeos que se unen se puede formar otro mayor. El proceso tambin origina al final del mismo un defecto de masa que se transforma en energa.

nHeHH 1042

31

21 ++

Esta reaccin comienza a transcurrir a elevadas temperaturas (superiores a 106 K). Estas reacciones tienen lugar en las estrellas y gracias a ellas nuestro sol emite energa en forma de radiacin electromagntica que llega a la Tierra y la mantiene a una temperatura adecuada para la existencia de la vida en la Tierra.

Sera una fuente ideal de energa aunque todava no se ha logrado controlar de forma rentable.

Fuerzas fundamentales en la Naturaleza

Las fuerzas fundamentales de la Naturaleza son cuatro:

Fuerza gravitatoria Responsable de la interaccin gravitatoria Fuerza electromagntica Responsable de la interaccin elctrica y magntica Fuerza nuclear fuerte Responsable de que los componentes del ncleo se mantengan

unidos a pesar de tener los protones carga del mismo signo Fuerza nuclear dbil Responsable del decaimiento de partculas mas pesadas hacia

otras ms ligeras (ejemplo la emisin de radiacin .

Las partculas portadoras de fuerza entre las que se encuentran:

Para la interaccin gravitatoria se considera una partcula llamada gravitn su existencia se predice aunque no est descubierta.

El fotn que es la partcula portadora en la interaccin electromagntica. La partcula portadora en la interaccin nuclear fuerte se llama glun. Los bosones W+, W- y Z son los responsables de la interaccin nuclear dbil que es la

causante del decaimiento de los quarks o de otras partculas en otras ms ligeras, por ejemplo la emisin de radiacin .

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