FSICA NUCLEAR

INTRODUCCIN HISTRICABecquerel descubre en 1896 la radiactividad en sales de uranio.Los esposos Curie (Marie y Pierre) descubren en 1898 dos elementos radiactivos de mayor actividad: el radio y el polonio.En 1911, Rutherford expresa la idea de que los tomos poseen un ncleo.En 1932, Chadwick descubre el neutrn.

CONSTITUCIN DEL NCLEONUCLEONES Ncleo = Protones + Neutrones Carga +e Sin carga masa p masa n

N nucleones = NMERO MSICO = AN protones = NMERO ATMICO = Z A = Z+ NN neutrones = NNCLIDO (NUCLEIDO) = ESPECIE NUCLEAR CARACTERIZADA POR A Y Z Un nclido se expresa como:

ISTOPOSNcleos con igual n de protones (mismo elemento) y distinto n de neutronesZ igual A diferenteIstopos del hidrgeno: ISBAROS: Ncleos con igual A y distinto ZISTONOS: Ncleos con igual N y distinto Z

Tamao y densidad del ncleoLas dimensiones del ncleo dependen del n msico A:r = r0 A1/3con r0 = 1,2 10-15 m = 1,2 fermis

Como mp mn 1,67 10-27 kgla densidad nuclear resulta:n = mncleo/Vncleo = 2,3 1017 kg/m3

Unidades en Fsica NuclearUnidad de longitud: 1 fermi = 10-15 mUnidad de masa: unidad de masa atmica (u)Es la doceava parte de la masa de un tomo de 12CEn esta escala:m(12C) = 12 ump = 1,007277 umn = 1,008665 ume = 0,000549 u1 u = 1,66 10-27 kgUnidad de energa: 1 MeV = 106 eV

Interaccin fuerteEn el ncleo la distancia entre nucleones es del orden de un fermi (10-15 m).

A esta distancia la fuerza repulsiva entre los protones (ley de Coulomb) es muy grande, y la fuerza gravitatoria es despreciable.

Para que los ncleos sean estables es necesaria una nueva interaccin: la interaccin nuclear fuerte.

Caractersticas de la interaccin nuclear fuerteEs MUY INTENSA para vencer la repulsin elctrica (~ 100 veces ms que la interaccin electromagntica).

Es una fuerza ATRACTIVA: los nucleones interaccionan entre ellos atrayndose.A distancias muy cortas es REPULSIVA: los nucleones no se incrustan entre s.

Es de corto alcance, ya que slo se manifiesta en el interior del ncleo. Un nuclen slo interacciona con los nucleones vecinos.

No hay diferencias entre la interaccin entre dos protones ,entre dos neutrones o entre un protn y un neutrn ES INDEPENDIENTE DE LA CARGA

Defecto de masaLa masa M de un ncleo es siempre menor que la suma de las masas de los nucleones aislados. La diferencia de estos valores se conoce como DEFECTO DE MASA:

m = Z mp + (A-Z) mn Mncleo

Dnde est la masa perdida?Recordemos la equivalencia entre masa y energa segn la ecuacin de Einstein: E = m c2

Energa de enlace nuclearEl defecto de masa se ha transformado en energa que une los nucleones entre s ENERGA DE ENLACE NUCLEAR BEs la energa que debemos suministrar al ncleo para que se divida en sus partculas constituyentes.B = m c2 m = B/ c2 Podemos expresar la masa en MeV/c2 1 u = 931 MeV/c2

Federico A. VzquezRadiactividad naturalDescubierta por Becquerel en 1896: emisin de radiacin desconocida por sales de uranio.

Es una radiacin invisible, penetrante, capaz de velar placas fotogrficas, ionizar gases y atravesar cuerpos opacos.

En 1898, los esposos Curie descubren dos nuevos elementos radiactivos: radio y polonio.

Las emisiones radiactivas no se vean afectadas por las reacciones qumicas o cambios de presin o temperatura deben ser cambios en los ncleos atmicos.

Federico A. Vzquez

Tipos de radiactividad naturalCuando la radiacin de una muestra se somete a campo elctricos y magnticos se comprueba que hay tres tipos de radiacin:Una cargada positivamente y con ms masa: radiacin Otra cargada negativamente y con una masa mucho menor: radiacin La tercera no tiene carga elctrica: radiacin

Penetracin de los distintos tipos de radiacin

Radiactividad alfaPartcula alfa: Compuesta por dos protones y dos neutrones.

Es una partcula relativamente grande y pesada. Suelen emitirla los ncleos grandes (Z

Radiactividad betaPartculas beta: Poseen menos masa y se mueven ms rpidamente que las alfa.

Se emiten a velocidades prximas a la de la luz tienen un poder de penetracin mayor que las alfa, aunque pueden ser detenidas por una lmina de aluminio. Depende de su energa. Puede atravesar la piel.

Es una partcula elctricamente cargada (negativa), un electrn libre.

Surgen de la transformacin de un neutrn en un protn:

Se debe a un tipo de interaccin llamada nuclear dbil:Es una fuerza de muy corto alcance (interior del nuclen).Es unas 1013 veces ms dbil que la interaccin fuerte.

Radiactividad gammaRayos gamma: No tienen carga elctrica por lo que pierden ms lentamente su energa.

Son ondas electromagnticas de frecuencias muy altas. Se emiten cuando un ncleo est excitado y vuelve a su estado fundamental.

Pueden viajar grandes distancias en el aire y tienen un gran poder de penetracin (atraviesan el cuerpo humano y slo se frenan con planchas de plomo y gruesos muros de hormign).

Suele acompaar a las emisiones alfa y beta.

Leyes de conservacin en los procesos radiactivosEn las desintegraciones radiactivas se conservan:El nmero msico (nmero de nucleones)

El nmero atmico (carga elctrica)

La cantidad de movimiento del sistema

La energa (incluyendo la energa debida a la masa de las partculas)

Magnitudes radiactivas (I)Constante radiactiva. La constante radiactiva o constante de desintegracin (), es un coeficiente de proporcionalidad que regula la igualdad entre los tomos que desaparecen en un tiempo t, (-dN), con los tomos iniciales (No) para cada nclido radiactivo: -dN = - N dt mide la probabilidad de desintegracin de un ncleo en la unidad de tiempo que se tome (segundo, hora, ao, etc). Si de 100 tomos iniciales se desintegra 1 en un segundo, la probabilidad de desintegracin es 1/100 = 0,01 = 1% por segundo. Su unidad es s-1 (o cualquier unidad de tiempo elevada a menos uno)La desintegracin de un ncleo es un proceso al azar. slo tiene sentido para una poblacin de ncleos.

Magnitudes radiactivas (III)Actividad.La actividad de una muestra de una sustancia radiactiva es el nmero de ncleos que desaparecen por unidad de tiempo y representa la velocidad de desintegracin.

Depende de la cantidad de muestra.Sus unidades son: el Curie, el Rutherford y el Becquerel (des/s). Esta ltima corresponde al Sistema Internacional.

La actividad es mayor cuanto mayor sea la constante radiactiva y el nmero de ncleos presentes.

Magnitudes radiactivas (II)Ejemplo: si del Ra es 0,00042 aos-1= 1 / 2230 por ao, indica que la probabilidad de desintegracin radiactiva es de un tomo por cada 2330 tomos radiactivos en un ao (0,00042 = 0,042%). Esto puede parecer poco, pero recuerda que 1 mol de uranio (238,02 g) contienen 6,0210 23 tomos

Vida media (semivida)La vida media representa el promedio de vida de un ncleo atmico de una muestra radiactiva. Es el tiempo, calculado estadsticamente, que un ncleo radiactivo de una muestra puede permanecer sin transformarse en otro.

La vida media es inversamente proporcional a la constante radiactiva y es una caracterstica invariable para una determinada desintegracin de cada tipo de ncleo radiactivo.

Magnitudes radiactivas (IV)Perodo de semidesintegracin, T1/2

Es el tiempo que tiene que transcurrir para que una muestra radiactiva se reduzca a la mitad.

Si la muestra inicialmente tiene N0 ncleos, transcurrido un perodo existirn N0/2 ncleos de esa especie nuclear.Transcurridos dos prodos tendremos N0/4. Tras tres perodos N0/8, y as sucesivamente.En general, tras n perodos tendremos sin desintegrar N0/2n

El perodo de semidesintegracin tiene que estar relacionado con la constante radiactiva (probabilidad de que se desintegre un ncleo de una muestra dada)

Ley de la desintegracin radiactiva (I)Tenemos una sustancia radiactiva que contiene No tomos y va a comenzar una desintegracin de constante radiactiva . Al cabo de un tiempo t, quedarn sin desintegrarse N tomos de la poblacin inicial. Los tomos desintegrados sern: Como hay menos tomos finales que iniciales para hacer el incremento positivo (final menos inicial) ponemos el signo menos. Establecemos una correspondencia entre los que se desintegran y los iniciales en un tiempo que va a ser regulada por la constante de desintegracin para cada sustancia.

Conclusiones ley desintegracinEsta expresin muestra los ncleos que quedan sin desintegrarse, N, de una poblacin inicial de No. El nmero N de tomos de la sustancia radiactiva es funcin de la constante de desintegracin radiactiva y del tiempo. El nmero de tomos que permanece sin desintegrarse sufre una disminucin exponencial.

Como la masa de una muestra es el nmero de ncleos por la masa de cada ncleo, se cumplir que:

Como la actividad es A = N, tambin decrecer exponencialmente:

Relacin entre y T1/2Utilizando la ley de desintegracin radiactiva podemos hallar la relacin entre y T1/2.Cuando t = T1/2 , N =N0/2

Eliminando No y tomando logaritmos queda:

Familias radiactivasEn la mayora de los casos no basta con una desintegracin para que un elemento inestable se convierte en otro estable. Por lo general, el nuevo elemento que resulta de la desintegracin es tambin inestable y, al cabo de un tiempo mas o menos largo, dependiendo de su perodo, se desintegrar. A su vez, resultando otro elemento tambin radioactivo, y as sucesivamente hasta una ltima desintegracin que da un elemento estable, el plomo, en el caso de las sustancias radiactivas naturales.

Segn sea el elemento original, se produce una serie diferente de desintegraciones, siempre la misma, y todos los elementos as engendrados por una cascada de desintegraciones hasta llegar al plomo, forman una "familia radiactiva". En la naturaleza existen tres series o familias radiactivas: la del uranio, la del actinio y la del torio. Las tres terminan en un istopo del plomo.

En la familia del 232Th todos los ncleos de la familia tiene nmeros msicos mltiplos de 4 (4n).En la del 238U todos tienen nmeros msicos iguales a 4n+2.En la familia del 227Ac todos tienen nmeros msicos iguales a 4n+3.La serie del 237Np (4n+1) no existe en la Naturaleza porque todos los ncleos se han desintegrado.

Familia del Desintegracin (Z+1)Desintegracin (Z - 2, A - 4)

Reacciones nuclearesSuelen producirse al bombardear un ncleo con otro de menor tamao y gran velocidad o con partculas subatmicas.

La primera reaccin nuclear fue producida por Rutherford (1919), al bombardear 14N con partculas :

En las reacciones nucleares se conserva el nmero atmico y el nmero msico.

El uso de p y partculas como proyectiles presenta el inconveniente de la repulsin electrosttica. Los neutrones penetran en el ncleo con mayor facilidad.

En las reacciones nucleares suele liberarse energa. Esta energa procede de la diferencia de masa entre los ncleos iniciales y los finales. Si estos ltimos tienen menos masa, la diferencia de mas se ha transformado en energa:E= (m ncleos iniciales - m ncleos finales) c2

Reacciones de fisin nuclearConsiste en la divisin de un ncleo pesado en dos ncleos ms ligeros.

Estos ncleos son ms estables, ya que tienen mayores energas de enlace por nuclen, liberndose energa en el proceso.

Se consigui por primera vez en 1938 (Hahn y Strassmann) al bombardear con un neutrn un ncleo de 235U. ste absorbe el neutrn y se convierte en 236U (inestable) que se divide en dos fragmentos con Z comprendido entre 30 y 63, y con A entre 72 y 162, liberndose energa y varios neutrones.

Fisin nuclear

La energa liberada en una fisin nuclear es directamente proporcional a la disminucin de masa que se produce. Se producen alrededor de 80 000 000 kJ de energa por cada gramo de uranio-235 que se desintegra (unos 200 MeV por ncleo). La fisin nuclear de 1 g de uranio-235 produce la misma cantidad de energa que la que producira la combustin de 2700 kg. de carbn o la que producira la explosin de 30 000 kg de trinitrotolueno (TNT).

Otros ncleos como los del torio y el plutonio tambin son fisionables.

Los istopos de uranio-235 y de plutonio-239 se pueden fragmentar por neutrones de baja energa. Se estima que el 0.7 % de uranio natural es del istopo de uranio-235. El istopo de uranio ms abundante es el de uranio-238 pero no produce reaccin de fisin nuclear.

En la fisin se liberan varios neutrones que provocan la fisin de otros ncleos. Estos a su ves liberan ms neutrones, y as sucesivamente, iniciando una reaccin en cadena, capaz de producir una enorme cantidad de energa.

Esquema de una reaccin en cadena de una fisin nuclear

1- Un tomo de Uranio-235 absorbe un neutrn, y se divide en 2 nuevos tomos (productos de fisin), dejando libres 3 nuevos neutrones y energa.

2- Uno de los neutrones es absorbido por un tomo de Uranio-238, y no contina la reaccin. Otro neutrn es simplemente perdido y no continua la reaccin. Sin embargo, un neutrn entra en colisin con un tomo de U-235, que se divide y libera 2 neutrones y energa de enlace.

3- Estos 2 neutrones colisionan con 2 tomos de U-235, que se dividen y sueltan de 1 a 3 neutrones, que continan con la reaccin

Fusin nuclearConsiste en la unin de dos ncleos ligeros (H-1, H-2, etc.) para dar otro ms pesado (helio-4, por ej.)

Despus de que ocurre la fusin nuclear, la masa total de los ncleos ligeros formados por el proceso de fusin es menor que la masa total de los ncleos que se fusionaron, por lo que se desprende energa VER CURVA DE ENERGIA DE ENLACE POR NUCLEN

Como los ncleos atmicos tienen carga positiva, normalmente, para que se produzca la fusin nuclear es necesario que los ncleos choquen con una rapidez muy grande para poder vencer la repulsin elctrica. La rapidez que se requiere corresponde a temperaturas extremadamente altas como las que se presentan en el centro del Sol y otras estrellas. Al proceso de fusin nuclear que se lleva a cabo a temperaturas muy altas se le llama fusin termonuclear, porque la combinacin de los ncleos atmicos ocurre a altas temperaturas.

Ventajas e inconvenientes de la fusin nuclearSe considera un proceso limpio porque sus productos son istopos limpios

Los istopos ligeros adecuados para realizar la fusin nuclear son ms abundantes que los istopos pesados que se necesitan para producir la fisin nuclear.

La desventaja de los procesos de fusin nuclear es que requieren una energa de activacin muy elevada en comparacin con la fisin nuclear inducida por neutrones: la temperatura requerida para que ocurra la fusin nuclear es del orden de 109 oC

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