fÍsica nuclear. la menor porción de sustancia que posee todas las propiedades químicas de un...
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FÍSICA NUCLEAR
La menor porción de sustancia que posee todas las
propiedades químicas de un elemento químico dado.
¿ Qué es un átomo?
ELEMENTO QUÍMICO1.- MATERIA FORMADA POR ÁTOMOS MATERIA FORMADA POR ÁTOMOS CON LAS MISMAS PROPIEDADES CON LAS MISMAS PROPIEDADES QUÍMICAS.QUÍMICAS.
2.- LOS ÁTOMOS CONSTITUYENTES SE 2.- LOS ÁTOMOS CONSTITUYENTES SE DENOMINAN DENOMINAN ISÓTOPOS.ISÓTOPOS.
¿Como están formados los átomos?
Por un núcleo cuya carga eléctrica es positiva y, por electrones, que se mueven en el campo eléctrico del núcleo.
Los átomos son eléctricamente neutros.
NNúúcleo Atómicocleo Atómico:: Sistema enlazado de Sistema enlazado de protones (protones (ZZ) y neutrones () y neutrones (NN) a través de ) a través de la interacción fuerte. A los protones y la interacción fuerte. A los protones y neutrones se les denomina neutrones se les denomina NUCLEONES.NUCLEONES.
AA: : número másico (número de nucleones)número másico (número de nucleones)
NZA ZZ: : número atómico (número de protones)número atómico (número de protones)
XAZ
ISÓTOPOS DE UN ELEMENTO QUÍMICO
ÁTOMOS QUE POSEEN EL
MISMO Z PERO DISTINTO A.
ELEMENTO QUÍMICO HIDRÓGENO (H)
- ISÓTOPO HIDRÓGENO 1111HH- - ISÓTOPO DEUTERIOISÓTOPO DEUTERIO 2211HH- - ISÓTOPO TRITIOISÓTOPO TRITIO 3311HH
Carga del núcleo: Carga del núcleo: +Ze+Ze
e = carga de un electróne = carga de un electrón
Radio núcleoRadio núcleo ~ ~ 1010-15-15 m (1 fm) m (1 fm) ((100 000 veces menor que el del átomo)100 000 veces menor que el del átomo) Masa del átomo concentrada en el núcleo.Masa del átomo concentrada en el núcleo.
q =-Zeq =-Ze q=+Zeq=+Ze
MMát át M Mnúcleonúcleo
Masa protón = 1836 masa electrón
Masa protón ≈ masa neutrón
NeutrNeutrónón:: 1100nn Partícula fundamental Partícula fundamental
componente componente del núcleo atómicodel núcleo atómico con con carga carga eléctrica cero.eléctrica cero.
No es una partícula elemental, sino que está compuesto por quarks
ProtónProtón:: 1111p ò p ò 11
11H H Partícula fundamentalPartícula fundamental componente componente del núcleo atómicodel núcleo atómico, con , con carga carga eléctrica +e.eléctrica +e.
No es una partícula elemental, está compuesta por quarks
ElectrónElectrón:: 00-1-1e e Partícula elementalPartícula elemental
componente componente de la corteza electrónicade la corteza electrónica, con , con carga eléctrica -e.carga eléctrica -e.
Interacción fuerteInteracción fuerte: : Es la más fuerte de la Es la más fuerte de la naturalezanaturaleza
De 100 a 1000 veces más intensa De 100 a 1000 veces más intensa
que la electromagnética y que la electromagnética y
10103838 veces más intensa veces más intensa
que la gravitatoria. que la gravitatoria.
Son fuerzas de atracción, de corto Son fuerzas de atracción, de corto alcance (alcance (10 10 -15-15 m = 1 fm m = 1 fm).).
Gracias a ella el Gracias a ella el núcleo atómico es núcleo atómico es un un sistema enlazadosistema enlazado de nucleones a de nucleones a pesar de la pesar de la interacción interacción electromagnética electromagnética repulsiva entre los repulsiva entre los protonesprotones
1- Son fuerzas de corto alcance, actúan en una distancia 1,5 Fermi.
2- Son independientes respecto a la carga o sea actúan por igual entre protón y protón, entre neutrón y protón, entre neutrón y neutrón. Lo que demuestra su carácter no eléctrico.
Propiedades de las fuerzas nucleares.
3- No son fuerzas centrales, o sea, no están en la dirección de la línea recta que une a las dos partículas.
4- Son las de mayor intensidad en la naturaleza.
Masa del núcleo.Masa del núcleo.
Como unidad de masa utilizamos la Como unidad de masa utilizamos la unidad de masa atómicaunidad de masa atómica [uma], [uma],
1uma = 1,66 . 101uma = 1,66 . 10-27-27 kg kg
molátomos
N
gN
uma
A
A
2310 022,6
11
1.- MASA ISOTÓPICA→Masa de un isótopo ( ),en uma.M(isótopo) ≈ A (uma)
M(11H) = 1.00783 uma ------------- 99.985% (abundancia)
M(2211HH) = 2.01411 uma-------------- 0.015% (abundancia)
M(31H) = 3.01605 uma-------------- trazas
2.- MASA ATÓMICA→Masa de un átomo irreal, en uma.
3.- MASA MOLAR→Masa de un MOL de unidades, en gramos.Mm(H)=1.00798 g/mol
XAZ
umaxxx
HMa
xabundaciaisótopoMMa
00798.1100
001605.3015.001411.2985.9900783.1)(
100)(
Energía de enlace (E)
Es la energía mínima que hay que darle a Es la energía mínima que hay que darle a un núcleo en un estado dado para un núcleo en un estado dado para desintegrarlo en cada uno de sus desintegrarlo en cada uno de sus nucleones componentes.nucleones componentes.
Núcleo
XAZ
EE
Núcleo en estado Núcleo en estado básicobásico
Sistema no enlazado de Sistema no enlazado de nucleones en reposonucleones en reposo
LA MASA DE LOS NÚCLEOS ES MENOR QUE LA SUMA DE LAS MASAS DE LOS NUCLEONES (PROTONES Y NEUTRONES)
Defecto de masaDefecto de masa
ENERGÍA DE ENLACE
210
11
2
10
11
)]())()([(
0
cXMnNmpZmE
mcE
E
EXnNpZ
AZ
AZ
UNIDAD DE S.I. → JULIO (J)OTRA UNIDAD → ELECTRÓN-VOLT (eV)Equivalente masa-energía → 1uma=931.5 MeV
ESTABILIDAD DE NÚCLEOS ATÓMICOS
ENERGÍA POR NUCLEÓN:
AE
MAYOR ESTABILIDAD →
LOS NÚCLEOS SON INESTABLESA PARTIR DE Z=83 (Bi), DEBIDO ALELEVADO Nº DE NEUTRONES.
AE
Transformaciones nuclearesTransformaciones nucleares
1.- Desintegraciones radiactivas1.- Desintegraciones radiactivas (naturales o espontáneas(naturales o espontáneas) )
, , y radiación y radiación
2.- Reacciones nucleares 2.- Reacciones nucleares
(artificiales o no espontáneas)(artificiales o no espontáneas)
Fisión y FusiónFisión y Fusión
Desintegración radiactiva: Proceso por el cual los núcleos se Proceso por el cual los núcleos se transformantransforman espontáneamenteespontáneamente en en otros núcleos más establesotros núcleos más estables..
Todo esto lo realizan Todo esto lo realizan emitiendoemitiendo o o bien una partículabien una partícula (núcleo de He 4422He, positivoHe, positivo)),, unauna
(electrones) o un fotón(electrones) o un fotón ..
LEYES DEL DESPLAZAMIENTO RADIACTIVO
1.- Cuando un núcleo radiactivo X emite una partícula se convierte en otro núcleo Y con número másico A-4 y nºatómico Z-2.
ZAX ----> Z-2
A-4Y + 4422HeHe
EJEMPLO:eHTlBi 4
2208
8121283
2.- Cuando un núcleo radiactivo X emite una partícula o electrón, se convierte en otro núcleo Y con número másico A y nºatómico Z+1.
ZAX ----> Z+1
AY + 00-1-1e e
Ejemplo: La desintegración Ejemplo: La desintegración del del neutrón:neutrón:
01n ----> 1
1p + 00-1-1e + (antineutrino)e + (antineutrino)
3.- Cuando un núcleo radiactivo X emite una partícula positrón, se convierte en otro núcleo Y con número másico A y nºatómico Z-1.
ZAX ----> Z-1
AY + 00+1+1e e
Ejemplo: La desintegración Ejemplo: La desintegración del del protón:protón:
11p ----> 0
1n + 00+1+1e + (neutrino)e + (neutrino)
4.- Cuando un núcleo excitado radiactivo X emite radiación , se transforma en el mismo núcleo en su estado fundamental.
ZAX* ----> Z
AX + EJEMPLO: Un núcleo de protactinio excitado:
PaPa 23491
23491 *
Desintegración radiactivaDesintegración radiactiva
teNN 0Ley de la
desintegración radiactiva.
Constante radiactiva λ de una sustancia indica la probabilidad de desintegración por unidad de tiempo.Unidad S.I. (1/s)
No/2
T½
Periodo de Periodo de semidesintegración (T): semidesintegración (T): en en ese tiempo la cantidad de ese tiempo la cantidad de núcleos disminuye a la mitad núcleos disminuye a la mitad del número original Ndel número original N0 0
Tiempo de vida mediaTiempo de vida media
2lnT
1
Actividad de una muestra (A)Actividad de una muestra (A)
teAA 0
00 NA
Ao
A
NA
UNIDAD S.I.BECQUEREL (Bq)1Bq =1desintegración/seg
A → nº de desintegracionespor unidad de tiempo.
¿QUÉ ES UN SIEVERT? El daño producido al cuerpo humano por todo tipo de radiaciones se mide con una magnitud denominada dosis de radiación.
Un Sievert (Sv) es la unidad que mide esa dosis de radiación. Para darnos una idea de lo que significa esta unidad:- Un TAC transmite 5 mSv.-Una radiografía dental transmite 0.05 mSv.- El límite anual de dosis para la totalidad del organismo referido a cualquier período de doce meses consecutivos es de 20 mSv.
PORCENTAJE DE MUESTRAQUE QUEDA SIN DESINTEGRAR
100100%00 A
ANN
Cuando dos núcleos, venciendo la repulsión culombiana, logran acercarse hasta distancias donde actúan las fuerzas nucleares, puede ocurrir un reordenamiento de los nucleones, dando como resultado que los núcleos producto sean diferentes a los núcleos iniciales.
ReaccionesReacciones nucleares nucleares
Generalmente son producidas bombardeando núcleos con nucleones.
La reacción es EXOTÉRMICA:E>0
REACTIVOS → PRODUCTOS
m = m(reactivos) – m(productos)
E = m · c2
Un núcleo original se bombardea Un núcleo original se bombardea con neutrones. con neutrones.
Como productos de la reacción se Como productos de la reacción se obtienen dos núcleos más ligeros y obtienen dos núcleos más ligeros y más neutrones los cuales producen más neutrones los cuales producen
una reacción en cadena.una reacción en cadena.
La reacción es EXOTÉRMICALa reacción es EXOTÉRMICA
Reacciones de fisión nuclearReacciones de fisión nuclear
Reacción de fisión del 235U
nKrBaUnU 10
9236
14156
23692
10
23592 3*
EL DEFECTO DE MASA m PRODUCEUN DESPRENDIMIENTO DE ENERGÍA POR NÚCLEO DE URANIO.
E = +m · 931,5 MeV
Núcleos pequeños se unen para Núcleos pequeños se unen para formar núcleos algo mayores. formar núcleos algo mayores.
Los núcleos de hidrógeno se Los núcleos de hidrógeno se fusionan para dar lugar a núcleos de fusionan para dar lugar a núcleos de
helio.helio.
La reacción es EXOTÉRMICALa reacción es EXOTÉRMICA
Reacciones de fusión nuclearReacciones de fusión nuclear
Reacciones de fusión nuclear
p - d
p - h
eHHH 01
21
11
11
p - p
HeHH 32
21
11
eHeHeH 01
42
32
11
E = +m · 931,5 MeV
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