Download - La Radioactivitat i Fisica Nuclear
Física “Moderna”
Introducció: fisicanuclear.swf
RADIOACTIVITAT
Més…Qüestions descobertes que no tenien
resposta fins al moment
El físic francès Henry Becquerel
(1852–1908) l'any 1896 estudiava la
fluorescència (emissió de llum que
donen certes substàncies quan són
il·luminades).
un dia que deixà la placa fotogràfica
embolicada amb paper i damunt la
sal d'urani dins un calaix trobà la
placa fotogràfica velada.
Com que no podia ser fluorescència
havia de ser una radiació generada
per la sal d'urani.
ELS PIONERS
• >Wilhelm C. RÖNTGEN: Descubreix els Raigs X (1896).
• Nobel de Física 1901.
• >Henry BECQUEREL, Pierre CURIE, Marie CURIE-(Sklodowska)
• Nobel de Física 1903 p el descubrimient de la radiactivitat en minerales d' Urani (1896-1898).
• > Ernest RUTHERFORD: Raigs alfa. Nobel de Química 1908
• > Marie CURIE: El Radi i el Poloni. Nobel de Química 1911
L’existència de la radioactivitat, només pot explicar-se
si suposem que dins de l’àtom n’hi ha partícules més
petites que els propis àtoms.
Tipus d'emissions naturals
Els estudis que realitzà Rutherford
demostraren que hi havia varis tipus de
radioactivitat natural:
1. Raigs α
Ionitzen molt l'aire que travessen (arrabassen electrons de
les molècules de N2
i d'O2), per tant són partícules; són
absorbits per una làmina de paper (els és difícil travessar la
matèria) i dins d'un camp magnètic es desvien poc (tenen
molta massa) i ho fa com les càrregues positives.
S'anomenen partícules α i són nuclis d'He (He2+
).
Tipus d'emissions naturals
2. Raigs β
Ionitzen l'aire, per tant són partícules; tenen
un poder de penetració 100 vegades major
que els raigs α (són retinguts per plaques
metàl·liques) i dins d'un camp magnètic es
desvien com les càrregues negatives i molt
(tenen poca massa). S'anomenen partícules
β i són electrons.
Posteriorment el físic francès Paul Villard (1860–1934) demostrà
l'existència d'un altre tipus de radiació:
3. Raigs γ
No ionitzen l'aire (no són partícules) ni es desvien amb els camps
magnètics, per tant no tenen càrrega elèctrica. Són molt penetrants i només
es poden absorbir amb plaques de Pb molt gruixudes. Són radiacions
electromagnètiques d'alta freqüència.
COMPOSICIÓ DE LA MATÈRIA
• MOLÈCULES: agrupació d’àtoms.
• ÀTOMS:– Escorça: electrons
• Àtom neutre: mateixa quantitat de protons i electrons.
• Ió: és un àtom que ha guanyat o perdut electrons.
– Nucli.
• NUCLI:
– Dos partícules fonamentals:• Protons
• Neutrons
– Nucleó: partícula del nucli.
Propietats del nucli atòmic
forma la part central dels àtoms.
Està format per protons i neutrons.
Les seves dimensions típiques són de l’ordre de 10-14 m,
molt inferior al diàmetre dels àtoms (10-10 m). Tenen una
forma aproximadament esfèrica
Els protons tenen una càrrega elèctrica de +1.602177·10-
19C i una massa de 1.672623·10-27kg (1.007276u).
Els neutrons no tenen càrrega elèctrica i la seva massa és
lleugerament superior 1.674929·10-27kg (1.008665u).
En conjunt s’anomenen nucleons.
El número de protons del nucli és el nombre
atòmic, Z.
Tots els àtoms d’un element químic tenen el
mateix número atòmic.
La suma del número de protons i de neutrons és
el nombre màssic, A
•Mol és la quantitat de matèria d’un sistema
que conté 6.0221367·1023 partícules (nombre
d’Avogadro)
•Unitat de massa atòmica unificada (u o uma) és
la dotzena part de la massa d’un àtom de carboni-
12.
•Un gram és igual a 6.0221367·1023 uma.
•Massa atòmica relativa d’un àtom o massa isotòpica és
la massa d’un àtom de l'isòtop respecte de la dotzena part de
l’àtom de 12C .
•Massa atòmica relativa d’un element o pes atòmic Ar, és la mitjana ponderada de les masses atòmiques relatives
dels isòtops que constitueixen l’element.
•Massa molecular relativa d’un compost o pes
molecular Mr, és la mitjana ponderada de les masses
atòmiques relatives dels isòtops que constitueixen el
compost.
•Isòtops són àtoms amb el mateix nombre atòmic però
diferent nombre màssic, per exemple l’oxigen que té tres
isòtops en la naturalesa :16O (99.762%); 17O(0.038%) i 18O(0.200%).
• Isòbars són nuclis amb el mateix nombre màssic. (A)
• Simbolitzem la massa atòmica i la massa nuclear com:
'A A
Z ZM X M X
2 2 2'A A
Z Z e eM X c M X c Zm c B Z
La relació entre aquestes masses és:
Sovint és pot negligir l’últim terme, en ser molt més petit que
els altres (me= 9.109390·10-31kg, 5.485799·10-4u)
ESTABILITAT NUCLEAR
• NUCLIS ESTABLES:
– Són aquells nuclis que no pateixen cap transformació
de manera natural.
• NUCLIS INESTABLES:
– Són nuclis que tenen una tendència natural a
descompondre’s en nuclis diferents emeten partícules i
energia.
• BANDA D’ESTABILITAT: Z<83
– En la taula periòdica, fins a Z=30, el nombre de protons
coincideix amb el nombre de neutrons: Z=N.
– Per a Z>30, augmenta el nombre de neutrons en
proporció al de protons: N>Z.
– Els neutrons donen estabilitat al nucli.
• BANDA D’INESTABILITAT: Z>83
– A partir de Z>83, els nuclis són inestables i ja
no és possible, augmentant el nombre de
neutrons, l’estabilitat entre la força nuclear i la
força de repulsió electrostàtica entre els
protons del nucli.
– Els nuclis inestables són nuclis radioactius
naturals.
– Aquest nuclis inestables tenen com a
propietat l’emissió de manera espontània de
radiació.
RADIOACTIVITAT NATURAL
• RADIOACTIVITAT veure radioactivitat7.swf
– És l’emissió per part del nucli de partícules o energia.
• RADIACIÓ RADIOACTIVA:– És el conjunt de partícules emeses per una mostra
radioactiva.
• TIPUS DE RADIACIÓ:– PARTÍCULES α
– PARTÍCULES β• β-
• β+
– RADIACIÓ
PARTÍCULES α
• Les partícules α són nuclis d’heli:
• Quan un nucli emet una patícula α, el nombre màssic
disminueix en 4 i el nombre atòmic en 2:
24He
4
2He
222
86
226
88
4
2He
4
2
+RnRa
+YX A
Z
A
Z
CARACTERÍSTIQUES DE LES
PARTÍCULES α
• Poder de penetració petit (full de paper), perquè son grans.
• Elevat poder d’ionització.
• Contaminació elevada i danys biològic.
• Quan ha perdut gairebé tota la seva energia (velocitat petita), atrapa un parell d’electrons i es converteix en heli.
24He
PARTÍCULES β-
• Les partícules β- són electrons:
• Quan un nucli emet una patícula β-, el nombre màssic es manté invariable i el nombre atòmic augmenta en 1:
• Internament el que passa és que un neutró es transforma amb un protó
−10e
ep+n 0
1
1
1
1
0
e
e
A
+Z
A
Z
ν+e+NiCo
ν+e+YX
0
0
0
1
60
28
60
27
0
0
0
11
PARTÍCULES β+
• Les partícules β+ són positrons:
• Els positrons són electronspositius (són l’antipartícules delsl’electrons)
• Quan un nucli emet una patículaβ-, el nombre màssic es mantéinvariable i el nombre atòmicdisminueix en 1:
• Internament el que passa ésque un protó es transforma ambun neutró.
10e
eY+X A
Z
A
Z
0
11
en+p 0
1
1
0
1
1
CARACTERÍSTIQUES DE LES
PARTÍCULES β+ i β-
• Són partícules molt petites.
• Poden penetrar un gruix d’uns quants mil·límetres.
• La seva trajectòria no és lineal
• A velocitats petites, es recombina amb un àtom.
• Contaminació amb dany biològic i mediambiental.
CAPTURA ELECTRÒNICA K
• No és cap radiació del nucli, però la reacció nuclear és semblant.
• Un electró de la primera òrbita (k) és capturat pel nucli.
• Internament el que pasa és que un protó, al capturar l’electró, es transforma amb un neutró.
• el nombre màssic es manté invariable i el nombre atòmic disminueix en 1:
nep+ 1
0
0
1
1
1
YeX+ A
Z
A
Z 1
0
1
Cal adonar-se que en aquests processos hi ha un canvi de
identitat dels nucleons i es pot donar en qualsevol element i,
fins i tot, en un neutró aïllat.
El nucli resultant té el mateix número màssic que l’original
però ha canviat el seu número atòmic
1 1 0
0 1 1n p p n p e n
espontani No espontanis
En aquesta desintegració a més s’emet un neutrí () o
antineutrí.
RADIACIÓ
• El nucli emet energia en forma d’ona electromagnètica.
• Normalment després d’emetre una partícula β- el nucli queda
excitat.
• Es desexcita emeten un fotó: E=h.
• nombre màssic i el nombre atòmic es mantenen invariables.
• La reacció nuclear associada és:
γ+XX *
CARACTERÍSTIQUES DE LA
RADIACIÓ
• Té un gran poder de penetració: pot travessar
alguns centímetres de materials molt densos (plom).
• El seu poder d’ionització no és tant elevat.
• Té importància en irradiació i contaminació
mediambiental.
El tub Geiger-Muller és
un detector gasós en el
que un parell
d’electrodes recullen
parells electrón-ió
produits per la radiació
ionizant en els átoms i
molèculess del gas.
TUB GEIGER-MÜLLER
DETECTORS DE RADIACIÓ
Radiacions ionitzants: beneficis i riscos
• definició i propietats
• ionització de la matèria viva
• mesura de la radiació absorbida
(Gray i Sievert)
Radioactivitat naturalDescoberta per Becquerel a finals del segle XIX.
S’anomena així a totes les radiacions que venen de
fonts naturals:
-de la Terra
-dels raigs còsmics.
La Terra es va formar fa uns 4700 milions d’anys.
Tots els nuclis inestables de període de semidesintegració curt
ja s’han desintegrat fa temps i no han arribat a l’actualitat.
Ara bé els nuclis de períodes molt llargs si que han arribat a
l’actualitat i originen la major part de la radiació d’origen
terrestre.
30
Radionúclids cosmogènics:
Els raigs còsmics primaris procedents del sol, estrelles i espais
interestel·lars interaccionen amb els nuclis de l’alta atmosfera
(15 km aproximadament) donant lloc a nuclis radioactius i
partícules secundàries.
Principals radionúclids
creats pels raigs còsmics
Anem a posar alguns números.
Una persona “normal” emet entre 2000 i 3000 Bq provinents majoritàriament
del carboni-14 i del potassi-40 que porta en el seu cos.
Un mineral d’urani corrent (10% d’urani en massa) emet de l’ordre de
3.5·10-6 Ci/kg.
Les fonts utilitzades en gammagrafies entre 100 mCi i 1 Ci.
Les bombes de cobalt-60 per radioteràpia entre 2 i 5 kCi.
Les bombes de Hiroshima i Nagasaki, 1 minut després de l’explosió, 2·1012
Ci.
Sovint interessa la dosis de radiació absorbida, es mesura en Gray, 1 Gray =
1J/1kg.
No totes les radiacions produeixen el mateix efecte biològic. Llavors es
defineix la dosis equivalent, que és la dosis absorbida en un òrgan o teixit
ponderat en funció del tipus de radiació i que es mesura en Sievert (Sv)
RADIACTIVITAT NATURALEl Radó és una de las principals substàncies que
contribueix a la dosi que rebem de manera natural.
El Radó es un gas noble que es filtra hasta el interior de
nuestras casas desde el subsuelo sobretot d¡origen
granític
DOSIS MEDIA ANUAL PROVENIENTE DE RADIACIÓN NATURAL
Au
stria
Irlan
da
Italia
Lu
xem
bu
rgo
Ho
lan
da
No
rueg
a
Po
rtug
al
Esp
añ
a
Su
iza
UK
Au
stra
lia
Din
am
arc
a
Fin
lan
dia
Fra
ncia
Ale
man
ia
Gre
cia
Bélg
ica
Su
ecia
Rayos Cósmicos Gamma (Fuera) RadónGamma (Dentro)
EFECTES BIOLÒGICS DE LA
RADIACIÓ
• Altera el bon funcionament de les cèl·lules: les
ionitza.
• Les conseqüències sobre l’organisme:
• Somàtiques (si afecta a cèl.lules no
reproductives) pot originar càncer
Si l’intensitat és dèbil, o de curta durada, pot afectar
les cèl·lules sense destruir-les del tot i aleshores
elles mateixes tenen la capacitat de regenerar-se
• Genètiques. Si la radiació afecta a les cèl.lules
reproductives pot afectar al material genètic
produint mal formacions en els descendents
27 30
13 15Al Pa X b Y n
Radioactivitat artificial
És la radioactivitat que ve de fonts artificials o
antropogèniques. Actualment es “fabriquen” molts isòtops
radioactius que s’utilitzen en medicina, indústria o investigació.
Molts d’ells es fan servir com traçadors. Incorporats a una
molècula permeten seguir-la i veure quines modificacions té,
on s’acumula,...
Una de les primeres reaccions nuclears provocades va
permetre descobrir el neutró
De la fissió i la fusió nuclear en parlarem més
endavant
Llei de la desintegració radioactiva
Llei de la desintegració radioactiva
La desintegració d’un nucli inestable és un fenomen totalment
imprevisible que segueix lleis estadístiques.
És a dir podem saber quants nuclis inestables d’una mostra gran es
desintegraran en un període de temps determinat, però no sabem quins
nuclis ho faran.
La llei de la desintegració
segueix una equació del tipus:
N(t) = N0·e-t
On és la constant de desintegració radioactiva
pròpia de cada nucli,
N0 el número inicial de nuclis presents en la mostra,
i N(t) el número de nuclis present després d’un temps t
39
A la pràctica els nuclis radioactius
el període de semidesintegració T. És el temps que ha de
passar perquè es desintegri la meitat dels nuclis presents en
una mostra.
T = ln2 /
Una magnitud equivalent que es fa sevir menys és la vida
mitjana . És el temps que ha de passar perquè el número de
nuclis d’una mostra es redueixi en un factor e. Amb aquesta
definició = 1/
L’activitat d’una mostra es pot trobar multiplicant el número
de nuclis per la seva constant
A(t) = N(t)·
L’activitat és mesura en Becquerel (1 Bq = 1desintegració/s)
o en Curies (1 Ci = 3.7·1010Bq). L’activitat específica és
l’activitat per unitat de massa
Estabilitat nuclear
• Força nuclear forta versus força
electromagnètica
• Energia d’enllaç o defecte de massa
E=mc2
• Gràfica d’estabilitat dels nuclis
• Reaccions nuclears. Sèries radioactives
Estabilitat nuclear
L’estabilitat d’un nucli atòmic és el resultat de la suma de dues
forces oposades.
Per una banda tots els protons tenen càrrega positiva, i per
tant es refusen entre ells degut a forces electromagnètiques.
D’altra banda tots els nucleons s’atrauen entre si per la força
nuclear forta. Aquesta és més intensa que les forces
electromagnètiques però el seu abast és molt curt i en canvi el
de les forces electromagnètiques és infinit
Si predominen les atraccions el nucli serà estable, però si la
diferència entre atraccions i repulsions és petita el nucli no
serà suficientment estable i es desintegrarà. Aquest nucli serà
radioactiu
'A A
Z p n ZM X Zm A Z m M X
Introduint la massa de l’electró podem utilitzar la massa
atòmica de les taules. Aquest defecte de massa pot donar-
se en unitats de massa, però més sovint es dóna en unitats
d’energia, fent servir l’equació de la relativitat
E = ∆M·c2
Aquesta energia s’acostuma a donar dividida per A per tenir
l’energia d’enllaç per nucleó i poder fer comparacions
Quantitativament podem mesurar l’estabilitat dels nuclis
amb el seu “defecte de massa”. És a dir la diferència entre
la massa del nucli i la suma de les masses dels seus
nucleons
Aquesta gràfica
mostra la relació entre
el nombre de protons i
el de neutrons en els
nuclis estables.
És fàcil entendre que
en els nuclis grans la
proporció de neutrons
haurà de ser més
gran. La majoria de
nuclis estables tenen
números parells de
protons i neutrons,
només uns pocs
tenen números
senars.
45
Actualment no sabem com és
realment un nucli atòmic. Tenim dos
models que expliquen algunes de
les propietats dels nuclis.
El Model de la gota treballa el nucli
com si fos una gota de fluid
incompressible. És un model molt
senzill però explica una part
important de les propietats dels
nuclis, en particular de la fissió i
fusió.El Model de capes Col·loca els nucleons en capes, com els
electrons al voltant del nucli. Però la diferència és important i
encara estem lluny d’un model satisfactori
46
47
Sèrie 4n del toriObserveu que cada emissió
comporta una disminució en 2
unitats de Z i de N.
Observeu que tots els
elements de la sèrie 4n són
divisibles de 4.
Les altres sèries també
segueixen aquesta propietat.
La línia discontínua és la línia
d’estabilitat i n’observem les
desintegracions de la sèrie per
tal de mantenir la relació de
protons i neutrons marcada
per aquesta línia.
Les energies de les partícules
d’aquestes sèries naturals
tenen una energia que va de 4
a 7 MeV.
Fissió nuclear
• Centrals nuclears de fissió
• Armes nuclears: bombes A
• Residus nuclears
FISSIÓ NUCLEAR
• Un nucli pesat es trenca en dos nuclis al
bombardejar-los amb neutrons que tenen una
energia de l’ordre de 1MeV.
BOMBES NUCLEARS
• Cronologia històrica:
– Any 1944: en la base militar de “Los Àlamos (Nuevo
Méjico)” Texas es reuneixen el científics per
estudiar el nucli i fer proves.
– 16 de juliol de 1945: prova termonuclear en el
desert .
– 6 d’agost de 1945: bomba d’urani sobre Hiroshima.
– 9 d’agost de 1945: bomba de plutoni sobre
Nagasaki.
– 10 d’agost de 1945: el Japó es rendeix.
POTÈNCIA DE LES BOMBES
NUCLEARS
• La potència d’una bomba nuclear s’expressa
en kilotons (kt) o megatons (mt):
– Tonelades de l’explosiu més fort convencional: la
TRILITA (trinitrotoluè)
• La bomba de Hiroshima: 20 kt
• Han anat augmentant la potència: 100
kt.....500 kt
• Bomba “H”: 20 mt
EFECTES BOMBA HIROSHIMA
distància velocitat danys materials personals (m) vent (km/h) – 750 800 destrucció destrucció
total total– 1250 450 destrucció murs 50% morts
fins a 50 cm entre 2 i 12 set.– 1600 300 esquerdes murs cremades de
de formigó 3r grau– 2400 160 grans desperfectes cremades de
en els edificis 2n grau– 3300 80 sostres arrencats cremades de
1r grau • Desperfectes materials de menor importància fins a 12.000 m.
Video: uranio y
radioactividad
Fusió nuclear
• Energia del Sol
• Centrals nuclears de fusió: el projecte
ITER
• Armes nuclears: la bomba H
FUSIÓ NUCLEAR
• Es fan col·lisionar dos nuclis lleugers a gran velocitat
fins a aconseguir un nucli més gran i energia.
• Per aconseguir la fisió cal escalfar els àtoms fins a
temperatures de centenars de milions de graus
centígrads.
• A aquestes temperatures els àtoms s’ionitzen
totalment perdent tots els seus electrons. És el
plasma.
D:\Fisica en context 2 BTX\3 fisica moderna\fusion.swf
FUSIÓ NUCLEAR
• La majoria dels experiments de fusió es fan per
confinament del plasma en un camp magnètic.
• L’energia s’obté del defecte de massa:
– La massa del nucli més passat és més petita que la
massa dels nuclis abans de fusionar-se.
– Aquesta massa s’ha transformat en energia:
E=Δm.c2.
• El sol i les estrelles son immenses centrals de fusió:
– El deuteri i el triti es transforma en heli.
E+nHe+HH+ 1
0
4
2
3
1
2
1
La fusión nuclear se produce
cuando dos núcleos de
elementos ligeros (como el
hidrógeno) se fusionan para
dar lugar a elementos
pesados, desprendiendo una
enorme cantidad de energía.
La diferencia entre la suma de
las masas individuales de los
nucleones y la masa del
núcleo es igual a la energía de
enlace: (E=m.c2)
El ITER es un proyecto de colaboración internacional para el desarrollo de
la fusión nuclear en el que están trabajando científicos e ingenieros de
Canadá, Europa, Japón y Rusia.
El proyecto ITER tiene como objetivo estudiar la viabilidad tecnológica de la fusión nuclear como fuente energética.
Se producíría la fusión por confinamiento magnético: Tokamat
El plasma se calienta y se mantiene confinado en una cámara de vacío de forma toroidal.
En el ITER unas bobinas magnéticas superconductoras situadas alrededor del recipiente toroidal confinan y controlan una mezcla de partículas cargadas – el plasma – e inducen una corriente eléctrica a través de ella.
Las reacciones de fusión tienen lugar cuando el plasma está suficientemente caliente, es suficientemente denso y contiene durante suficiente tiempo los núcleos atómicos en el plasma para que empiecen a fusionar.Para conseguir sus objetivos el ITER será mucho más grande que el mayor tokamak existente y su rendimiento de fusión esperado será varias veces mayor.
Potencia total de fusión: 500 MW
Mayor radio del plasma: 6.2 m
Menor radio del plasma: 2.0 m
Corriente del plasma: 15 MA
Campo magnético toroidal: 5.3 T
Volumen del plasma: 837 m3
Superficie del plasma: 678 m2
http://www.iter.org/
http://www-fusion.ciemat.es/fusion/iter/itergrafico.html
http://www.cdti.es/webCDTI/esp/docs/cern/Introduccion_Iter.PDF