estructura nuclear. ¿ cÓmo es posible que un nucleido se transforme en otro? el átomo fue...
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ESTRUCTURA NUCLEARESTRUCTURA NUCLEAR
¿ CÓMO ES POSIBLE QUE UN NUCLEIDO ¿ CÓMO ES POSIBLE QUE UN NUCLEIDO SE TRANSFORME EN OTRO?SE TRANSFORME EN OTRO?
El átomo fue considerado ya por algunos filósofos griegos la unidad última de la materia.
Su inmutabilidad fue reafirmada por el hecho de que intervienen en las reacciones químicas manteniendo su identidad.El descubrimiento de la radiactividad obligó a los científicos a replantearse las teorías sobre la estructura de la materia.
COMIENZA EL LARGO
CAMINO DE LA
BÚSQUEDA DE LO MÁS SIMPLE!!!
ORIGEN DE LA RADIACTIVIDADORIGEN DE LA RADIACTIVIDAD
La radiactividad es un fenómeno nuclear.
Las causas de la
inestabilidad nuclear se encuentran
en su estructura .
ESTRUCTURA NUCLEARESTRUCTURA NUCLEAR
Las partículas básicas que constituyen el núcleo son protones y neutrones (nucleones).La distribución de los nucleones dentro del núcleo determina la energía de éste.
Existe un estado fundamental nuclear y estados excitados.
La desexcitación del núcleo va acompañada, al igual que la de los electrones, por la emisión de radiación electromagnética (radiación ).
TAMAÑO DEL NUCLEOTAMAÑO DEL NUCLEO
El núcleo ocupa una fracción muy pequeña del volumen atómico.
Radio atómico 10-8 cmRadio nuclear 10-12 cm
¿ QUÉ ES EL RADIO ¿ QUÉ ES EL RADIO NUCLEAR?NUCLEAR?
RADIO DE DISTRIBUCION DE CARGASRADIO DE DISTRIBUCION DE CARGAS
El tamaño del núcleo se define en base al radio medio (Re), distancia a la cuál la
densidad de carga positiva disminuye a la mitad.
Para todos los núcleos se cumple la ecuación empírica:
R = roA1/3 (ro = 1.1 – 1.6 x10-15 m)
Su densidad es, por lo tanto, constante y vale aproximadamente 1.2 x 10 14 g/cm3.
V A y como M A
Los nucleones se encuentran densamente empacados y el volumen total del núcleo es la suma del volumen de los nucleones.
CONCLUSIONESCONCLUSIONES
En núcleos con Z>1 se genera una importante fuerza de repulsión electrostática.Para que el núcleo sea estable debe existir una fuerza atractiva intensa que supere dicha repulsión: LA FUERZA NUCLEAR.
Es ligeramente mayor al radio de distribución de carga.
RADIO DE ACCIÓN DE LAS FUERZAS RADIO DE ACCIÓN DE LAS FUERZAS NUCLEARESNUCLEARES
Se determina utilizando protones o neutrones
como partícula de
prueba.
El núcleo puede visualizarse como un pozo de energía potencial en el que se encuentran atrapados los nucleones.
Existe una barrera de potencial para partículas positivamente cargadas que debe superarse tanto para entrar como para salir.
B Z1 x Z2
RPara el neutrón, por carecer de carga eléctrica, no existe barrera de potencial.
EL POZO DE POTENCIAL NUCLEAREL POZO DE POTENCIAL NUCLEAR
Mediante la acción de las fuerzas fuerzas nucleares.nucleares.
¿ CÓMO SE MANTIENEN UNIDOS LOS ¿ CÓMO SE MANTIENEN UNIDOS LOS NUCLEONES ?NUCLEONES ?
Son fuerzas atractivas entre los nucleones.Son de rango muy corto (~2x10-13 cm). Son extremadamente intensas (100 veces mayores que las electromagnéticas y 1035 veces superiores a la gravedad.
Se producen por intercambio de partículas virtuales, los gluones.
Son independientes de la carga.
Las partículas virtuales no existen dentro del núcleo, sino que tienen una vida muy breve determinada por el principio de incertidumbre de Heisemberg.
E x t < h/2
Yukawa postuló en 1935 que las fuerzas nucleares se producen por intercambio entre 2 nucleones de una partícula nueva: el mesón .
El mesón es una partícula virtual de masa aprox. 1/9 x masa del protón y vida media muy corta.
Puede tener carga positiva, negativa o nula.
TEORÍA DE YUKAWA DE LAS TEORÍA DE YUKAWA DE LAS FUERZAS NUCLEARESFUERZAS NUCLEARES
1.- Fuerza p- p
pA+ n
A0 + +
++nB0 pB
+
2.- Fuerza p- n
pA+ p
A+ + 0
0+nB0 nB
0
3.- Fuerza n-n
nA0 pA
+ + -
-+pB+ nB
0
¿ CÓMO SE PRODUCEN LAS FUERZAS?¿ CÓMO SE PRODUCEN LAS FUERZAS?
Vida media del mesón :
t < h 2 E
E x t < h 2
Y como m = 1/9mp
t < 6x10-24 s
t < h 2 mc2
Rango de acción de las fuerzas nucleares :
Si suponemos velocidad del mesón = c
Distancia = c x t
distancia = 2x10-15m
= Rango de acción de las fuerzas nucleares
PARTÍCULAS SUBATÓMICASPARTÍCULAS SUBATÓMICAS
El avance de la Ciencia Nuclear experimental permitió determinar que existen más de 100 tipos diferentes de partículas subatómicas.
Partícula y antipartícula experimentan el fenómeno de aniquilación.
Cada partícula tiene su antipartícula.
Cada uno de ellos se caracteriza por propiedades como masa, carga, spin y momento magnético total y tipo de fuerza que experimentan.
Algunas de ellas son elementales (sin estructura), otras en cambio están constituídas por unión de otras.
Las partículas elementales son de 3 tipos: quarks, leptones y bosones.
Los nucleones no son partículas elementales sino que están compuestas por combinación de quarks.
Fuerza Rango Intensidad Partícula a 10 -15m Carrier
Gravedad Infinito 10-35
Gravitón
Electromag- Infinito 10-2 Fotónnetismo
Fuerza débil < 10-15 m 10-13 Bosones
Fuerza fuerte < 10-15 m 1 Gluón
Son las partículas elementales que experimentan la interacción fuerte.
QUARKSQUARKS
Presentan carga eléctrica fraccionaria: -1/3 e ó + 2/3 e.
No se encuentran aisladas, sino formando grupos de 3 quarks, 3 antiquarks o 1 quark + 1 antiquark.
Existen 6 tipos de quarks y otros tantos antiquarks
Nombre Símbolo Masa en reposo Carga (MeV/c2)
Up u 310 2/3
Down d 310 -1/3 Charm c 1500 2/3
Strange s 505 -1/3
Top/Truth t >22500 2/3
Botton/beauty b 5000 -1/3
CLASIFICACION DE LOS CLASIFICACION DE LOS QUARKSQUARKS
LOS HADRONESLOS HADRONES
Los mesones están formados por un quark up y un anti down.
Son partículas compuestas formadas por quarks.Se dividen en bariones, formados por tres quarks o tres antiquarks, y mesones compuestos por un quark y un antiquark.
Los protones (u,u,d) y neutrones (u,d,d) son bariones.
La fuerza fuerte mantiene unidos a los quarks. La fuerza nuclear se debe en realidad a la atracción residual entre los quarks que forman los nucleones.
Existen 6 leptones, 3 cargados negativamente y 3 neutros, junto con sus correspondientes antipartículas:
Los leptones negativos incluyen al electrón, partícula y partícula . Los leptones neutros incluyen al neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico.
LOS LEPTONESLOS LEPTONES
Son las partículas elementales que experimentan la fuerza débil.
Se encuentran aisladas.
Son las partículas portadoras de fuerza.
LOS BOSONESLOS BOSONES
Incluyen a los fotones, los gluones, los bosones W+, W- y Z y a los gravitones (aun no descubiertos).
Son partículas virtuales
MODELO STANDARDMODELO STANDARD
La materia está constituída solamente por 6 quarks, 6 leptones y 6 bosones.
Divide a quarks y leptones en 3 familias de acuerdo con su masa.
La materia estable que nos rodea es aun mas simple, ya que está formada exclusivamente por los 2 quarks mas livianos (u y d) y los electrones.
Primer familia - Formada por los quarks y leptones mas livianos: quarks up y down y electrones y neutrinos electrónicos, además de sus antipartículas correspondientes.
Tercer familia - Formada por los quarks y leptones más pesados: quarks top y botton, partículas y neutrinos tauónicos, además de sus antipartículas correspondientes.
Segunda familia - Formada por los quarks y leptones de masa intermedia: quarks charm y strange, partículas y neutrinos muónicos, ademas de sus antipartículas correspondientes.
Mediante aceleradores de partículas de muy alta energía, los que permiten “crear” y estudiar partículas subatómicas.
¿CÓMO SE HAN ¿CÓMO SE HAN DESCUBIERTO DESCUBIERTO
ESTAS PARTÍCULAS?ESTAS PARTÍCULAS?
Fermilab (USA): 6.4 Km de circunferencia Energía 1 TeV
Descubrimiento de los quark botton y top en el Fermilab (1977 y 1995, respectivamente).
¿FIN DE LA BUSQUEDA DE LO MÁS
SIMPLE?
ESTABILIDAD NUCLEARESTABILIDAD NUCLEAR
El núcleo es intrínsecamente inestable debido a la repulsión electrostática entre los protones.
El balance repulsión-atracción determina si un nucleido es estable o radiactivo.
La relación entre N y Z es de fundamental importancia en dicho balance.
RELACION N/Z RELACION N/Z Y ESTABILIDAD NUCLEARY ESTABILIDAD NUCLEAR
Cada elemento puede tener varios nucleidos estables. Estos nucleidos constituyen el “cinturón de estabilidad”.
Estudiando la relación N/Z de los nucleidos estables vemos que:
Si Z < 20 N/Z 1
Si 20 < Z < 83 1 < N/Z < 1.5
Si Z > 83 todos los nucleidos
son radiactivos
Cuando N/Z cae fuera del “cinturón de estabilidad” el nucleido es radiactivo.
El modo de decaimiento más probable será aquel que lo acerque a la estabilidad:
n p+ + e- Emisión -
p+ n + e+ Emisión +
Si N/Z >estabilidad
Si N/Z < estabilidad
Capturaelectrónica
p+ + e-
n
9C 0.50 + 10C 0.67 +
11C 0.83 +
Modos de decaimiento de los isótopos del Carbono
Isótopo N/Z Tipo de
decaimiento
12C 1.0 estable13C 1.17 estable14C 1.33 -
15C 1.50 -
16C 1.67 -
63Cu 1.17 estable
65Cu 1.24 estable
Modos de decaimiento de los isótopos del Cobre
Isótopo N/Z Tipo de
decaimiento57Cu - 62Cu 0.97 - 1.14 +
66Cu - 69Cu 1.28 - 1.38 -
64Cu 1.21 + , -
Los radionucleidos con Z > 83 deben disminuir rápidamente la cantidad total de nucleones para acercarse a la estabilidad.Esto se logra a través de la emisión :
AZX A-4
Z-2Y + 42He
Partícula
Además de estos modos básicos de decaimiento existen otros menos frecuentes: fisión espontánea emisión de protones emisión de fragmentos pesados
En estos procesos de transformación el núcleo puede quedar con un exceso de energía (estado excitado nuclear). El decaimiento al estado fundamental se produce por emisión de radiación .
¿ PORQUÉ EL NÚCLEO NO EMITE LAS PORQUÉ EL NÚCLEO NO EMITE LAS PARTÍCULAS QUE LO CONSTITUYEN?PARTÍCULAS QUE LO CONSTITUYEN?
El camino por el cual el núcleo libera su exceso de energía será el energéticamente más favorable.
Aún para los nucleidos radiactivos la existencia del núcleo como tal es más favorable que la separación en los nucleones que lo constituyen.
Esa diferencia se denomina defecto de masa y es equivalente a la cantidad de energía que el núcleo gasta en mantener juntos a sus nucleones ( energía de ligadura).
La masa de un átomo es siempre menor que la suma de las masas de las partículas que lo constituyen.
ESTABILIDAD DEL NÚCLEOESTABILIDAD DEL NÚCLEO
La energía de ligadura/nucleón es una medida de la estabilidad del núcleo.
1.- 12Cm 12C = 6 x (mp + mn + me) - 12.0000 = 0.0989436 umas. El 12C = 92.166 MeVEl/nucleón 12C = 7.68 MeV/nucleón
EJEMPLOSEJEMPLOS
2.- 14C
m 14C = 6 x (mp + me)+ 8 x + mn – 14.003242 = 0.113034 umas.
El 12C = 105.29 MeV
El/nucleón 12C = 7.52 MeV/nucleón
ENERGIA DE LIGADURA POR ENERGIA DE LIGADURA POR NUCLEON vs A PARA NUCLEIDOS DE NUCLEON vs A PARA NUCLEIDOS DE
A<11A<11
La El/A de los nucleidos aumenta al aumentar el número de nucleones.La El/A de los nucleidos con Z y N par es más alta que la de sus vecinos .
OBSERVACIONESOBSERVACIONES
CONCLUSIONESCONCLUSIONESLa fusión de 2 núcleos livianos para dar un núcleo mayor es un proceso que libera energía.Existen “números mágicos” de nucleones que favorecen la estabilidad del núcleo. Este es un argumento a favor del modelo de capas para la estructura nuclear.
ENERGIA DE LIGADURA POR ENERGIA DE LIGADURA POR NUCLEON NUCLEON
vs A PARA NUCLEIDOS DE A>11vs A PARA NUCLEIDOS DE A>11
OBSERVACIONESOBSERVACIONESLa El/A presenta un máximo para A ~ 60. En esa zona se encuentran los nucleidos más abundantes en la corteza terrestre.La El/A disminuye hacia ambos lados de dicho máximo.
CONCLUSIONESCONCLUSIONESLos nucleidos más abundantes son los más estables. Su mayor El/A es un reflejo de esa estabilidad.La fisión de 1 núcleo pesado para dar 2 núcleos menores pero de mayor El/A es un proceso que libera energía.