la física nuclear
TRANSCRIPT
La Física nuclear
Consuelo Batalla García
INS Valldemossa
Barcelona
El nucli atòmic. L’estabilitat nuclear. La radioactivitat. Desintegracions radioactives. Fissió nuclear Fusió nuclear. Aplicacions dels processos nuclears. Producció d’electricitat. Mesures de protecció. Radiacions ionitzants.
Àtom
Nucli Orbitals
Mida (radi) 10-14 m 10-10 m
Partícules Protó Neutró Electró
Càrrega + 1,6 · 10-19 C 0 C - 1,6 · 10-19 C
Massa 1,673 · 10-27 kg 1,675 · 10-27 kg 9,110 · 10-231 kg
Energia d'enllaç per nucleó en funció del nombre de nucleons del nucli (A):
Representació del nombre de neutrons (N) enfront del nombre de protons (Z):
Nucleons Núclids totals Núclids estables
Z parell – N parell 168 150
Z parell – N senar 57 53
Z senar – N parell 53 51
Z senar – N senar 9 4
Radioactivitat natural:
Henri Becquerel (1852-1908): el 1896 va descobrir l'emissió espontània de
radiacions.
Ernest Rutherford el 1899 va descobrir compostos d’urani que produïen tres
tipus de radiació diferent (alfa, beta i gamma).
Marie Curie (1859-1906) i el seu marit, Pierre Curie (1867-1934), van
complementar els estudis sobre les radiacions emeses.
Tipus de radiacions:
Lleis del desplaçament radioactiu. Lleis de Fajans-Soddy
1. Primera llei: quan un núclid emet una partícula α es transforma en un altrenúclid, en el qual el nombre atòmic disminueix en dues unitats, i el nombre demassa, en quatre:
2. Segona llei: quan un núclid emet una partícula β es transforma en un altrenúclid, en el qual el nombre atòmic augmenta en una unitat i el nombre de massano varia:
3. Tercera llei: quan un núclid emet radiació γ continua sent el mateix núclid, peròen un estat energètic diferent:
Desintegració : el nucli final té dos protons i dos neutrons menys que el nucli inicial. El nombre total de protons i neutrons es conserva en el procés de desintegració:
22688Ra → 222
86Rn + 42He
Desintegracions : van acompanyades d’un neutrí, (partícula energètica neutra de massa pràcticament nul·la, confirmada el 1953 i el 1956 per Reines i Cowan):
146C → 14
7N + e- +
Desintegració + (només es posa de manifest en nuclis radioactius produïts artificialment en reaccions nuclears) :
2513Al → 25
12Mg + e+ +
Desintegració (emissions similars als raigs X): un estat excitat es desintegra en unaltre que té menys energia. La radioactivitat pot manifestar-se sola oconjuntament amb la radioactivitat o , ja que en les desintegracions i moltes vegades els nuclis que es formen es troben en estats excitats.
Cinètica desintegració radioactiva:
Activitat radioactiva (A):
Període de semidesintegració (T) :
Vida mitjana (τ):
Sèries o famílies radioactives:
Datació amb carboni-14:
Radioactivitat artificial:
Frédéric Joliot (1900-1958) i Irene Joliot-Curie (1897-1956) són els primers a obtenir isòtops radioactius de manera artificial el 1934:
Centrals elèctriques
Medicina: Diagnòstic
Tractament
Núclid Emissió Vida mitjana Aplicacions
Tc-99 γ 6 h Obtenció d’imatges de
Pulmó, fetge, cervell…
F-18 β- 110 min Tomografia per emissió
de positrons (PET)
I-131 β- 8 dies Tractament de tiroide
Ga-67 γ 78 h Tractament de limfomes
Tl-201 γ 73 h Proves cardíaques
Co-60 β-, γ 5,26 anys Radioteràpia
Indústria
Núclid Emissió Vida mitjana Aplicacions
Ir-192 β- 74 dies Examinar soldadures, detectarfissures en planxes d’acer…
Ba-140 β- 12,8 dies Seguir la circulació del petroli dins dels oleoductes
Am-241 α 458 anys En detectors d’incendis
Co-60 β-, γ 5,26 anys Conèixer el desgast de planxes metàl·liques o de les parets d’un alt forn
Investigació:
Tècniques d’anàlisi: per detectar quantitats molt baixes d’un
element químic
Traçadors: per conèixer cicles metabòlics, el mecanisme d’una
reacció química, etc.
Datació: El C-14 s’utilitza per datar restes arqueològics
Esquema d’una central nuclear
Seguretat de les instal·lacions de la central nuclear.
1. Escollir un emplaçament adequat.
2. Col·locar el nucli del reactor dins un recipient d’acer per evitar que surti la radiació que, amb elgenerador de vapor, es posa dins un edifici de contenció de formigó armat.
3. Disposar del projecte detallat de tots els components del sistema del reactor.
4. Programar totes les operacions de manteniment i el procediment que s’ha de seguir en situacions tantnormals com anormals.
5. Disposar de mesures precaució per evitar que, en cas d’accident o escapament de productes de fissió,aquests no s’estenguin a les zones circumdants.
6. Compensar augments anormals de temperatura amb una disminució de la potència del reactor.
7. Els mecanismes que accionen les barres de control han d’estar coordinats i perfectament dirigits.
8. Prevenir les accions que s’han de prendre en cas d’una fallada de les barres de control, tall de l’energiaelèctrica, errors instrumentals, etc.
Protecció de les persones
Quan un treballador opera en una zona perillosa ha d’estar acompanyat per un supervisor de radiacions, el qual supervisarà el màxim temps de permanència en la citada zona. En aquests casos l’operari ha de portar una roba adequada, que deixarà a la sortida de la instal·lació perquè sigui descontaminada o eliminada segons els casos.
Quan la jornada laboral acaba, el personal que ha treballat en una zona de perill ha de sotmetre’s a un control rigorós.
Gestió de residus radioactius
Els residus de vida curta i activitat mitjana s’envasen dins contenidors d’acer o formigó per evitar que la radiació surti a l’exterior i s’emmagatzemen a la superfície.
Els residus de vida llarga i amb una activitat elevada, s’emmagatzemen en formacions geològiques profundes, estables i impermeables.
Radiacions ionitzants: en interaccionar amb la matèria, arrenquen electrons dels seus àtoms i provoquenl’aparició de ions.
Tipus de radiacions ionitzants: emissions α, β i γ (processos radioactius); emissions de neutrons, pions omuons (raigs còsmics o acceleradors de partícules d’alta energia); raigs X (tubs de buit sotmès a voltatgeselevats).
Més del 80 % de les radiacions ionitzants a què estem exposats procedeixen de fonts naturals
com a l’aire (C-14 o Rn-222), els aliments (U-238 o Na-24), les roques i materials de construcció (K-40).
El 20 % restant està associat a reactors nuclears, acceleradors de partícules o aparells de radiologia.
Unitats per valorar les radiacions ionitzants:
• Roentgen: equival a l’exposició a una unitat electrostàtica de càrrega (la càrrega d’1 electró) alliberadaen 1 cm3 d’aire sec.
• Gray (Gy): unitat del SI equivalent a l’absorció d’un joule per quilogram de material irradiat. Tambés’utilitza el rad (unitat de radiació), que equival a una centèsima part del gray.
• Sievert (Sv): unitat del SI que mesura la dosi de radiació absorbida per la matèria viva corregida pelspossibles efectes biològics que provoca. Coincideix amb el gray per a les radiacions electromagnètiques iels electrons, el factor corrector per a les radiacions alfa és de 20.
Comptador Geiger
Efectes produïts per les radiacions
De 0 a 250 mGray: no s’han detectat efectes adversos.
Entre 250 i 1.000 mGray: nàusees i una lleugera reducció dels glòbuls blancs.
Entre 1.000 i 2.500 mGray: vòmits i reducció dels glòbuls blancs. La recuperació està assegurada.
Entre 2.500 i 5.000 mGray: la salut es perjudica greument. Es requereix hospitalització.
Més de 5.000 mGray: és molt probable que es produeixi la mort.