FÍSICA

8. Física Nuclear.

1. Núcleo atómico; fuerzas nucleares.

2. Estabilidad nuclear; energía de enlace.

3. Radiactividad; leyes.

4. Reacciones nucleares; fisión y fusión.

5. Aplicaciones de la radiactividad y de las reacciones nucleares.

1.Núcleo atómico; fuerzas nucleares.

Rutherford, en 1910, bombardeando una lámina metálica con partículas alfa, descubre que el átomo es en su mayor parte espacio vacío. La mayor parte de la masa está concentrada en un núcleo, de tamaño muy pequeño y carga positiva.

Aparición del núcleo

Estructura NuclearPosteriormente al modelo de Rutherford fueron descubiertas nuevas partículas que demostraban la estructura del núcleo:

Hoy día se sigue estudiando la estructura nuclear, descubriéndose constantemente nuevas partículas subatómicas y nucleares (más de doscientas en la actualidad).

Partícula

Descubrimiento Símbolo

Masa (u) Carga (C)

Protón Rutherford, 1919

Neutrón Chadwick, 1932 0

11 p

10 n

1,0073

1,0086

191,6·10

Características del núcleo

Partículas Nucleones (protones y neutrones)

Tamaño 10-15 m

Densidad 1,5·1018 Kg/m3

Nº atómico(Z) Nº de protones. Identifica al elemento.

Nº másico(A) Protones + neutrones. Indica la masa aproximada.

Nucleidos o NúclidosCada uno de los tipos de núcleo.

Isótopos

Isóbaros

Isótonos Igual número de neutrones.

Isómeros

Z , A. Del mismo elemento con masa. Z , =A. Distinto elemento con = masa.

Z , A. Distinta distribución y por tanto energía.

AZ X

Fuerzas nucleares; Interacción Nuclear Fuerte

Propuesta por Hideki Yukawa (1934), fuerza que hace que los protones puedan permanecer unidos dentro de un núcleo y que se opone a la fuerza de repulsión electrostática.

Características• Afecta a nucleones.• Atractiva y de muy corto alcance (10-15 m),

prácticamente nula para distancias mayores.• La más fuerte de las interacciones de la

naturaleza.• Independiente de la carga.

Las energías de enlace de los núcleos son muy grandes en comparación con las energías electrónicas en un átomo. Esta misma diferencia se manifiesta entre los procesos químicos (energía eléctrica) y los procesos nucleares (energía nuclear).

2. Estabilidad nuclear; energía de enlace.

Un núcleo es estable si su energía es menor que la energía de las partículas por separado. Es decir, si al formarse, ha desprendido energía. Para romper el núcleo será necesaria dicha energía.

Equivalencia masa-energía: Albert Einstein

Una de las consecuencias de la Teoría de la Relatividad es que la masa de un cuerpo puede transformarse íntegramente en energía, y viceversa.

En una reacción nuclear no se conserva la masa, sino la energía.

2E mc

Defecto de masa: Energía de Enlace

Defecto de masa: diferencia entre la masa de un núcleo y la suma de las masas de cada una de los nucleones que lo forman (masa teórica).

real teóricam m m

real i real npm m m m Z·m A Z ·m

Energía de enlace: cantidad de energía desprendida en la formación de un núcleo debido a la pérdida de masa del proceso.

2eE m·c

Coincide pues con la cantidad de energía necesaria para descomponer un núcleo en sus partículas.

Energía de enlace promedio por nucleón. A mayor valor, mayor estabilidad del núcleo.

en

EE

A

Crece con A en los núcleos ligeros, hasta llegar al Hierro (núcleos más estables). En los núcleos pesados disminuye con A. Consecuencias:

1. La unión de dos núcleos ligeros (fusión), desprenderá energía.

2. La ruptura de un núcleo pesado (fisión) también desprenderá energía.

Energía de enlace por nucleón

Núcleos estables y radiactivos

Estables: no se descomponen en otros espontáneamente.

Inestables o radiactivos: se descomponen liberando partículas y transformándose en otros nucleidos al cabo de un tiempo.• Núcleos estables ligeros: Z=N.

• Núcleos estables pesados. N=1,5Z.

• Núcleos inestables: fuera de esta zona.

3. Radiactividad; leyes.

Emisión de radiación por parte de algunas sustancias, que se denominan radiactivas. Puede ser espontánea (radiactividad natural), o producida por el ser humano (radiactividad artificial).

Es un fenómeno nuclear, que emite partículas de su interior, por tanto el número de partículas del núcleo cambia, es decir, la sustancia inicial puede transformarse en otra totalmente diferente. HistoriaBequerel (1896) observó que unas sales de uranio situadas sobre su mesa ennegrecían las placas fotográficas que se encontraban dentro de uno de los cajones.

Marie y Pierre Curie (1898) descubrieron nuevas sustancias con este efecto: el polonio y el radio.

Radiactividad NaturalTipos:

Radiación αRadiación βRadiación γ

Leyes de desplazamiento de Soddy-Fajans1. Cuando un núcleo emite una partícula α, se transforma

en un núcleo del elemento situado dos lugares a la izquierda en la tabla periódica. Es decir, Z disminuye en dos unidades.

2. Cuando un núcleo emite una partícula β, se transforma en un núcleo del elemento situado un lugar a la derecha en la tabla periódica. Es decir, Z aumenta una unidad.

3. Cuando un núcleo emite radiación γ, continúa siendo del mismo elemento químico.

Naturaleza de las partículas radiactivas

Radiación Proceso

α Núcleo de Helio

β Electrón

γ Fotón

4 22 He A A 4 4

Z Z 2 2X Y

01e

A A 0 0Z Z 1 1 0 eX Y

00 A * A 0

Z Z 0X X

Antineutrino: antipartícula del neutrino, introducido teóricamente por Pauli (1930), para hacer cumplir el principio de conservación de la energía y del momento angular. Detectado experimentalmente en 1957.

00 e

1 1 0 00 1 1 0 en p e

Comparación entre las partículas radiactivas

A menor tamaño de partícula mayor capacidad de penetración.

Composición Desviación-Carga

Ley de desintregración radiactivaLa cantidad de sustancia inicial va disminuyendo a medida que emite radiación. La velocidad de esta disminución depende de dos factores:

1. Naturaleza de la sustancia: marcada por la constante de desintegración (λ).

2. Número de núcleos en cada instante (N).

dN·N

dt

Velocidad de desintegración (número de desintegraciones por segundo en cada instante).

dN

dt

Actividad

Unidades:• Bequerel (Bq), unidad

del SI.• Curie (Ci).

1 desint.1Bq

1s 10

1 Ci

3,7·10 Bq

Desarrollo

0 0

N t

N t0

dN dN dN N·N ·dt ·dt ln · t

dt N N N

· t · t0

0

Ne N N ·e

N

Vida Media (τ)Promedio de tiempo que tarda

en desintegrarse un núcleo. 0N 1N

e

Periodo de semidesintegración (T1/2)

Tiempo que tarda la cantidad inicial de núcleos en reducirse a la mitad. 0

1/ 2 1/ 2

N ln 2N T T

2

Familias radiactivas

Conjunto de nucleidos intermedios que se producen tras las sucesivas desintegraciones a partir de nucleidos pesados inestables. En la naturaleza existen cuatro:

Familia A Inicial T1/2 (años) Final

Torio 4n 1,4·1010

Neptunio 4n+1 2,2·106

Uranio-Radio 4n+2 4,5·109

Uranio-Actinio

4n+3 7,2·108

23290Th

23793 Np

23892U

23592U

20882 Pb

20983 Bi

20682 Pb

20782 Pb

4. Reacciones nucleares; fisión y fusión.Radiactividad artificial

Se pueden conseguir artificialmente transformaciones en los núcleos "bombardeándolos" con partículas. El núcleo absorbe dicha partícula y emite otras, transformándose así en otro elemento diferente pudiendo llegar incluso a romperse en varios núcleos más pequeños.

Magnitudes constantes en una reacción nuclear:• Energía (E).

• Cantidad de movimiento (p).• Carga eléctrica (Q).

• Número total de nucleones (ΣA).• Suma de números atómicos (ΣZ).

Representación de reacciones nucleares

A A' Z A'Z Z' A Z'X a Y b X a,b Y

Energía que se absorbe o se desprende en la reacción nuclear. Debida a la transformación de parte de la masa de las partículas en energía.

Energía de la reacción (Er)

2 2r productos reactivosE m·c m m ·c

• Si Er<0, reacción exotérmica, ocurrirá espontáneamente.

• Si Er>0, reacción endotérmica, no ocurrirá espontáneamente.

Fisión NuclearRotura de un núcleo pesado (principalmente 235U o 239Pu) en otros más pequeños, al ser bombardeados (normalmente con neutrones). Generalmente va acompañada de desprendimiento de varios neutrones y energía.

Reacciones más comunes:

235 1 144 89 192 0 56 36 0

235 1 137 97 192 0 52 40 0

U n Ba Kr 3 n

U n Te Zr 2 n

rE 200MeV / núcleo U

Cada reacción desprende mayor número de neutrones de los que absorbe. Estos neutrones podrán chocar con nuevos núcleos, produciéndose una reacción en cadena.

Central nuclear de fisiónEl calor desprendido durante la fisión se transforma en energía cinética del vapor de agua que mueve una turbina que produce corriente eléctrica.

Se necesita una determinada masa crítica para que la reacción en cadena tenga lugar.

Muy importante un sistema de control sobre la reacción y un sistema de refrigeración de los reactores.

Fusión NuclearUnión de dos núcleos ligeros para formar uno solo. Va acompañada de desprendimiento de energía y, en ocasiones, de otras partículas.

Reacciones más comunes:2 2 41 1 2

2 3 4 11 1 2 0

H H He

H H He n

rE 18MeV / núcleo H

Para conseguir que choquen los núcleos de hidrógeno se necesita que tengan una gran energía cinética. Esto hace que el hidrógeno tenga que estar a gran temperatura en estado de plasma (1010K).

Central nuclear de fusión

Todavía en fase experimental. El hidrógeno es calentado hasta estado de plasma y es mantenido en movimiento mediante un campo magnético.

Un láser u otro procedimiento consigue la energía necesaria para que se produzca la fusión. Hasta ahora no se ha conseguido que la reacción se automantenga energéticamente.

Reactor Tokamak

Ventajas de la fusión frente a la fisión

1. El combustible de la fusión (deuterio o tritio), presente en el agua, es mucho más abundante, menos nocivo y más fácil de conseguir que el utilizado en la fisión (uranio o plutonio enriquecidos en sus isótopos radiactivos).

2. El residuo de la fusión nuclear (helio) es inerte, frente a los peligrosos residuos radiactivos que surgen en la fisión.

3. Resulta más energética por unidad de masa de combustible.

5. Aplicaciones.

Isótopos radiactivosMedicina

Localización y tratamiento de tumores cancerosos.

Estudio de circulación sanguínea.

Tratamiento de leucemia (32P).

Biología

Estudio de fotosíntesis (14C)

Estudio de la migración de las aves.

Estudio de acción de antibióticos en el organismo.

Química e Industria

Análisis químico y de reacciones.

Determinación de edad de rocas y fósiles (14C).

Control de espesores y desgaste de planchas metálicas, paredes, etc.

Obtención de energía y utilización de isótopos radiactivos.

Inconvenientes

Efectos de la radiactividad sobre los seres vivos y peligrosidad de las centrales nucleares.

Efectos sobre los seres vivos

Ionizan la materia, provocan reacciones, destruyen moléculas, células y microorganismos.

Alteraciones de funcionamiento, mutaciones, cáncer, destrucción celular, esterilidad, etc.

Mutaciones hereditarias, alteración de la información genética, malformaciones congénitas.

Centrales nucleares

Residuos radiactivos.

Riesgo de accidente y contaminación radiactiva.

Las centrales de fusión serían mucho menos peligrosas.