Your SlideShare is downloading. ×
BLOQUE 3:       FÍSICA CUÁNTICA Y FÍSICA NUCLEAR1-RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO Y TEORÍA CUÁNTICA DEPLANCK2-EFECTO FOTOELÉCTR...
Max Planck intenta obtener una ecuación que justifique losE                   T4>T3>T2>T1                                 ...
HIPÓTESIS DE PLANCK     Un cuerpo no puede emitir energía radiante de forma continua sino que lo hace en    forma de “paqu...
2-EFECTO FOTOELÉCTRICO Y EXPLICACIÓN DE EINSTEIN ALFENÓMENO.El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Hertz (1857-1894),...
La energía de la radiación luminosa no es uniforme, está cuantizada. La fuentesde radiación emiten energía en paquetes de ...
Ejemplo: sobre un metal inciden fotones de longitud de onda 500nm. Si la longitud deonda umbral de dicho metal es de 612 n...
Tales cambios de masa están fuera de la experiencia diaria ya que los cuerpos queobservamos normalmente no van a la veloci...
PRINCIPIO DE LA DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA de Louis de BroglieEn 1924 de Broglie da un paso más y afirma que “ cualquier part...
Una onda electromagnética está definida por un campo eléctrico y otro campo magnéticoque oscilan en direcciones perpendicu...
•   DE EMISIÓN Se excitan previamente los átomos de la muestra mediante una    descarga que hace que los electrones salen ...
la velocidad lleva a incidir sobre el electrón y desplazarle de su posición y al quererdeterminar su posición en un instan...
No podía tratarse de fluorescencia ya que esta se produce cuando los rayos de luzllegan a la muestra y esta había estado a...
Los rayos γ: Son fotones, por tanto neutros y no son desviados por los campos   eléctricos, ni magnéticos. Su naturaleza e...
La no dependencia de la radiactividad con los fenómenos químicos hace que haya queconsiderarla relacionada con los núcleos...
La Actividad (tasa o velocidad de desintegración) se puede medir en becquerel (Bq)o en curios (Ci) de manera que 1Ci = 3,7...
Ejemplo 1: Un gramo de radio tiene una actividad de 1Ci. Si la masa atómica del Ra esde 226 u, calcula: a) La constante de...
El primer fenómeno de este tipo fue el realizado por los esposos Joliot-Curie:                 13 Al + 2 He → 15 P + 0 n  ...
21   H +1H + Energía→2 He+ 01n + mucha más energía       3            4Esto en el terreno bélico ha dado lugar a la terrib...
Estas son muy diferentes de las fuerzas e interacciones conocidas hasta ahora. Secaracterizan por lo siguiente:a) Son fuer...
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Fisicacuantica

1,676

Published on

fisica cuántica y radiactividad para segundo de bachillerato

Published in: Entertainment & Humor
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
1,676
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
21
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Transcript of "Fisicacuantica"

  1. 1. BLOQUE 3: FÍSICA CUÁNTICA Y FÍSICA NUCLEAR1-RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO Y TEORÍA CUÁNTICA DEPLANCK2-EFECTO FOTOELÉCTRICO Y EXPLICACIÓN DE EINSTEIN ALFENÓMENO3-EL FOTÓN .DUALIDAD ONDA CORPÚSCULO4-ESPECTROS ATÓMICOS5-PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG6-DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD Y TIPO DERADIACIONES CARACTERÍSTICAS7-LEY DE LA DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA8-ENERGÍA DE LIGADURA NUCLEAR1-RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO Y TEORÍA CUÁNTICA DEPLANCKEl cuerpo negro es aquel que absorbe íntegramente todas las radiaciones que incidensobre él, cualquiera que sea su longitud de onda.Si tenemos un objeto completamente negro, cuando se calienta los átomos que formanel objeto emiten radiación electromagnética y al mismo tiempo absorben la radiaciónemitida por el resto de los átomos vecinos. Cuando cesa el aporte de calor exterior,llega un momento en el que en el interior del objeto se alcanza el equilibrio entre laenergía absorbida y la emitida. Si se abre un orificio en una de las paredes del objeto,parte de la radiación se escapa y se puede medir la energía radiante que emerge delinterior de la cavidad por unidad de superficie y tiempo (intensidad). Esa energía quesale depende de la temperatura del objeto, a más temperatura más energía.Se realizaron experiencias con cuerpos negros logrando descomponer mediante unespectroscopio la energía emitida por el cuerpo negro en sus distintas longitudes deonda. Se obtienen espectros continuos. Representando la cantidad de energía emitidafrente a la longitud de onda se observa que la energía emitida es mayor cuanto mayores la temperatura lo cual es lógico pero también se observa que la longitud de ondapara la cual la cantidad de energía emitida es máxima disminuye al aumentar latemperatura. Si disminuye la longitud de onda aumenta la frecuencia porque yasabemos que son inversamente proporcionales, así que aparentemente a másfrecuencia más energía.
  2. 2. Max Planck intenta obtener una ecuación que justifique losE T4>T3>T2>T1 resultados obtenidos con la radiación del cuerpo negro, es decir, que determine la relación entre energía y frecuencia. Partió del modelo ondulatorio de la luz que era admitido hasta T4 ese momento. T3 T2 En el estudio de la interacción luz-materia hay que aceptar la T1 idea de que la materia está formada por partículas cargadas (electrones y protones) con las que pueden interaccionar los λ campos electromagnéticos que constituyen las ondas luminosas, transmitiendo oscilaciones a dichas partículas. De esta forma, la emisión y absorción de luz por la materia se explica por las alteraciones que se producen en la configuración de su sistema de cargas eléctricas (saltos electrónicos entre los diferentes niveles del átomo) debida a la actuación del campo electromagnético de las ondas luminosas sobre dichos átomos. Los intentos por obtener una ecuación que justifique la relación energía frecuencia observada en el cuerpo negro a partir de la idea que existía en esa época de que la energía es algo continuo y de carácter ondulatorio fueron un fracaso. E Max Planck (1858-1947) resuelve el problema de la distribución espectral de la energía que radia el cuerpo negro al postular que la energía de los osciladores no varía de forma continua, sino en múltiplos de la cantidad de un valor elemental de energía E =h.ν siendo h la constante de proporcionalidad entre frecuencia (ν ) y ν energía ( E ) llamada constante de Planck. A partir de la idea de que la energía no es algo continuo sino formado por “paquetes” de energía o cuantos de valor h.ν se ν obtiene sin problemas una ecuación que justifica el espectro de misión del cuerpo negro. La teoría de Planck dice que la radiación térmica del cuerpo negro se explica por las ondas electromagnéticas originadas por las oscilaciones de las partículas (osciladores) del cuerpo. La energía de cada oscilador que está relacionada con la energía de la radiación que la origina (están en resonancia) es un múltiplo entero de h.ν es decir h.ν, 2. h.ν , 3.h.ν, 4. h.ν , 5.h.ν etc... Esto significa que la energía está cuantizada (llamando a h.ν cuanto) lo que quiere decir que puede tomar valores discretos ( no continuos) siendo emitida por los osciladores en forma de “paquetes” que son múltiplos de la cantidad elemental h.ν, esto hace que también se tienen que cuantizar las ondas electromagnéticas asumiendo que no son algo continuo como entonces se creía.
  3. 3. HIPÓTESIS DE PLANCK Un cuerpo no puede emitir energía radiante de forma continua sino que lo hace en forma de “paquetes o cuantos” cuyo valor es: c c = λ.v ∆E = h.v = h. λ -34 h = Constante de Planck = 6,63 10 j.s c = v de la luz = 3 108 m/s λ λ = longitud de onda = distancia entre dos puntos que presentan el mismo estado de vibración. Se expresa en unidades de longitud. Para valores muy pequeños se 0 usan: 1 Α = 10-10 m y 1nm = 10-9 m ν = frecuencia = número de oscilaciones por unidad de tiempo. Se expresa en s-1 = Herz La energía radiante se propaga mediante un movimiento ondulatorio. Es una onda.Se puede extender la idea de Planck a cualquier oscilador, por ejemplo un péndulo,pero en un péndulo la naturaleza cuántica de la energía h.ν no se puede apreciar ya quela frecuencia es pequeña y la constante de Planck también es pequeña por lo que paraque esto se aprecia son necesarios valores de fracuencia bastante altos.Por ejemplo para un péndulo de frecuencia 4 Hz (4 oscilaciones por segundo ya suponeoscilar rápido) E= h.νE=6,63.10-34 . 4= 2,65.10-33J totalmente inapreciable por demasiado pequeño.En el caso del péndulo los cuantos en los que se divide la energía son tan pequeños queno se pueden distinguir y la energía resulta algo continuo. Sólo en sistemas oscilantesmuy pequeños donde el valor de su frecuencia sea alto, del tipo de las frecuenciaspropias del espectro electromagnético, estamos en condiciones de poder aplicar elpostulado de Planck tanto para la emisión como para la absorción de energía.Las ideas de Planck no fueron aceptadas fácilmente ya que implicaban que la energíaera algo discontinuo y volvía a la teoría corpuscular de la luz ( la luz formada porpartículas) que ya había sido desechada a favor de la teoría ondulatoria. En aquellaépoca se consideraba que los fenómenos físicos debían ser continuos y nadie estabadispuesto a aceptar la discontinuidad de Planck
  4. 4. 2-EFECTO FOTOELÉCTRICO Y EXPLICACIÓN DE EINSTEIN ALFENÓMENO.El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Hertz (1857-1894), casi por casualidad,cuando realizaba experimentos para demostrar la naturaleza electromagnética de laluz. Comprobó que saltaba chispa entre dos esferas cargadas más fácilmente si se lasiluminaba con luz ultravioleta. Realizó más experimentos con luz y con metales yestableció que los metales bajo la acción de la luz emiten electrones y en especial bajola acción de luz de frecuencias altas.Se llama efecto fotoeléctrico al proceso mediante el cual se liberan electrones deun material por efecto de la luz y se puede producir por tanto una corrienteeléctrica.El fenómeno en sí no es sorprendente, puesto que la luz es radiación electromagnéticay por tanto cabe esperar que el campo eléctrico de la onda ejerza fuerza sobre loselectrones de los átomos de la superficie metálica que son los que están atraidos másdébilmente por sus núcleos (además los metales tienden a perder electrones) y puedehacer que algunos de ellos salgan emitidos fuera del átomo.Según esto cabe esperar que el número de electrones arrancados sea proporcional a laintensidad de la luz aplicada, pero es aquí donde surge el problema ya que lo que seobserva es lo siguiente:-La energía cinética de los electrones arrancados no depende de la intensidad de la luzincidente sino que depende solamente de su frecuencia-Para cada metal existe una frecuencia luminosa umbral ν0 por debajo de la cual no seproduce la emisión de electrones, sea cual sea la intensidad de la luz que se utilice.-Una radiación de frecuencia igual o mayor que la frecuencia umbral basta paraarrancar los electrones sin retraso alguno aunque su intensidad sea muy pequeña, elefecto fotoeléctrico cuando se produce es instantáneo.La teoría ondulatoria clásica que consideraba la energía como algo continuo no podíaexplicar este fenómeno ya que si consideramos que la radiación electromagnética estádistribuida de un modo uniforme sobre la superficie de las ondas el efectofotoeléctrico debería depender de la intensidad, es decir el número de ondas queinciden contra el metal por unidad de superficie y tiempo cargadas de energíaelectromagnética, y si embargo se observa que el fenómeno no depende de la cantidadde energía que llega sino de su frecuencia.Einstein en 1905 aplica la hipótesis de Planck acertadamente para explicar el efectofotoeléctrico y de paso demuestra que dicha hipótesis era acertada, la energía no esalgo continuo, es discontinua como decía Planck.
  5. 5. La energía de la radiación luminosa no es uniforme, está cuantizada. La fuentesde radiación emiten energía en paquetes de radiación con un contenido energético νh.ν al que llamó FOTÓN y que era el que interaccionaba con los electrones delmetal chocando con ellos y haciéndoles salir despedidos.Para cada metal existe una frecuencia umbral por debajo de la cual no se produce elefecto, la energía necesaria para que se produzca Para los físicos de la época, lateoría de Planck no era más que un mero artificio teórico que permitía explicar laradiación del cuerpo negro, pero sin un verdadero significado físico, hasta queEinstein aplicó las ideas de Planck al efecto fotoeléctrico, lo que confirmó la validezde la teoría cuántica.el efecto fotoeléctrico se llama energía umbral o trabajo de extracción, es la energíaque es necesario comunicar a un metal para arrancarle un electrón E0= h.ν0Para frecuencias mayores de la frecuencia umbral se produce el efecto fotoeléctricoy de acuerdo con el principio de conservación de la energía la energía aplicada setransforma parte en la energía umbral necesaria para arrancar el electrón a lafrecuencia característica de cada metal y la energía sobrante en energía cinética delelectrón cuando sale: E =E0 + Ec EFECTO FOTOELÉCTRICO Consiste en la emisión de electrones cuando un metal recibe una radiación. Cada metal necesita una energía mínima para que se produzca el efecto que se llama ENERGÍA UMBRAL LENTE METAL FOCO DE LUZ e- EINSTEIN explicó el fenómeno suponiendo que cada fotón componente de la luz ( radiación incidente) choca contra un electrón del metal y consiguen arrancarlo, venciendo la fuerza de atracción del núcleo. El exceso de energía lo invierte el electrón en energía cinética. E = h.ν = energía suministrada E = E0 + Ec E0 = h.ν0 = energía umbral o trabajo de extracción Εc = energía cinética del electrón = ½ me-v2
  6. 6. Ejemplo: sobre un metal inciden fotones de longitud de onda 500nm. Si la longitud deonda umbral de dicho metal es de 612 nm calcula si se arrancan o no lo electrones y encaso afirmativo la energía cinética de los mismos. Calcula la energía de extracción enelectronvoltios (1eV=1,6.10-19v)3-EL FOTÓN . DUALIDAD ONDA CORPÚSCULO.El efecto Compton confirma la existencia de los fotones demostrando el choque entrefotones y electrones libres que cumple el principio de conservación de la cantidad demovimiento como cualquier choque. Esto demuestra que el fotón es una partícula, esdecir, que tiene masa aunque sea muy pequeña.Así pues la luz está formada por fotones que transportan energía según su frecuenciade vibración.Si el fotón es una partícula debe transportan no solo energía sino también cantidad demovimiento (m.v ).Einstein observó que la mecánica clásica no se cumplía en el caso de la luz, en cuanto almovimiento de los fotones.Dedujo que a grandes velocidades, próximas a la de la luz, la mecánica clásica deNewton basada en sus famosas tres leyes ya no es válida y hay que emplear mecánicarelativista.En resumen la mecánica relativista aplicable a cuerpos que se mueven a la velocidad dela luz se basa en que: -A la velocidad de la luz o próxima a ella no existe el espacio como algo absolutoy lo que a primera vista parece una propiedad del espacio, el ser tridimensional no essino algo propio de la forma en que se estructura nuestra inteligencia humana y laforma en que nosotros lo vemos, nuestros sentidos necesitan considerar un espacio entres dimensiones para percibir los objetos que tenemos alrededor. A tan grandesvelocidades el espacio se curva y adquiere diferentes propiedades. -A velocidades próximas a la de la luz tampoco existe un tiempo absoluto y eltiempo es diferente para cada objeto que se mueve. De esta forma el espacio y eltiempo ya no son dos sistemas de referencia independientes y se engloban en un únicosistema espacio-temporal propio de cada observador, cualquier punto viene definidopor cuatro coordenadas (x,y,z,t) el tiempo es la cuarta coordenada.A tan grandes velocidades parte de la masa se transforma en energía, así laspartículas que se propagan a la velocidad de la luz propagan energía a costa de supropia masa.De este hecho se deduce la famosa relación de Einstein : E= m.c2 donde m es la masa y c la velocidad de la luz en el vacío Energía cinética relativista
  7. 7. Tales cambios de masa están fuera de la experiencia diaria ya que los cuerpos queobservamos normalmente no van a la velocidad de la luz sino a velocidades muchomenores, para las que las leyes de Newton se cumplen perfectamente, sin embargo enlos fenómenos nucleares (formación y ruptura de núcleos atómicos) o en lasradiaciones luminosas o en choques de partículas donde las masas puestas en juego sonmuy pequeñas y las energías muy grandes los cambios de masa son apreciables.La equivalencia entre masa y energía hace que la ley de conservación de la masa y la deconservación de la energía sean en realidad una sola ley. Así parte de la masa enreposo de cualquier cuerpo se puede transformar en energía si es capaz de alcanzarun velocidad próxima a la de la luz.Sabiendo entonces que para la luz se cumple que E=m-c2 y que dado que es un λmovimiento ondulatorio su velocidad de propagación es constante y entonces c = o Tbien c= λ.ν y considerando la teoría de Planck donde E=h.ν y lo que es cantidad demovimiento, masa por velocidad en este caso la velocidad de la luz P=m.c se puederelacionar todo ello: E E h.v hp = m.c = .c = = p= c2 c λ .v y queda λ h λ= Donde p= cantidad de movimiento p h es la constante de Planck=6,63.10-34 J.sLa luz presenta propiedades ondulatorias que explican satisfactoriamente muchosaspectos relacionados con su propagación, como las interferencias, la polarización o ladifracción. Pero para explicar otros fenómenos en los que la radiación interacciona conla materia nos vemos obligados a suponer una naturaleza corpuscular de la luz. Asípues la concusión más lógica es que la luz está formada por partículas que tienen masacuando están en movimiento (ya que a grandes velocidades la energía se transforma enmasa y la masa en energía) y que viajan a la velocidad de 3.108 m/s en el vacía y adiferentes velocidades según el medio que atraviesan y transportan energía en formaondulatoria y también cantidad de movimiento.Cuando una onda electromagnética interactúa con una partícula cargadaeléctricamente las cantidades de energía y cantidad de movimiento que seintercambian en el proceso son las correspondientes al fotón h.ν.
  8. 8. PRINCIPIO DE LA DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA de Louis de BroglieEn 1924 de Broglie da un paso más y afirma que “ cualquier partícula material tiene uncomportamiento ondulatorio” de forma que las propiedades ondulatorias y corpuscularesde la materia se relacionan mediante: h h λ= = p m.vToda partícula material en movimiento lleva asociada una onda.Esto se confirma cuando se consigue la difracción y reflexión de un haz de electrones.Otros experimentos con partículas (protones, neutrones, radiactividad) han confirmadoQue se propagan ondulatoriamente pero no se sabe la razón de que lo hagan así.La explicación podía estar en que a tan grandes velocidades (próximas a la de la luz) laenergía que se propaga ondulatoriamente en parte se transforma en masa y de ahí queactúe como partícula.Ejemplo: Calcula la longitud de las ondas materiales correspondientes a: a)Un electrónde 100eV de energía cinética.(masa 9,1.10-31Kg) b) Un balón que se mueve a 25 m/s si su masa es de 450g.4-ESPECTROS ATÓMICOSUn claro ejemplo de interacción de la luz con la materia son los ESPECTROSATÓMICOS.Aquí los fotones chocan con los electrones de los átomos haciendo que salten entreniveles electrónicos.Como ya sabemos la luz blanca al atravesar un prisma se descompone en sus distintaslongitudes de ondas y este es el espectro continuo de la luz. En general un espectro es la representación gráfica o fotográfica de la distribuciónde la intensidad de la radiación electromagnética emitida o absorbida por una muestrade una sustancia en función de la longitud de onda o de la frecuencia de la radiación. Es el resultado de la descomposición de la radiación emitida mediante un prismao una red de difracción en sus diferentes longitudes de onda o frecuencias.
  9. 9. Una onda electromagnética está definida por un campo eléctrico y otro campo magnéticoque oscilan en direcciones perpendiculares y, a su vez, perpendicularmente a la direcciónde propagación. Entre las ondas electromagnéticas, además de la luz, se incluyen las ondasde radio, rayos X .... El conjunto de ondas electromagnéticas que difieren entre sí por sulongitud de onda se denomina ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO.El ojo humano sólo es sensible a las radiaciones de longitudes de onda comprendidas entre4 10-7 y 7,5 10-7 m , zona que se conoce como LUZ VISIBLE.La radiación emitida por cualquier foco es una superposición de ondas electromagnéticasde distintas longitudes de onda. Si el foco emisor es el Sol o un sólido incandescente la luzblanca emitida, al atravesar un prisma se separa en las distintas radiaciones que lacomponen dando lugar a un ESPECTRO CONTÍNUO que contiene una gama de colores quevan del violeta al rojo, idéntico al que se observa en el arco iris.Cuando se estudia la luz emitida por un elemento al que previamente se le ha suministradoenergía se obtiene el espectro de dicho elemento, se trata de un espectro discontinuo ( arayas) que puede ser:• DE ABSORCIÓN . Consiste en estudiar una haz de luz blanca después de atravesar una muestra de la sustancia. Se observa el espectro continuo de dicha luz pero con rayas negras que corresponden a las frecuencias de las radiaciones que la sustancia ha absorbido. Esta energía absorbida hace saltar a los electrones de un nivel a otro.
  10. 10. • DE EMISIÓN Se excitan previamente los átomos de la muestra mediante una descarga que hace que los electrones salen a niveles superiores y luego cuando dejan de recibir esta energía vuelven a sus respectivos niveles y emiten energía. Se miden las radiaciones emitidas por la muestra por lo que sólo aparecen rayas a las frecuencias en que la muestra emite y el fondo en negro.Los espectros de emisión y absorción de un elemento presentan las líneas a unaslongitudes de onda características para ese elemento por lo que permiten diferenciarlo oidentificarlo en función de esos espectros.El primer espectro interpretado fue el del hidrógeno. Presenta unas series diferentes delíneas en diferentes zonas del espectro electromagnético que se conocen con el nombrede sus descubridores y al conjunto se le llaman SERIE ESPECTRAL DEL HIDRÓGENO.Los espectroscopistas dedujeron una fórmula que permite determinar sus longitudes deondan1 y n2 son números enteros de modo que n2 > n1 representan los diferentes niveleselectrónicos. Nivel de partida y nivel de llegadaR = Costante de Rydberg = 1,097 107 m-1La energía que un átomo de una sustancia absorbe o emite sirve para que sus electronessalten de un nivel a otro, si saltan de un nivel más próximo al núcleo a otro más alejadoabsorben energía y si es al revés la emiten a una frecuencia característica E=hν quecorresponde a la diferencia de energía entre esos dos niveles. Como la configuraciónelectrónica es característica de cada elemento cada uno presenta un patrón de energíasdiferentes y diferentes saltos posibles de ahí que los espectros atómicos seancaracterísticos de cada elemento y permitan así identificarlos. El espectro de absorciónes igual que el de emisión (como el positivo y el negativo de una foto) ya que los saltos sonlos mismos para un mismo elemento, sólo varía la forma en que se realiza el experimento.5-PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERGPuesto que el electrón dentro del átomo es en realidad una onda determinarsimultáneamente su velocidad y posición resulta imposible ya que la determinación de
  11. 11. la velocidad lleva a incidir sobre el electrón y desplazarle de su posición y al quererdeterminar su posición en un instante determinado se modifica su velocidad. A partir de la dualidad onda-corpúsculo se puede visualizar a una partícula material dentro de un paquete de ondas, lo cual lleva a admitir que existe un límite fundamental para determinar la precisión con que se pueden medir sus propiedades corpusculares y ondulatorias. Cuanto más estrecho sea el grupo de ondas , más fácil se puede determinar la posición de la partícula pero más difícil es calcular su longitud de onda. En 1927 Heisenberg establece que “ es imposible en un instante dado determinar simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula” h ∆x.∆p = donde ∆x es la incertidumbre al determinar la posición y ∆v es la 2π incertidumbre al determinar la velocidad, h es la constante de PlanckEsto llevó a un cambio importante en los modelos atómicos pasando del concepto deórbita como trayectoria definida que sigue el electrón alrededor del núcleo al deorbital como región del espacio en torno al núcleo en el que existe máximaprobabilidad de encontrar al electrón.6-DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD Y TIPOS DERADIACIONES CARÁCTERÍSTICASEl fenómeno de la radiactividad fue descubierto por H. Becquerel en 1896. Estabaestudiando la fluorescencia, luminosidad procedente de algunas sustancias al seriluminadas, al recibir radiación electromagnética, cuando por casualidad descubrióel nuevo fenómeno.En 1895 Roëntgen había descubierto los rayos X y Becquerel se propuso averiguar silas sustancias fluorescentes emitían rayos X, puesto que estos pueden atravesarcapas de papel gruesas e impresionar placas fotográficas, lo que hizo fue envolver unaplaca fotográfica en papel y colocar encima la muestra con la que estaba trabajando,lo colocó todo al sol para que los rayos solares provocaran fluorescencia en la muestray si esta emitía rayos X se velaría la placa a pesar del papel.La muestra que estaba usando eran sales de uranio y efectivamente la placa resultabavelada.Se sucedieron una serie de días nublados por lo que Becquerel guardó la muestra conuna placa nueva envuelta en papel en un cajón, para su sorpresa, al sacarla del cajón laplaca se encontraba completamente velada.
  12. 12. No podía tratarse de fluorescencia ya que esta se produce cuando los rayos de luzllegan a la muestra y esta había estado a oscuras, y por tanto tampoco podían serrayos X.Se dedicó a estudiar este nuevo fenómeno y observó que se trataba de radiacionesprovenientes del uranio y que las emitía de forma continua y en todas las direcciones.En 1898 Marie Curie llamó a este fenómeno radiactividad y demostró que laradiactividad es proporcional a la cantidad de uranio que contiene la muestra porlo que la fuente de radiación deben ser los átomos de dicho elemento.En 1899 Experimentalmente E. Rutherford demostró la existencia de dos tipos deradiaciones, una fácilmente absorbida por la materia y que se denominó radiación alfa α β(α), y otra más penetrante llamada radiación beta (β).Pero sería en 1900 cuando mediante experiencias de desviación de campos eléctricosexternos, Becquerel demostró que los rayos β son electrones rápidos. γLos rayos gamma (γ) fueron descubiertos también en 1900 por el francés PaulVillard, dichos rayos no sufren desviación en su trayectoria el ser sometidos a camposeléctricos lo que significa que no tienen carga eléctrica. Son fotones pero con mayorenergía y mayor poder de penetración que los rayos X.En 1903 E. Rutherford sugiere que los rayos α son iones de átomos de helio (He2+)moviéndose rápidamente y en 1909 encuentra la evidencia experimental de ello.Luego existen tres tipos de radiaciones características: Los rayos α: Son iones de átomos de helio (He2+), sin sus electrones, son sólo núcleos de helio. Ionizan fuertemente el aire y se mueven a gran velocidad. Son desviados por campos eléctricos hacia el polo – y son los de menor poder de penetración (mayor longitud de onda, en comparación con los otros) ya que son partículas más grandes. 4 2 α 2+ Partícula formada por 2p+ y 2nº Carga + Los rayos β : Son electrones rápidos. Son desviados por campos eléctricos hacia el polo positivo. Debido a su pequeño tamaño tiene un poder de penetración mucho mayor que las partículas alfa, pero tienen una capacidad de ionización mucho menor, son capaces de atravesar capas de aluminio de hasta varios milímetros. 0 −1 β− Partícula formada por e- Carga -
  13. 13. Los rayos γ: Son fotones, por tanto neutros y no son desviados por los campos eléctricos, ni magnéticos. Su naturaleza es electromagnética de longitud de onda pequeñisima, pero de muy alta frecuencia, por ello gran energía y gran poder de penetración, atraviesa láminas de plomo de varios centímetros de espesor. En cambio su capacidad de ionización es pequeña debido a que su masa es muy pequeña. 0 0 γPoder de penetración: γ > β > α ya que cuanto menor es el tamaño de la partícula enmovimiento mayor es su capacidad de penetración.El fenómeno de la radiactividad es insensible a variaciones de temperatura o presión yla emisión radiactiva no está afectada por el entorno químico de la sustanciaradiactiva por lo que es un fenómeno atómico y no molecular, la emisión radiactiva vaacompañada de una enorme emisión de energía. RADIACTIVIDAD: es la propiedad que presentan los núcleos atómicos de ciertos elementos de modificar espontáneamente su constitución emitiendo una radiación característica. +++++++++++++++++++++++++++++++++++ 0 −1 β− 0 0 γmaterial radiactivo 4 2 α 2+ --------------------7-LEY DE LA DESINTEGRACIÓN RADIACTIVAEn 1903 Rutherford y F. Soddy descubren la primera transmutación natural alcomprobar como en la emisión radiactiva el torio se transforma primero en radio yluego en radón. Formularon la desintegración radiactiva en los términos de la ley deldecaimiento, al comprobar que la actividad de una sustancia radiactiva disminuyeexponencialmente con el tiempo y consiste en la emisión de partículas como las αo las β.Comprobaron que la radiactividad es un fenómeno independiente del estado físicoen que se encuentren los átomos o de la naturaleza del compuesto químico en elque se encuentren los átomos radiactivos.
  14. 14. La no dependencia de la radiactividad con los fenómenos químicos hace que haya queconsiderarla relacionada con los núcleos atómicos.Cada sustancia radiactiva tiene su propio ritmo de emisión de partículas radiactivas.Ello hace que exista una constante física llamada constante de desintegración λ quees característica para cada sustancia. Sí N= número de núcleos de un elemento N radiactivo presentes en un instante t A lo largo del tiempo lo que sucede es que estos núcleos se van desintegrando y emiten partículas, las radiaciones t radiactivas. El número de átomos que se desintegran a medida que pasa el tiempo depende de la constante de desintegración, del número de átomos existentes y del tiempo transcurrido. dN− = λ .N (el signo – por que disminuyen) dt N N t ln = −λt dN dN N0Operando: N = −λ .dt integrando ∫ N = −t∫ λ.dt N0 0También puede escribirse en forma exponencial lo que justifica la gráficaexponencial decreciente. Obtenida de manera experimental. N = N0 .e−λt dNAl cociente − se le llama actividad de la sustancia A(t) es una medida de la dtvelocidad de desintegración de la sustancia. dN des int e gra ciones Luego como = − λ .N A( t ) = − λ N λ= = segundo −1 dt A (t ) segundo(no Hz porque no es frecuencia) λ = NSe puede definir la constante de desintegración λ como el número dedesintegraciones por unidad de tiempo y por cada átomo que experimenta unasustancia radiactiva, o también como la relación entre la actividad radiactiva propia deesa sustancia y el número de núcleos presentes en un momento dado.
  15. 15. La Actividad (tasa o velocidad de desintegración) se puede medir en becquerel (Bq)o en curios (Ci) de manera que 1Ci = 3,7.1010 Bq.En cualquier muestra radiactiva existe un número muy elevado de átomos por lo que sepuede afirmar que la desintegración radiactiva es un fenómeno totalmente aleatorio yque se produce al azar. Un átomo de la muestra radiactiva se puede desintegrar enese instante o tardar un tiempo indefinido en hacerlo. Pero la emisión de partículas escontinua porque de los millones de átomos que hay en la muestra siempre alguno serompe en cada instante y emite. Se aplican las leyes de la estadística para estudiar elcomportamiento de estos miles de millones de núcleos inestables que constituyen cadamuestra de un mineral radiactivo.Así los conceptos de periodo de semidesintegración radiactiva y vida media sirvenpara caracterizar el comportamiento de las sustancias radiactivas: PERIODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN: es el tiempo T que debe transcurrir para que el número de átomos iniciales se reduzca a la mitad. Nln = −λ .t para un tiempo T N = N 0 se ha reducido el número inicial a la mitad, N0 2 N0sustituyendo en la ecuación inicial ln N0 2 = −λT ; − ln 2 = − T ; λ ln 2 0,693 T= = λ λ τ VIDA MEDIA (τ): es el valor medio de duración de los átomos de una sustancia radiactiva. La vida media representa un promedio (valor estadístico) del tiempo total de subsistencia de una muestra radiactiva. 1 τ= λ Es tiempo por lo que se mide en segundos, minutos, horas, años, etc. Los valores de vida media varían de unas sustancias a otras, oscilando entre 10-9 s y 1014 años para átomos muy estables. Luego λ representa la probabilidad de que un átomo se desintegre por unidad de tiempo. Un tiempo de vida media bajo indica una sustancia muy inestable cuyo ritmo de desintegración es muy rápido y por ello λ ha de ser grande.
  16. 16. Ejemplo 1: Un gramo de radio tiene una actividad de 1Ci. Si la masa atómica del Ra esde 226 u, calcula: a) La constante de desintegración del radio.b) La vida media de losátomos de radio. c) El tiempo que tarda la muestra en reducirse a la mitad.Los átomos de una sustancia radiactiva se desintegran espontáneamente, con emisiónde partículas α o βy formación de un nuevo átomo, químicamente diferente deloriginal. Este nuevo átomo puede a su vez desintegrarse de forma similar al anteriorsurgiendo una serie radiactiva de átomos, que están relacionados entre sí porsucesivas desintegraciones.Dado que el elemento que termina la serie es más estable y no se desintegra más, sepuede considerar que la radiactividad es un mecanismo por el que núcleos inestables setransforman en otros más estables mediante la liberación de ciertas partículas.La investigación sistemática de todos los cuerpos radiactivos permitió su agrupaciónen tres familias o series radiactivas naturales: la del torio, la del uranio-radio y la deluranio-actinio; a las que hay que añadir otra serie preparada artificialmente, la delneptunio.Nombre de la Producto período de Producto Número másicoserie inicial semidesintegración final 232Torio 4n Th 1,4 .1010 años 208 Pb 237Neptunio 4n+1 Np 2,2 .106 años 209 Bi 238Uranio-radio 4n+2 U 4,5 .109 años 206 Pb 235Uranio-actinio 4n+3 U 7,2 .108 años 207 PbEn los procesos de desintegración igual que en cualquier proceso físico o químico secumplen las leyes de conservación: - Conservación de la energía. - Conservación de la cantidad de movimiento. - Conservación de la carga eléctrica. - Conservación del número total de nucleones.Radiactividad artificialEn 1934 Frédréric Joliot e Irene Curie descubrieron que la radiactividad no es unfenómeno confinado sólo a los elementos como el uranio o el polonio, sino que cualquierelemento puede ser radiactivo si se prepara el isótopo adecuado.La radiactividad artificial o inducida se consigue mediante el bombardeo de un núcleocon un proyectil (partículas a gran velocidad que pueden ser α o neutrones), estenúcleo inicialmente estable se transforma en un núcleo inestable.
  17. 17. El primer fenómeno de este tipo fue el realizado por los esposos Joliot-Curie: 13 Al + 2 He → 15 P + 0 n 27 4 30 1Una vez terminada la reacción y aislado el fósforo (como fosfomolibdato amónico)observaron como este continuaba emitiendo partículas, concretamente positrones: 0 +15 P → 14 Si + 1 e30 30Otro ejemplo es el bombardeo del berilio con partículas α, reacción en la queChadwick descubrió la existencia del neutrón: 49 Be + 24 He →12 C + 01 n 6Fisión nuclearCuando se rompe un núcleo pesado se desprende mucha energía que puede ser deutilidad.La fisión es un proceso por el cual un núcleo pesado de número atómico mayor que 86se divide en dos núcleos más ligeros y de mana parecida cuando este núcleo pesado esbombardeado con un neutrón. En el proceso se liberan neutrones y gran cantidad deenergía. Los neutrones liberados chocan a su vez con otros núcleos de la mismasustancia y los rompen generando lo que se llama REACCIÓN EN CADENA.235 42U + 01n→141Ba + 36 Kr +301 n + 18,9.1012 J 50 92Los núcleos ideales para este tipo de procesos son isótopos del Uranio y del Polonio.Los neutrones son buenas partículas para un bombardeo y romper núcleos atómicos yaque al no tener carga no son repelidas por los electrones de las capas externas de losátomos.Lo que se origina es un proceso en cadena a partir del choque inicial liberándose cadavez más energía en poco tiempo. Si el proceso no se controla esta gran cantidad deenergía se puede liberar bruscamente en forma de tremenda explosión, es la bombaatómica.Pero esta energía se puede controlar para utilizarla con fines industriales (centralesnucleares). Basta introducir alguna sustancia que absorba neutrones y que evite que elproceso se dispare (introduciendo barras de cadmio, por ejemplo) y a bajastemperaturas para que no sea demasiado rápido.La masa mínima de Uranio que permite que tenga lugar la reacción en cadena se llamamasa crítica.Fusión nuclearUnión de varios átomos para formar otro más pesado desprendiendo aún más energíaque en la fusión nuclear. Para lograr esta reacción se precisan altas temperaturas quesólo se logran con reactores nucleares. Así pues, para poder realizar una fusiónnuclear hace falta realizar primero una fisión y que a partir de la energía de la fisiónse produzca la fusión que desprenderá aún más energía.Estas reacciones tienen lugar con núcleos ligeros, que tampoco son muy estables, comoel hidrógeno y el helio fundamentalmente y en general isótopos de estos.
  18. 18. 21 H +1H + Energía→2 He+ 01n + mucha más energía 3 4Esto en el terreno bélico ha dado lugar a la terrible bomba de hidrógeno, pero ahorase intenta perfeccionar como fuente de energía. Tiene el defecto de que para ponerloen marcha necesita un gran aporte energético.Este proceso se produce continuamente en el Sol y en cualquier estrella y la energíaque se desprende de la unión de núcleos de hidrógeno da la luz y el calor de lasestrellas y esa energía que se desprende del Sol hace posible la vida en la Tierra.8-ENERGÍA DE LIGADURA NUCLEAREl núcleo está formado por protones y neutrones ocupando un espacio muy reducido,pero los protones son cargas eléctricas de igual signo (+) y deberían repelerse entresí, debe existir alguna fuerza que los mantenga unidos y esta debe ser una fuerzamuy intensa para superar la repulsión electrostática entre ellos.A esta fuerza se le llama INTERACCIÓN NUCLEAR O INTERACCIÓN FUERTE.Podemos medir la intensidad de esta fuerza midiendo la energía de ligadura de cadanúcleo. Una energía de ligadura grande supondrá grandes fuerzas de unión entrenucleones (neutrones y protones) y por lo tanto un núcleo muy estable.ENERGÍA DE LIGADURA (B) es la energía para separar de un núcleo sus partículas.Se ha observado que la masa de un núcleo una vez formado es ligeramente inferior a lasuma de las masas de los nucleones que lo componen (protones y neutrones) a esto sela lama DEFECTO DE MASA NUCLEAR.Lo que ocurre es que al formarse el núcleo parte de la masa se transforma en energíasegún la ecuación de Einstein E=mc2 y esta energía se libera. La energía de ligaduraes equivalente a esta energía liberada ya que indica la mayor o menor estabilidad deun núcleo de manera que:∆m = masa total de p+ y n0 de ese núcleo – masa real del núcleo = defecto demasa B = ∆m.c 2 siendo B la energía de ligaduraLa energía media de enlace por nucleón sería:A (número másico) =número de protones + número de neutronesEnergía media de enlace por nucleón = B/A es la energía necesaria paraextraer del núcleo una de sus partículas constituyentes.Ejemplo 2: La masa del 23 11 Na es de 22,9898 u calcula la energía de enlace por nucleón.mp=1,00720 u y mn=1,00859 u
  19. 19. Estas son muy diferentes de las fuerzas e interacciones conocidas hasta ahora. Secaracterizan por lo siguiente:a) Son fuerzas atractivas: mantienen unidos a protones y neutrones.b) Son de intensidad muy fuerte: pues vence la repulsión eléctrica entre protones.c) Son de corto alcance: sólo son apreciables a distancias muy cortas dentro de lo que es el tamaño del núcleo.d) Son independientes de la carga eléctrica.e) Son repulsivas a distancias demasiado cortas: los nucleones mantienen una cierta distancia entre ellos “no se tocan” y esa distancia es siempre la misma.La estabilidad de los nucleones de los diferentes elementos varía siendo más estableslos de masas intermedias.Los núcleos de elementos pesados son inestables ya que la gran concentración deprotones y neutrones aumenta la repulsión entre protones. De hecho a partir delbismuto A= 208,98 u todos los elementos de masa superior son radiactivos.Los núcleos ligeros al haber pocos nucleones, los enlaces entre ellos mediante lafuerza nuclear son pocos y aunque no son radiactivos (no se “rompen”espontáneamente) si se “rompen” con facilidad si chocan o reciben energía.Si situamos la fuerza nuclear dentro del conjunto de las interacciones existentes en lanaturaleza, hay que decir que existen cuatro tipos de interacciones: fuerte,electromagnética, débil y gravitatoria.

×