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2f 08 a fisica nuclear

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2f 08 a fisica nuclear

  1. 1. Tema 13:Física Nuclear Radiaciones alfa, beta y gamma Radiactividad Desintegración radiactiva Efectos biológicos y aplicaciones de la radiactividad Fuerzas nucleares Física El núcleo Nuclear atómico Energía de enlace Reacciones nucleares y radiactividad Reacciones Fisión nuclear nucleares Fusión nuclearPágina delProyectoNewton Partículas subatómicas Fuerzas fundamentales y fuerzas fundamentales 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 1
  2. 2. RadiactividadFue descubierta en 1896 por el físico francés Henri Becquerel casualmente mientras estudiaba lafluorescencia de sales de uranio.Es una propiedad que afecta al núcleo de los átomos de ciertas sustancias, llamadas sustanciasradiactivas, consistente en emitir radiaciones capaces de penetrar cuerpos opacos, ionizar elaire, impresionar las placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias.Al poco tiempo de descubrirse la radiactividad del uranio, se descubrieron nuevos elementosradiactivos: torio, polonio, radio y actinio.Las distintas radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas se clasificaron inicialmente ,según su poder de penetración, en radiación alfa (α), radiación beta (β) y radiación gamma (γ) 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 2
  3. 3. Radiactividad (Cont.)Sometiendo las radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas a la acción de un campoeléctrico, se comprobó que las partículas alfa y beta tenían carga eléctrica mientras que lasradiaciones gamma no se veían afectadas por el campo. Bloque de plomo No existe campo eléctrico: no hay desviación de las trayectorias rectilíneas de las partículas - + sustancia radiactiva Bloque de plomo + + + + + Partículas β: carga negativa - + Campo eléctrico Rayos γ: sin carga sustancia radiactiva - - - - - - Partículas α: carga positiva Evidentemente, estas partículas y radiaciones proceden de los átomos que forman la sustancia radiactiva, pero ¿de qué parte del átomo? ¿cuál es su naturaleza? 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 3
  4. 4. Hoy en día conocemos las características de las distintas radiaciones y sabemos que se originanen el núcleo de los átomos. Carga Masa Energía Naturaleza Símbolos (e) (u) cinética Núcleos de átomos de helio 4 4 α formados por 2 protones y 2 +2 4 MeV 2 He 2 α neutrones. Electrones rápidos procedentes de neutrones que se 0 0 β desintegran en el núcleo -1 0,00055 MeV −1 e −1 β 1 0 n →1 p + −0 eν 1 1 + e neutrón protón electrón antineutrino Radiaciones 0 γ electromagnéticas más 0 0 keV-MeV 0 γ energéticas que los rayos X e =1, 6 × −19 C 10 u =1, 66 × −27 kg 10 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 4
  5. 5. Desintegración radiactivaCuando un núcleo de un átomo radiactivo emite radiación α, β o γ el núcleo cambia su estadoenergético (γ) o se transforma en otro distinto (α, β). En este último caso se dice que ha tenidolugar una desintegraciónLa desintegración radiactiva es un proceso aleatorio gobernado por leyes estadísticas Muestra radiactiva Inicial Final, después de un tiempo tNúcleos presentes: No N Ley de emisión radiactiva: N = N o ×e − λ×tConstante radiactiva o de desintegración λ representa la probabilidad que tiene un núcleoradiactivo de desintegrarse en la unidad de tiempo. Su unidad en el S.I. es el s –1. Así si λ del Ra es 0,000428 años -1 = 1 / 2236 por año, indica que la probabilidad de desintegración radiactiva es de 1 átomo por cada 2336 átomos de radio en un año . Esto puede parecer poco, pero recuerda que 1 mol de radio (226 g) contienen 6,02·1023 átomos 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 5
  6. 6. Otras magnitudes características de la desintegración radiactiva Actividad radiactiva o velocidad de desintegración A es el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una muestra radiactiva. La actividad de una muestra en el instante que contiene N núcleos radiactivos es: Aλ N× = La actividad radiactiva se mide en el S.I. en Becquerel (Bq): desintegración 1 Bq = 1 s Otras unidades: el curio (Ci) y el Rutherford (Rf) 1 Ci =3, 7 × 10 Bq 10 (Es la actividad que corresponde a 1 g de radio ) 1 Rf =106 Bq En el instante inicial la actividad es: Aλ = × 0 N 0 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 6
  7. 7. Otras magnitudes características de la desintegración radiactiva(Cont.) Período de semidesintegración o de semivida T es el tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos presentes en una determinada muestra se reduzca a la mitad. Su unidad en el S.I. es el segundo (s) ln 2 0,693 Su relación con la constante radiactiva es: T= T= N0 λ λ Ver deducción Núcleos presentes N0 2 N0 4 N0 N0 8 16 T 2T 3T 4T t 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 7
  8. 8. Otras magnitudes características de la desintegración radiactiva(Cont.) Vida media τ representa el tiempo que por término medio tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva. 1 τ= λ A partir del periodo de semidesintegración podemos escribir que: ln 2 ln 2 × 1 T T= = = ln 2τ × τ= λ λ ln 2 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 8
  9. 9. Cuadro-resumen de las magnitudes radiactivasMagnitud Simbolo Significado Unidad SI Otras unidades Representa la probabilidad que tieneConstante un núcleo radiactivo de desintegrarse 1radiactiva o de λ en la unidad de tiempo. = s −1 h−1 ; día−1 ; año−1desintegración s Es el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una muestra Curio (Ci)Actividad radiactiva.radiactiva o Rutherford (Rf)velocidad de A A = λ⋅N Becquerel (Bq) 1 Ci=3,7·1010 Bqdesintegración N = número de núcleos presentes 1 Rf= 106 Bq Tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos presentes enPeríodo de una determinada muestra se reduzcasemide- T a la mitad. 0,693 s h , día , añosintegración T= λ Tiempo que por término medio tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva.Vida media τ 1 T s h , día , año τ= τ= λ 0,693 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 9
  10. 10. Muestra radiactiva Inicial Final, después de un tiempo t − λ×Núcleos presentes: No N = N o ×e t NActividad: Ao A = A o ×e − λ×t AMasa : mo m = m 0 ×e − λ×t m Ley de emisión radiactiva: N = N o ×e − λ×t N ×A r N 0 ×A r − λ×t λ ×N = λ ×N o ×e − λ×t = ×e NA NA A = A o ×e − λ×t m = m 0 ×e − λ×t 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 10
  11. 11. Ejercicio 3 de la página 366: 7 Datos: N = N0 ; t = 1,54 días ; 8 a) Aplicamos la ley de emisión radiactiva: N = N 0 ×e − λ×t 7 Sustituimos el valor de N y de t: N 0 = N 0 ×e − λ ×1,54 8 7 Tomamos logaritmos neperianos: lnλ 1,54 × =− × e ln 8 1 7 Despejamos la constante radiactiva: λ = − ×ln = 0,087 día −1 1,54 8Si el tiempo lo hubiésemos puesto en segundos, como 1,54 días = 133056 s, laconstante radiactiva sería: 1 7 λ=− ×ln = 1,0 × −6 s −1 10 133056 8 b) El período de semidesintegración T se relaciona con la constante radiactiva λ por la expresión: ln 2 ln 2 T= = = 8 días λ 0,087 También lo hemos podido calcular en segundos. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 11
  12. 12. Efectos biológicos y aplicaciones de la radiactividad Grado de peligrosidad de las distintas radiaciones para el ser humano Fuentes externas al organismo Fuentes internas al organismo Es más peligrosa la radiación que Es más peligrosa la radiación que tenga mayor poder de penetración: tenga mayor poder de ionización α β γ γ β α Aumento de la peligrosidad Aumento de la peligrosidad Cantidad de energía absorbida por unidad de masa de la sustancia irradiada. Su unidad S.I. es el Gray (Gy) = 1 J/kg Dosis absorbidaLa medida de losefectos biológicos Es el producto de la dosis absorbida por el coeficiente de eficacia biológica relativa,de la radiación característico de cada radiación. Su unidad Dosis equivalente S.I. es el Sievert (Sv) ; 1 Sv = 100 rem 1 Sv es la cantidad de radiación que produce el mismo efecto biológico que la absorción de 1 J de rayos γ en 1 kg de materia orgánica Aplicaciones Medicina, Industria, Química, Agricultura, etc 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 12
  13. 13. El núcleo atómico Todas las experiencias posteriores al descubrimiento de la radiactividad indicaron que las emisiones radiactivas era un fenómeno que afecta sólo al núcleo de los átomos de las sustancias radiactivas, independientes del estado físico o químico de la misma A partir del modelo atómico de Rutherford (1911) y del descubrimiento del neutrón (1932) sabemos que el núcleo de los átomos está compuesto por los protones (que aportan la carga positiva del átomo) y los neutrones, que reciben el nombre común de nucleones. En el núcleo se concentra más del 99% de la masa del átomo.Los átomos y sus núcleos se caracterizan por el número atómico Z (el número de protones delnúcleo) y el número másico A ( el número de nucleones del núcleo) Por tanto, un núcleo atómico está formado por Z protones y (A – Z) neutrones, siendo la carga positiva del núcleo + Z·e , donde e es el valor de la carga del electrón. Como la corteza de los átomos, los núcleos presentan distintos niveles cuánticos de energía. Cuando un núcleo pasa de un estado excitado (más energético) a otro menos energético emite energía en forma de rayos γ y rayos X, en un proceso análogo a la emisión de radiación en las transiciones electrónicas. Los valores de estas energías en el núcleo son del orden del MeV, mientras que en la corteza de los átomos son del orden del eV. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 13
  14. 14. ÁTOMO 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 14
  15. 15. NÚCLEO 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 15
  16. 16. Los protones y los neutrones no son tan elementales como creíamosA su vez están formados por otras partículas más elementales: los QUARKSEn concreto, el protón de 2 quark up y 1 quark down , y el neutrón por 2 quark down y 1quark up. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 16
  17. 17. Fuerzas nuclearesEl radio del átomo es del orden de 10–10 m, mientras que el del núcleo es unas cien milveces menor, 10–15 m ( 1 fermi).¿Cuál es el valor de la fuerza gravitatoria con la que se atraen los protones en el núcleo?: m protón ×m prtón 1,673 × −27 × 10 1,673 × −27 10 Fg = G 2 = 6,67 ×10 −11 −15 2 = 1,867 × −34 N 10 rnúcleo (10 )¿Cuál es el valor de la fuerza eléctrica con la que se repelen los protones en el núcleo?: q protón ×q prtón 1,6 × −19 × × −19 10 1,6 10 Fe = K = 9× × 10 9 = 230, 4 N (10−15 ) 2 2 rnúcleo 1,867 × −34 N 10 La fuerza eléctrica de repulsión es:Comparándolas, vemos que: ; 10−36 1 6000 000 5000 000 4000 000 3000 000 2000 0001000 000 230, 4 N veces mayor que la fuerza gravitatoria de atracción.¿Cómo se explica que en tan reducido espacio las repulsiones eléctricas entre los protonesque exige la ley de Coulomb (no compensadas por la atracción gravitatoria entre losnucleones, que es 1036 veces menor) no produzcan la destrucción del núcleo?En el núcleo, a distancias tan pequeñas, se perciben los efectos de un nuevo tipo defuerzas, que explican la estabilidad nuclear. Son las fuerzas nucleares, de muy cortoalcance y muy intensas.Las hay de dos tipos, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débilLas características de estas fuerzas se resumen en la siguiente diapositiva: 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 17
  18. 18. La fuerza nuclear fuerte : La fuerza nuclear débil :▪ Es una fuerza de atracción entre nucleones, ▪ Es una fuerza que actúa en todo tipo de partículas, con independencia de su carga eléctrica aunque sus efectos son más apreciables en las partículas no sometidas a la interacción nuclear fuerte.▪ Es la responsable de la cohesión del núcleo ▪ Es la responsable de la emisión β▪ Es de corto alcance (10–15 m) ▪ Es de corto alcance (10–17 m)▪ Se anula a distancias superiores a 10–15 m ▪ Se anula para distancias superiores a 10–17 m▪ A distancias muy cortas ( menor que 10–15 m) son repulsivas para evitar que el núcleo se colapse hacia dentro (impide que la materia se aplaste totalmente). Es de carácter saturado: se satura con los núcleos próximos y aunque haya muchos núcleos en las proximidades no influyen en el aumento de la fuerza, al contrario que la fuerza gravitatoria, que no se satura.▪ Son más intensas que cualquier otro tipo de ▪ Son más intensas que las gravitatorias pero menos fuerza: electromagnética, gravitatoria o nuclear que la electromagnética y la nuclear fuerte débil 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 18
  19. 19. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 19
  20. 20. FUERZAS FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA Intensidad Partícula Mediadora Interacción Alcance Relativa (bosones) Fuerte 1 Corto GluónElectromagnética 0.0073 Largo Fotón Débil 10-9 Muy Corto Bosones W , Z Gravitacional 10-38 Largo Gravitón ? 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 20
  21. 21. Energía de enlaceSi se quiere romper un núcleo para aislar sus nucleones , hay que aportar cierta energía. Estaenergía coincide con la energía liberada al formarse el núcleo a partir de sus nucleones aisladosy recibe el nombre de energía de enlace Nucleones aislados + Núcleo +La masa de La masa delestas + + núcleo: M Npartículas: Z ×m p + (A − Z) ×m n En todos los núcleos de los átomos se cumple que: Z ×m p + (A − Z) ×m n > M N La diferencia de masas es el defecto de masa Δm : Δm = Z ×m p + (A − Z) ×m n − M N Esta masa, que se transforma en energía según la ecuación de Einstein, constituye la energía de enlace: ΔE = Δm ×c 2 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 21
  22. 22. Energía de enlace (Cont.) Para comparar la energía de enlace de los distintos núcleos, se calcula la energía de enlace por nucleón que es el cociente de dividir la energía de enlace entre el número de nucleones. Cuanto mayor es este cociente, más estable es el núcleo, ya que se necesitará aportar más energía para romper el núcleo. Su valor medio es aproximadamente de 8,3 MeV ΔE A (MeV) Energía de enlace por nucleón en función del número másico 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz A 22
  23. 23. Representación gráfica del número de neutrones frente al número de protonespara núcleos estables número de neutrones > número de protones 12 32 56 238 6 C 16 S 26 Fe 92 U Protones 6 16 26 92 Neutrones 6 16 30 146 número de neutrones = número de protones 100 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 23
  24. 24. Actividad 1 : Calcula el equivalente energético de la unidad de masa atómica u Datos : 1 u = 1,66 ·10 – 27 kg ; c = 3 ·10 8 m/s 1 eV = 1,6 ·10 – 19 J Si la masa de 1 u se transforma en energía se obtienen: ΔE = Δm ×c 2 = 1,66 × −27 × × 8 ) 2 = 1, 49 × −10 J 10 (3 10 10 −10 1 eV 1 MeV 1, 49 × 10 J× −19 × 6 = 931 MeV 1,6 × 10 J 10 eV 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 24
  25. 25. Ejercicio 9 de la página 348: Datos: A (Ra) = 226; Ar (Ra) = 226,0254 u ; Z (Ra) = 88 ; m p = 1,0073 u ; m n = 1,0087 u ; a) El defecto de masa El defecto de masa ∆m vale: ∆m = [Z · m p + (A – Z ) · m n ] – M N Sustituimos los valores para el radio 226, tomando como masa nuclear M N la masa atómica A r : ∆m = [ 88 ·1,0073 + (226 – 88) · 1,0087] – 226, 0254 = 1,8176 u b) La energía de enlace por nucleón Hemos calculado en el ejercicio anterior el equivalente energético de la unidad de masa atómica. Utilizaremos este dato para calcular la energía de enlace del radio. 931 MeV ΔE = 1,8176 u × = 1692,18 MeV 1 u Como el radio tiene A = 226 nucleones, dividiendo el valor anterior por A, obtendremos la energía de enlace por nucleón ΔE 1692,18 = = 7,5 MeV A 226 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 25
  26. 26. 55Actividad 2: Sabemos que la energía de enlace por nucleón del 25 Mn vale 1,408 · 10–12 J . Calcular su masa atómica. Datos: ΔE/A (Mn-55) = 1,408 · 10–12 J ; ; m p = 1,0073 u ; m n = 1,0087 u ; c = 3 ·10 8 m/s 1 u = 1,66 ·10 – 27 kg ; A partir de la expresión del defecto de masa ∆m , podemos calcular la masa atómica Ar ( la masa del núcleo, MN , ya que despreciamos la masa de los electrones) ∆m = [Z · m p + (A – Z ) · m n ] – A r El defecto de masa lo podemos calcular a partir de la enegía de enlace ∆E , que a su vez podemos obtener de la energía de enlace por nucleón: ΔE = 1, 408 × −12 J 10 ΔE = 1,408 × −12 J ×A = 1,408 × −12 J ×55 10 10 A ΔE = 7,774 × −11 J 10 A partir de la ecuación de Einstein, calcularemos el defecto de masa: ΔE 7,744 ×10− 11 ΔE = Δm ×c 2 Δm = 2 = = 8,804 ×10− 28 kg c (3 ×108 ) 2 1 u Expresamos esa masa en u: 8,804 ×10 kg × − 28 − 27 = 0,518 u 1,66 ×10 kg Finalmente, calculamos la masa atómica , despejándola de la primera ecuación:A r = [Z · m p + (A – Z ) · m n ] – ∆m = 25·1,0073+30·1,0087 – 0,518 = 54,9255 u 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 26
  27. 27. Reacciones nucleares Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen directamente los núcleos de los átomos, transformándose en otros distinto. La primera reacción nuclear de la historia la produjo E. Rutherford en 1919 bombardeando núcleos de átomos de nitrógeno con partículas alfa. Las partículas alfa eran absorbidas por el núcleo, que se transformaba en otro distinto y emitía un protón Se cumple siempre que la suma de los números 14 7 N + 4 2 He → 17 8 O + 1 1 H atómicos y la suma de los números másicos a ambos lados de la reacción tienen que ser iguales. Las reacciones nucleares tienen dos miembros: en el izquierdo se pone la partícula incidente y el núcleo que se va a transmutar , y en el derecho, el núcleo formado y la partícula emitida. También se pueden escribir así: 14 N ( 2 He, 1 H ) 17 O 4 1 14 7 8 7 N (α,p) 17 O 8Las reacciones nucleares son procesos de choque en los que se conserva: ▪ la energía ▪ la cantidad de movimiento ▪ el momento angular ▪ el número de nucleones (A) ▪ la carga (número de protones , Z) Otras reacciones nucleares: 238 92 U + n → 1 0U → Np + 239 92 239 93 0 −1 e 27 13 Al + He → P + n 4 2 30 15 1 0 (Inició la radiactividad artificial) 14 7 N + H → He + 1 1 C 4 2 11 6 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 27
  28. 28. Actividad 3 : Completa los números y los símbolos que faltan en las siguientes reacciones nucleares: y x ? + 1 0 n → 13 6 C + 4 2 ? 16 y 16 8x8 O + 0n → ? 1 13 6 C + 4 2 He 9 4 ?+ y x ? → 7 3 Li + 4 2 He Be + H → 99 44Be + ? 2y 2 1x 1 7 3 Li + 4 2 He 27 13 Al + 1 0 n → y x ? + 1 1 ? 27 13 Al + 0 n 1 → y 27 x 12?? + 1+ H1 H + 1 Mg 11H 1 238 92 U + 2? 1 → y x ? + 1 0 ? 238 238 92 92 U + 21 H 1 2 → 239y 93x Np + ? ? 1 0 n 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 28
  29. 29. Reacciones nucleares y radiactividad Cuando un núcleo es inestable, tiende a transformarse de forma que los productos resultante de esa transformación sean más estables (menos energéticos) El proceso es una reacción nuclear en la que se libera energía. Los núcleos de las sustancias radiactivas son muy inestables y de forma espontánea producen emisiones radiactivas Emisión de partículas α (Ley de Soddy) A −4 A Z X → Z− 2 Y + 4 2 HeEsta reacción indica que cuando un núcleo padre (de símbolo X) con un número atómico Z yun número másico A emite una partícula α, se transforma en un núcleo hijo ( de símbolo Y) ,cuyo número atómico es dos unidades inferior al del núcleo padre y cuyo número másicoes cuatro unidades inferior al del núcleo padre. Emisión de partículas β (Ley de Fajans) A Z X → A Z+1 Y + 0 −1 eEsta reacción indica que cuando un núcleo padre (de símbolo X) con un número atómico Z yun número másico A emite una partícula β, se transforma en un núcleo hijo ( de símbolo Y) ,cuyo número atómico es una unidad superior al del núcleo padre y cuyo número másico esigual al del núcleo padre. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 29
  30. 30. ¿ Cómo del núcleo de un átomo pueden salir electrones? + Como sabemos, en el núcleo de los + átomos no hay electrones. Solo protones y + neutrones.Un neutrón da lugar a un n → 1 p + −0 eν νe = 1 + 1 antineutrino electrónicoprotón, un electrón y un 0 1 e • No tiene cargaantineutrino electrónico + • Su masa es 200 000 veces más pequeña que la masa del electrón • Sin él no se cumpliría el principio de conservación de la energía ni de la cantidad de movimiento. + + + + emisión de partículas betas negativas Así salen electrones del núcleo Núcleo A=7 Núcleo A=7 padre Z=3 hijo Z = 4 ( su número atómico una unidad mayor )Los núcleos también pueden emitir positrones (electrón positivo): Esta reacción está prohibida para protones libres, puesUn protón da lugar a un implicaría una violación del principio de conservación de laneutrón, un positrón y 1 1 p → 0 n + +0 eν 1 1 + e energía, ya que la suma de las energías de los productosun neutrino electrónico resultantes sería mayor que la del protón. Sin embargo, para protones ligados (i.e., formando parte de un núcleo), puede ocurrir que la diferencia de energías entre el núcleo emisión de partículas betas positivas final y el inicial sea suficiente para crear las partículas (más propia de la radiactividad artificial) resultantes, en cuyo caso la reacción está permitida. (i.e. id est/ita est//esto es/en otras palabras) 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 30
  31. 31. Reacciones nucleares y radiactividad (Cont.)Tras una desintegración alfa o beta, el núcleo hijo suele ser también inestable y sufre otradesintegración dando lugar a otro núcleo distinto. Y así ocurre con desintegracionessucesivas hasta que se llega a un núcleo estable. El conjunto de todos los isótopos queforman parte del proceso constituye una serie o familia radiactiva.Actualmente se conocen tres familias radiactivas naturales.▪ Familia del uranio-radio: va desde el uranio-238 hasta el plomo-206 Ver familia P.Newton Números másicos A = 4n+2 , desde n = 59 hasta n = 51▪ Familia del uranio-actinio: va desde el uranio-235 hasta el plomo-207 Números másicos A = 4n+3 , desde n = 58 hasta n = 51▪ Familia del torio: va desde el torio-232 hasta el plomo-208 Números másicos A = 4n , desde n = 58 hasta n = 52En las series naturales todas las transmutaciones ocurren por emisiones alfa y beta. Emisión de radiación γ La emisión de radiaciones gamma de un núcleo radiactivo no supone su transformación en un núcleo distinto, sino que tiene lugar un reajuste energético en el mismo: A Z X* → A Xγ + Z un núcleo atómico que se halla en un nivel energético excitado pasa a otro nivel menos energético y emite la diferencia de energía en forma de radiación electromagnética (rayos gamma). 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 31
  32. 32. Ejemplo de desintegración alfa 4 95 93 2 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 32
  33. 33. Ejemplo de desintegración alfa 263 106 Sg 157 → 259 104 Rf155 + 4 2 He2 Seaborgio Rutherfordio Partícula alfa El subíndice de la derecha de color verde representa el número de neutrones. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 33
  34. 34. Ejemplo de desintegración beta 0 1 2 –1 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 34
  35. 35. Ejemplo de desintegración beta 14 6 C8 → 14 7 N7 + 0 −1 eν + e Carbono Nitrógeno Electrón Antineutrino El subíndice de la derecha de color verde representa el número de neutrones. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 35
  36. 36. Ejemplo de emisión de radiación gamma 152 66 Dy → * 86 152 66 Dyγ + 86 Disprosio Rayos gamma 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 36
  37. 37. Ejemplo de desintegración beta + 18 9 F9 → 18 8 O8 + 0 +1 eν + e Flúor Oxígeno Positrón Neutrino El subíndice de la derecha de color verde representa el número de neutrones. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 37
  38. 38. Fisión nuclear (escisión o rotura del núcleo) 1 0 n neutrón rápido 92 36 Kr 142 1 n 56 Ba 0 neutrón lento 236 235 92 U 1 0 n neutrón rápido Esta es la reacción nuclear producida: 235 92 U + 1 0 n → 236 U → 92 142 56 Ba + 92 36 Kr + 2 0 n 1 Como productos aparecen: ▫ 2 núcleos de nuevos elementos ▫ 2 o 3 neutrones rápidos ▫ gran cantidad de energía 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 38
  39. 39. Fisión nuclear La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado se divide en otros dos más ligeros al ser bombardeado con neutrones. En el proceso se liberan más neutrones y gran cantidad de energía. 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U→ 141 56 Ba + 92 36 Kr + 3 0 n 1 Los productos de esta reacción presentan un defecto de masa de 0,2154 u, que corresponde a una energía liberada de 200,5 MeV por cada núcleo de uranio-235 931 MeV∆m = Ar (U-235) + mn – Ar (Ba) + Ar (Kr) + 3· mn = 0,2154 u × = 200,5 MeV 1uLos isótopos más utilizados en la fisión nuclear son el U-235 y el Pu-239Los neutrones liberados por la fisión pueden fisionar otros núcleos dando lugar a una reacciónen cadena 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 39
  40. 40. Fisión nuclear 235 92 U + 1 0 n → 236 U → 92 142 56 Ba + 92 36 Kr + 2 0 n 1 Reacción en cade 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 40
  41. 41. En el año 1942 el físico Enrico Fermi produjo, en la Universidad de Chicago, la primerareacción en cadena controlada. Fisión nuclear en cadena Premio Nóbel de Física 1938 Controlada No controlada Si el número de neutrones liberados En este caso no existe ningún es muy alto, se introduce un elemento controlador que absorba material que absorbe el exceso de los neutrones en exceso y la neutrones y se evita que la reacción reacción tiene lugar de forma prosiga de forma incontrolada explosiva pues se libera toda la (explosiva) energía en muy poco tiempo. Se produce en las centrales Se produce en las bombas nucleares y en los generadores nucleares auxiliares de submarinos 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 41
  42. 42. Fusión nuclear (unión de núcleos) La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos ligeros se unen para formar otro más pesado. En el proceso se libera gran cantidad de energía.Núcleo de 2 H (deuterio) 1 4 + Núcleo de 2 He (helio) ++ ► ► + + 1 + 0 n (neutrón) 3Núcleo de 1 H(tritio) Fusión de los núcleos 2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n + Energía Los productos de esta reacción presentan un defecto de masa de 0,0189 u, que corresponde a una energía liberada de 17,6 MeV por átomo de helio-4 formado 931 MeV ∆m = Ar (H-2) + Ar (H-3) – Ar (He-4) + mn = 0,0189 u × = 17,6 MeV 1u Para conseguir la fusión de los núcleos es necesario vencer la repulsión electrostática entre ellos, para lo que se les suministra una energía térmica muy elevada ( correspondiente a temperaturas superiores a 106 K ) 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 42
  43. 43. Fusión nuclear en cadena Controlada No controlada Aún no se ha Se produce en la bomba atómicaconseguido de forma rentable, de hidrógeno (termo-nuclear).debido a la dificultad técnica que Para conseguir la altasupone confinar los reactivos, temperatura necesaria para laque, a temperaturas tan elevadas, fusión se utiliza una bombaestán en estado de plasma atómica de fisión 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 43
  44. 44. Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales Sabemos , desde principios del siglo XX ,que el átomo está formado por otras partículas más simple que él: los electrones, los protones y los neutrones.Todas ellas pueden emitir o absorber otro tipo de partículas: los fotones. Son partículas subatómicas. Pero desde entonces hasta nuestros diás, nuestro conocimiento del mundo subatómico ha avanzado mucho. Lista de partículas Hoy sabemos que la mayoría de las partículas subatómicas están, a su vez, formadas por otras partículas más simples, denominadas partículas elementales. Las partículas elementales son aquellas que no se pueden descomponer en otras más simples. Cada partícula subatómica ( elemental o no ) tiene asociada una antipartícula de igual masa y espin pero con carga eléctrica y momento angular opuestos. Actualmente se conocen centenares de partículas subatómicas. Todas ellas se clasifican en dos grupos, según si están sometidas a la acción de la fuerza nuclear fuerte o no. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 44
  45. 45. Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales (Cont.)No sienten la interacción nuclear fuerte Sienten la interacción nuclear fuerte Leptones Hadrones • Son partículas elementales • No son partículas elementales • Hay seis tipos: • Están formadas por quarks◘ el electrón e– ◘ el neutrino del electrón νe • Los quarks son partículas elementales.◘ el muón μ ◘ el neutrino del muón νμ • Hay seis tipos de quarks:◘ el tauón τ ◘ el neutrino del tauón ντ ◘ up u ◘ charme c ◘ top t ◘ down d ◘ strange s ◘ botton b • Hay dos grupos de hadrones. Mesones Bariones • Están formados por un quark y un antiquark. • Están formados por tres quarks. ◘ mesones π o piones (π0 , π+ , π– ) ◘ protones ◘ mesones K o kaón ◘ neutrones Lista de mesones Lista de bariones Todas estas partículas tienen asociada una antipartícula, como antes dijimos. Applet sobre quarks 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 45
  46. 46. Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales (Cont.2)Todas estas partículas tienen asociada una antipartícula, como antes dijimos. Partícula Antipartícula asociada electrón e– positrón e+ protón p antiprotón p neutrón n antineutrón n neutrino ν antineutrino νCuando una partícula choca con su antipartícula, se aniquilan ambas ( aniquilación de pares ) y lamasa total de ambas se transforma en energía.También existe el fenómeno inverso: la producción de pare; se transforma energía en un par departículas, como cuando un fotón de alta energía choca con un núcleo, el foton desaparece y sematerializa en un par electrón-positrón. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 46
  47. 47. Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales (Cont.3) 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 47
  48. 48. Partículas subatómicas y fuerzas fundamentalesTodas las fuerzas de la naturaleza pertenecen a uno de estos tipos. Fuerzas de la naturaleza Gravitatoria Electromagnética Nuclear fuerte Nuclear débil• Se ejercen entre dos • Se ejercen entre cuerpos cuerpos cualesquiera con carga eléctrica.• Son siempre atractivas • Atractivas o repulsivas Ver diapositiva 18• Es la más débil. Sólo es • Son más intensas que las apreciable cuando uno gravitatorias pero menos de los cuerpos tiene gran que la nuclear fuerte. masa, como un planeta. Se pueden interpretar que esta interacciones se propagan mediante partículas portadoras. Algunas de estas partículas ya ha sido detectadas, como los fotones ( interacción electromagnética) y los piones (interacción protón-neutrón). El gravitón ( interacción gravitatoria), el gluón (interacción entre quarks) y la partícula W (interacción entre leptones) sólo son hasta la fecha predicciones teóricas. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 48
  49. 49. INICIO14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 49
  50. 50. Partículas elementales en Física Fermiones Bosones de Gauge Quarks Leptones Bosones W y Z Fotón GluónArriba Encantado Cima Electrón Muón Tau Bosones hipotéticosAbajo Extraño Fondo e-neutrino μ-neutrino τ-neutrino Gravitón Bosón de Higgs Fermión Símbolo Masa Familia del electrón Neutrino electrónico < 2.5 eV Antineutrino electrónico < 2.5 eV Familia del muón Neutrino muónico < 170 keV Antineutrino muónico < 170 keV Familia del tau Neutrino tauónico < 18 MeV Antineutrino tauónico < 18 MeV VOLVER Obtenido de " http://es.wikipedia.org/wiki/Antineutrino" 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 50
  51. 51. Antoine Henri Becquerel Marie Sklodowska Curie Pierre CuriePremio Nóbel de Física 1903 Premio Nóbel de Física 1903 Premio Nóbel de Física 1903 Premio Nóbel de Química 1911 VOLVER 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 51
  52. 52. Para una muestra radiactiva que inicialmente tiene N0 núcleos , cuando ha transcurrido un periodo de semidesintegración T , se cumple que: No ● el número de núcleos presentes N es : N= 2 ● el tiempo transcurrido t es : t=T − λ×Aplicamos la ley de emisión radiactiva: N = N 0 ×e t 1Sustituimos el valor de N y de t y simplificamos: N 0 = N 0 ×e − λ×T 2 =1 1 1Tomamos logaritmos neperianos: ln = ln e − λ×T lnλ T − × × e = ln 2 2 + ln 2λ + × − =−TFinalmente, despejamos la constante radiactiva: ln 2 0,693 λ= λ= T T VOLVER 52 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz
  53. 53. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 53
  54. 54. Reacciones nucleares frente Reacciones químicas Reacción nuclear = Transformación de un núclido en otro Reacción química = Transformación de unas sustancias en otras Reacción nuclear Reacción Química Se producen nuevos elementos No se producen nuevos elementosCambios de energía muy grandes Cambios de energía moderados(1 g 235U = 8.2 x 107 kJ) (combustión de 1 g CH4 = 52 kJ)Depende del tipo de isótopo No depende del isótopo 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 54
  55. 55. 1 . HENRI BECQUEREL Poco después de que se descubriera los rayos X, en 1895; Antoine Henri Becquerel (1852-1908) mostró un fenómeno que no era explicable de acuerdo con el modelo inmutable que se tenía de los átomos. Había observado repetidas veces que unas placas fotográficas envueltas en papel negro junto a un cierto mineral (que luego sería denominado pecblenda), se habían ennegrecido (se habian velado). Esto sucedía de un día para otro, es decir en un tiempo relativamente cortos, lo que hacía suponer que el cambio se debía a un agente externo. No podía entrar luz a las placas, y éstas no habían sido calentadas. Tampoco podían haber sido afectadas por algun agente químico. Al revelar la placa apareció que algún rayo emitido por el mineral debía haber penetrado a través del papel.Pero, ¿cómo había sucedido esto? El peso de la evidencia, tras mucho repetir la operación, llevó a laconclusión que existía "algo" producido o emitido por la pecblenda, que atravesaba la gruesa protecciónde las placas fotográficas de la época y las impresionaba igual que cuando se sacaba una fotografíaexponiéndolas a la luz visible común. De este modo Becquerel descubrió la radiactividad. Posteriormente,mostraría que los rayos provenientes del uranio podían ionizar el aire y también eran capaces de penetrara través de láminas metálicas delgadas. 2 . MADAME CURIE En 1898, Marie Sklodowska Curie (1867-1934), con su esposo Pierre Curie (1859- 1906), dirigió sus investigaciones a la radiactividad. En poco tiempo el matrimonio Curie descubrieron dos elementos nuevos, el polonio y el radio, ambos radiactivos. Para confirmar su trabajo sobre el radio, procesaron una tonelada de residuos de pecblenda, para obtener 0.1 g de cloruro de radio puro, que usaron para efectuar más estudios sobre las propiedades del radio y determinar su masa atómica. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 55
  56. 56. 3 . ERNEST RUTHERFORD Ernest Rutherford, en 1899, comenzó a investigar la naturaleza de los rayos emitidos por el uranio. Encontró dos tipos de rayos, a los que llamó rayos alfa y beta. Pronto se dio cuenta que el Uranio, al emitir estos rayos, se transformaba en otro elemento. A la altura de 1912 se conocían ya más de 30 isótopos radiactivos y hoy se conocen mucho más. Paul Villard descubrió en 1900, los rayos gamma, un tercer tipo de rayos que emiten los materiales radiactivos y que es semejante a los rayos X. De acuerdo con la descripción del átomo nuclear, Rutherford se atribuyó el fenómeno de la radiactividad a reacciones que se efectúan en los núcleos de los átomos. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 56
  57. 57. Medida de la radiactividad (Opcional)Inicialmente los primeros investigadores que estudiaron la radiactividad midieron solamentela actividad de la muestra. La actividad física, utilizando el becquerel, el rutherford y el curio.Pero es importante conocer no sólo el número de partículas emitidas sino también la energíatotal que tienen y la energía cedida en un recorrido a través de la materia. Una unidad de este tipo se puede aplicar a la medida de todas las radiaciones: radiación cósmica, partículas procedentes del espacio, ultravioleta, rayos X, rayos gamma, radiación natural de la Tierra, etc. Debes saber que las dos terceras partes de la dosis de radiación ionizante recibida por un hombre europeo corresponde a la radiactividad de origen natural (del espacio y del Sol) y una cuarta parte a las irradiaciones por servicios médicos (rayos X ) Unidades de exposición Se propuso el roentgen como unidad para cuantificar la exposición a la radiactividad. El Roentgen se definió midiendo la ionización del aire atravesado por una radiación. Una radiación es de 1 Roentgen cuando el aire expuesto a ella se ioniza con un carga eléctrica total de 2,58 •10 – 4 culombios por kg de aire (medido en condiciones normales). Unidades de absorción Como la medida de los valores de exposición sólo puede hacerse en gases y se deseaba tener una manera de medir los efectos biológicos y físicos de la radiación sobre la materia viva, se definió la dosis absorbida. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 57
  58. 58. Medida de la radiactividad (Cont.) (Opcional) Se definen el rad y el gray como: 1 rad (radiation absorbed dose) equivale a 10 –5 J absorbidos por cada gramo de materia expuesta. En el S.I la dosis de radiación absorbida es el gray = J/kg. Su equivalencia es: 1 gray = 100 rad. Dosis equivalentes Para matizar la "calidad" de la radiación absorbida, la unidad definida a partir de la energía se multiplica por una constante “q”. Los valores de “q” son: q =1 para las gamma y beta; q =3 para neutrones térmicos; q =10 para las alfa y neutrones pesados; q =20 para iones pesados; etc. Por lo tanto la radiación absorbida (dosis absorbida) multiplicada por el factor q dará una dosis equivalente en cualquier tipo de radiación. Para medir la dosis equivalente de radiación se introducen el Rem (Roetgen equivalent for man) y Sievert (Sv). Se define el rem como la radiación de 1 rad exclusivamente de radiación gamma; o la radiación de 0,1 rem de radiación alfa. rem = rad•q En el S.I se define el Sievert (sv) = 100 rem (gamma) Sievert (sv) = 1 gray de radiación gamma. Sievert (sv)= 1 gray ·q 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 58
  59. 59. Medida de la radiactividad (Cont.2) (Opcional) Los valores de “q” son: q=1 para las gamma y beta q=3 para neutrones térmicos q = 10 para las alfa y los neutrones pesados q = 20 para iones pesados, etc Las dosis absorbida puede referirse a todo el cuerpo o a un órgano en concreto; se pueden referir a una dosis puntual o expresar la suma de las dosis acumuladas en un periodo de tiempo. La dosis de radiación ionizante en Francia (país con numerosas centrales nucleares) es de 3,5 miliSievert año por habitante (2,4 mSv de la natural y 1,1 mSv de la artificial). Una exposición prolongada de todo el cuerpo a 5 Gray es mortal para el 50% de las personas. En radioterapia se realizan sesiones de 2 a 3 Gray cuatro días a la semana sobre una parte del organismo. 14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 59

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