1. Física nuclear
Esta parte de la Física estudia
Esta parte de la Física estudia
el comportamiento de los
el comportamiento de los
núcleos atómicos
núcleos atómicos

2. Física nuclear
CORTEZA
CORTEZA
Electrones
Electrones
NÚCLEO
NÚCLEO
Protones
Protones
Neutrones
Neutrones
PARTÍCULA CARGA MASA
Electrón (e-) -1,6.10-19 C 9,1.10-31 kg
Protón (p+) +1,6.10-19 C 1,67.10-27 kg
Neutrón (n) 0 1,67.10-27 kg
MATERIA ~ 10-9 m ÁTOMO ~ 10-10 m NÚCLEO ~ 10-14 m NUCLEÓN ~ 10-15 m
Átomo Electrón Protón Neutrón Quarks

3. TAMAÑO Y DENSIDAD DE LOS
NÚCLEOS I
• Rutherford fue el
primero que calculó el 1 QQ′
mv = k
2
tamaño del núcleo. 2 d
1 2 Ze 2
mv 2 = k
2 d
4kZe 2
d=
mv 2
El tamaño nuclear obtenido es
del orden de 10-14 m

4. TAMAÑO Y DENSIDAD DE LOS
NÚCLEOS II
• De la experiencia se pueden obtener dos
conclusiones básicas:
• Los núcleos atómicos son básicamente esféricos, si bien
sus bordes son difusos.
• El tamaño de los núcleos pequeños es del orden de 10-15
m.
• La unidad en la que se expresa el tamaño del núcleo es
el fentómetro (1 fm = 10-15 m) en honor a Enrico Fermi.
• La ecuación empírica que permite conocer el tamaño
del núcleo es: r ≡ 1,2 A1/3 fm

5. TAMAÑO Y DENSIDAD DE LOS
NÚCLEOS III
• Cálculo de la
densidad de los m m=1,66•10− 27 A kg
ρ =     → ρ =
1,66 • 10− 27 A
núcleos: V V
4 3 1,66 • 10 − 27 A r =1, 2 A1 / 3 fm
• Esta densidad V = πr  ρ = →   →
3 4 3
πr
es enorme, 2,4 3
1014 veces la 1,66 • 10 − 27 A 3 • 1,66 • 10− 27 A 4.98 • 10 − 27 kg
ρ= = = =
4 4π • (1,2 • 10−15 )3 A 2,17 • 10 − 44 m3
densidad del π (1,2 A )
1/ 3 3
3
agua 2,3 • 1017 kg / m3
2,3 1017 kg/m3
¿Qué fuerza es capaz de ofrecer estas
densidades?

6. Física nuclear
El núcleo está compuesto por
El núcleo está compuesto por
protones y neutrones y representa
protones y neutrones y representa
la carga positiva del átomo y el 99%
la carga positiva del átomo y el 99%
de su masa.
de su masa.
Las partículas constituyentes del
Las partículas constituyentes del
núcleo se llaman núclidos o
núcleo se llaman núclidos o
nucleones.
nucleones.
Número Másico
Número Másico Los átomos y sus núcleos
Los átomos y sus núcleos
A=N+Z
A=N+Z se caracterizan por el
se caracterizan por el
número
número atómico
atómico ZZ
Número
Número Número de (número de protones) y el
(número de protones) y el
Atómico Número de número másico A (número
número másico A (número
Atómico Neutrones
Neutrones de nucleones)
de nucleones)
ZZ N
N

7. Física nuclear
Todos los átomos de un determinado elemento químico tienen el
Todos los átomos de un determinado elemento químico tienen el
mismo número de protones (Z), pero pueden diferir en el número de
mismo número de protones (Z), pero pueden diferir en el número de
neutrones.
neutrones.
Los átomos de un mismo elemento químico (igual Z) que tienen distinto
Los átomos de un mismo elemento químico (igual Z) que tienen distinto
número de neutrones (distinto A), se denominan isótopos.
número de neutrones (distinto A), se denominan isótopos.
1 2 3
Isótopos del Hidrógeno:
1 H(protio) 1 H (deuterio) 1 H(tritio)
12
Isótopos del Carbono:
6 C (Carbono-12) 13C (Carbono-13) 14C (Carbono-14)
6 6

8. Física nuclear
A pesar de la repulsión electrostática entre los protones, los nucleones
A pesar de la repulsión electrostática entre los protones, los nucleones
se mantienen unidos debido a una fuerza muy intensa, de corto alcance
se mantienen unidos debido a una fuerza muy intensa, de corto alcance
y atractiva que se denomina interacción nuclear fuerte.
y atractiva que se denomina interacción nuclear fuerte.
FUERZAS FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA
Intensidad
Interacción Alcance Partícula Mediadora
Relativa
Fuerte 1 Corto Gluón
Electromagnética 0.0073 Largo Fotón
Débil 10-9 Muy Corto Bosones W , Z
Gravitacional 10-38 Largo Gravitón

9. Física nuclear
El valor de la masa del núcleo de un átomo es siempre menor que la
El valor de la masa del núcleo de un átomo es siempre menor que la
suma de las masas de los nucleones que lo componen. Esta diferencia
suma de las masas de los nucleones que lo componen. Esta diferencia
en la masa se denomina defecto de masa (∆m).
en la masa se denomina defecto de masa (∆m).
Nucleones aislados Núcleo
+
+
+ +
Z protones Núcleo con
N neutrones M nucleones = Z .m p + N .mn Z protones M nucleo
aislados N neutrones
Defecto de masa: ∆m = M nucleones − M nucleo

10. Física nuclear
De acuerdo con la ecuación de Einstein, el defecto de masa es
De acuerdo con la ecuación de Einstein, el defecto de masa es
equivalente a una energía dada por:
equivalente a una energía dada por:
E = ∆m.c 2
Esta energía se denomina energía de enlace del núcleo y es la energía
Esta energía se denomina energía de enlace del núcleo y es la energía
que se libera al formarse el núcleo a partir de sus nucleones
que se libera al formarse el núcleo a partir de sus nucleones
constituyentes. Coincide con la energía que hay que suministrar al
constituyentes. Coincide con la energía que hay que suministrar al
núcleo para separar los nucleones que lo forman.
núcleo para separar los nucleones que lo forman.
Dividiendo la energía de enlace del núcleo entre el número de
Dividiendo la energía de enlace del núcleo entre el número de
nucleones que contiene, se obtiene la energía de enlace por nucleón.
nucleones que contiene, se obtiene la energía de enlace por nucleón.
Cuanto mayor es la energía de enlace por nucleón, más estable es el
Cuanto mayor es la energía de enlace por nucleón, más estable es el
núcleo.
núcleo.
Unidad de masa atómica = 1 u =1,661.10-27 kg

11. Física nuclear
ΔE
A
(MeV)
Energía de enlace por nucleón en
función del número másico
A
El núcleo más estable es el hierro-56, al que corresponde una energía
El núcleo más estable es el hierro-56, al que corresponde una energía
de enlace por nucleón de 8,8 MeV/nucleón.
de enlace por nucleón de 8,8 MeV/nucleón.

12. Física nuclear
Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen
Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen
directamente los núcleos de los átomos, transformándose en
directamente los núcleos de los átomos, transformándose en
otros distintos.
otros distintos.
La primera reacción nuclear de la historia la produjo E. Rutherford en 1919
La primera reacción nuclear de la historia la produjo E. Rutherford en 1919
bombardeando núcleos de átomos de nitrógeno con partículas alfa. Las
bombardeando núcleos de átomos de nitrógeno con partículas alfa. Las
partículas alfa eran absorbidas por el núcleo, que se transformaba en otro
partículas alfa eran absorbidas por el núcleo, que se transformaba en otro
distinto emitiendo un protón.
distinto emitiendo un protón.
14
7 N + 4
2 He → 17
8 O + 1
1 H

13. Física nuclear
En toda reacción nuclear se cumple siempre que la suma de los
En toda reacción nuclear se cumple siempre que la suma de los
números atómicos y la suma de los números másicos a ambos
números atómicos y la suma de los números másicos a ambos
lados de la reacción tienen que ser iguales.
lados de la reacción tienen que ser iguales.
238
92 U + 1
0 n → 239
92 U → 239
93Np + 0
−1 e
27
13 Al + 4
2 He → 30
15 P + 1
0 n
14
7 N + 1 H → 4 He +
1 2
11
6 C

14. Física nuclear
En la naturaleza existen elementos cuyos núcleos son
En la naturaleza existen elementos cuyos núcleos son
inestables (sustancias radiactivas), y tratan de transformarse
inestables (sustancias radiactivas), y tratan de transformarse
en otros elementos estables emitiendo radiaciones capaces de
en otros elementos estables emitiendo radiaciones capaces de
penetrar cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar las
penetrar cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar las
placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas
placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas
sustancias.
sustancias.
Este fenómeno se conoce con el nombre de radiactividad.
Este fenómeno se conoce con el nombre de radiactividad.
Existen tres tipos de emisiones radiactivas:
Existen tres tipos de emisiones radiactivas:
Radiación α
Radiación α
Radiación β
Radiación β
Radiación γ
Radiación γ

15. Física nuclear
4 4
2 He α 2
0 0
−1 e −1 β
1
0 n →1 p + −0 eν
1
1 + e
0
0 γ

16. Física nuclear
Carga eléctrica de las emisiones radiactivas
Carga eléctrica de las emisiones radiactivas

17. Física nuclear
Carga eléctrica de las emisiones radiactivas
Carga eléctrica de las emisiones radiactivas
No existe campo eléctrico: no hay desviación de
Bloque de plomo 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

18. Física nuclear
Poder de penetración de las emisiones radiactivas
Poder de penetración de las emisiones radiactivas
ALFA α
BETA β
GAMMA γ
NEUTRÓN
Papel Cobre Plomo Hormigón

19. Física nuclear
DESINTEGRACIÓN
Partícula Alfa
Leyes de los desplazamientos
Leyes de los desplazamientos
radiactivos de Soddy y Fajans
radiactivos de Soddy y Fajans
ALFA
Emisión de partículas α (Ley de Soddy)
A, Z A-4, Z-2
DESINTEGRACIÓN DESINTEGRACIÓN
A −4
A
X → Y + 4
He
BETA MENOS
Antineutrino
Z Z−2 2
Partícula Beta menos
(electrón)
Emisión de partículas β- (Ley de Fajans) A, Z A, Z+1
A
X → A
Y + 0
e Neutrino
BETA MÁS
Z Z+1 −1
Partícula Beta más
(positrón)
Emisión de partículas β+ A, Z A, Z-1
X → Z +AY + +1 e
DESINTEGRACIÓN
A 0 Rayo Gamma
Z 1 (Fotón)
GAMMA
A, Z A, Z

20. Física nuclear

21. Física nuclear
TORIO-232 1.41 BILL. DE AÑOS
Cuando
Cuando un
un núcleo
núcleo
RADIO-228 5.75 AÑOS
radiactivo se transforma
radiactivo se transforma
en otro por emisión α o β,
en otro por emisión α o β, ACTINIO-228 6.15 HORAS
el nuevo núcleo también
el nuevo núcleo también
puede ser radiactivo y
puede ser radiactivo y FRANCIO-224 3.3 MINUTOS
originará
originará otro
otro núcleo
núcleo
distinto emitiendo nuevas
distinto emitiendo nuevas
radiaciones. El proceso
radiaciones. El proceso RADIO-224 3.66 DÍAS
continuará
continuará hasta
hasta que
que
aparezca
aparezca un
un núcleo
núcleo RADÓN-220 55.6 SEGUNDOS
estable. Todos los núcleos
estable. Todos los núcleos
que proceden del inicial
que proceden del inicial
forman una serie o familia
forman una serie o familia
POLONIO-216 0.145 SEGUNDOS
radiactiva.
radiactiva.
PLOMO-212 10.64 MINUTOS
Se
Se conocen
conocen 4 4 series
series
radiactivas, tres existen en
radiactivas, tres existen en BISMUTO-212 1.01 HORAS
la naturaleza (torio-232,
la naturaleza (torio-232,
uranio-238, actinio-227) y
uranio-238, actinio-227) y
TALIO-208 3.05 MINUTOS
otra no (neptunio-237).
otra no (neptunio-237).
PLOMO-208 ESTABLE

22. Física nuclear
El proceso por el cual un núcleo se transforma en otro por
El proceso por el cual un núcleo se transforma en otro por
emisión radiactiva se denomina desintegración radiactiva.
emisión radiactiva se denomina desintegración radiactiva.
La desintegración es un proceso aleatorio que ha de estudiarse
La desintegración es un proceso aleatorio que ha de estudiarse
estadísticamente
estadísticamente
Muestra radiactiva
Inicial Final, después de un tiempo t
Núcleos presentes: No N
− λ×
Ley de emisión radiactiva: N = N o ×e t
λ se denomina constante de desintegración y representa la probabilidad de que un determinado
núcleo se desintegre en un segundo. Se mide en el S.I. en s-1

23. Física nuclear
Actividad radiactiva o velocidad de desintegración A es
Actividad radiactiva o velocidad de desintegración A es
el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una
el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una
muestra radiactiva.
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
1 Rf =106 Bq

24. Física nuclear
Período de semidesintegración o de semivida T es el
Período de semidesintegración o de semivida T es el
tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos
tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos
presentes en una determinada muestra se reduzca a la mitad
presentes en una determinada muestra se reduzca a la mitad
N0
ln 2 0,693
Núcleos T= T=
presentes λ λ
Su unidad en el S.I. es el segundo (s)
N0
2
N0
4
N0
N0
8
16
T 2T 3T 4T t

25. Física nuclear
Vida media ττ representa el tiempo que por término medio tardará un
Vida media representa el tiempo que por término medio tardará un
núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva.
núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva.
1 T
τ= τ=
λ ln 2
Su unidad en el S.I. es el segundo (s)

26. Física nuclear
Magnitud Simbolo Significado Unidad SI Otras unidades
Representa la probabilidad que tiene
Constante un núcleo radiactivo de desintegrarse
1
radiactiva o de λ
en la unidad de tiempo.
= s −1 h−1 ; día−1 ; año−1
desintegración s
Es el número de desintegraciones por
Actividad unidad de tiempo en una muestra Curio (Ci)
radiactiva. Rutherford (Rf)
radiactiva o
velocidad de A A = λ⋅N Becquerel (Bq)
1 Ci=3,7·1010 Bq
desintegración N = número de núcleos presentes
1 Rf= 106 Bq
Tiempo que debe transcurrir para que
el número de núcleos presentes en
Período de una determinada muestra se reduzca
semide- T a la mitad.
0,693
s h , día , año
sintegración 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

27. Física nuclear
Muestra radiactiva
Inicial Final, después de un tiempo t
Núcleos presentes: No N = N o ×e − λ×t N
Actividad: Ao A = A o ×e − λ×t A
Masa : mo m = m 0 ×e − λ×t m

28. Física nuclear
La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado se
La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado se
divide en otros dos más ligeros. En el proceso se libera una gran cantidad
divide en otros dos más ligeros. En el proceso se libera una gran cantidad
de energía.
de energía.
235
92 U + 1
0 n → 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 aa
Los productos de esta reacción presentan un defecto de masa de 0,2154 u, que corresponde
una energía liberada de 200 MeV por cada núcleo de uranio-235. Los isótopos más
una energía liberada de 200 MeV por cada núcleo de uranio-235. Los isótopos más
utilizados en la fisión nuclear son el U-235 yyel Pu-239Los neutrones liberados por la fisión
utilizados en la fisión nuclear son el U-235 el Pu-239Los neutrones liberados por la fisión
pueden fisionar otros núcleos dando lugar a una reacción en cadena.
pueden fisionar otros núcleos dando lugar a una reacción en cadena.

29. Física nuclear
235
92 U + 1
0 n → 141
56 Ba + 92
36 Kr + 3 n
1
0

30. Física nuclear
REACCIÓN EN CADENA

31. Física nuclear
Fisión nuclear en cadena
Controlada No controlada
Si el número de En este caso no
neutrones liberados es muy existe ningún elemento
alto, se introduce un material controlador que absorba los
que absorbe el exceso de neutrones en exceso y la
neutrones y se evita que la reacción tiene lugar de forma
reacción prosiga de forma explosiva pues se libera toda
incontrolada (explosiva) la energía en muy poco
tiempo.
Se produce en las centrales
nucleares y en los Se produce en las bombas
generadores auxiliares de nucleares
submarinos

32. Física nuclear
La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos ligeros se
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
unen para formar otro más pesado. En el proceso se libera gran cantidad
de energía.
de energía.
4
Núcleo de 2 H (deuterio) Núcleo de 2 He (helio)
1
+
++ ►
► + +
+ 1
3
Núcleo de 1 H(tritio) Fusión de los núcleos 0 n (neutrón)
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
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. Para
corresponde a una energía liberada de 17,6 MeV por átomo de helio-4 formado. Para
conseguir la fusión de los núcleos es necesario vencer la repulsión electrostática entre
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
ellos, para lo que se les suministra una energía térmica muy elevada correspondiente a
temperaturas superiores a 1066K ).
temperaturas superiores a 10 K ).

33. Física nuclear
Fusión nuclear en cadena
Controlada No controlada
Aún no se ha Se produce en la bomba
conseguido de forma rentable, atómica de hidrógeno (termo-
debido a la dificultad técnica nuclear).
que supone confinar los
Para conseguir la alta
reactivos, que, a temperaturas
temperatura necesaria para la
tan elevadas, están en estado
fusión se utiliza una bomba
de plasma
atómica de fisión