fisica cuántica y radiactividad para segundo de bachillerato

1. BLOQUE 3: FÍSICA CUÁNTICA Y FÍSICA NUCLEAR
1-RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO Y TEORÍA CUÁNTICA DE
PLANCK
2-EFECTO FOTOELÉCTRICO Y EXPLICACIÓN DE EINSTEIN AL
FENÓMENO
3-EL FOTÓN .DUALIDAD ONDA CORPÚSCULO
4-ESPECTROS ATÓMICOS
5-PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG
6-DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD Y TIPO DE
RADIACIONES CARACTERÍSTICAS
7-LEY DE LA DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
8-ENERGÍA DE LIGADURA NUCLEAR
1-RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO Y TEORÍA CUÁNTICA DE
PLANCK
El cuerpo negro es aquel que absorbe íntegramente todas las radiaciones que inciden
sobre él, cualquiera que sea su longitud de onda.
Si tenemos un objeto completamente negro, cuando se calienta los átomos que forman
el objeto emiten radiación electromagnética y al mismo tiempo absorben la radiación
emitida 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 la
energía 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 del
interior de la cavidad por unidad de superficie y tiempo (intensidad). Esa energía que
sale depende de la temperatura del objeto, a más temperatura más energía.
Se realizaron experiencias con cuerpos negros logrando descomponer mediante un
espectroscopio la energía emitida por el cuerpo negro en sus distintas longitudes de
onda. Se obtienen espectros continuos. Representando la cantidad de energía emitida
frente a la longitud de onda se observa que la energía emitida es mayor cuanto mayor
es la temperatura lo cual es lógico pero también se observa que la longitud de onda
para la cual la cantidad de energía emitida es máxima disminuye al aumentar la
temperatura. Si disminuye la longitud de onda aumenta la frecuencia porque ya
sabemos que son inversamente proporcionales, así que aparentemente a más
frecuencia más energía.

2. Max Planck intenta obtener una ecuación que justifique los
E 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. 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 que
la frecuencia es pequeña y la constante de Planck también es pequeña por lo que para
que esto se aprecia son necesarios valores de fracuencia bastante altos.
Por ejemplo para un péndulo de frecuencia 4 Hz (4 oscilaciones por segundo ya supone
oscilar rápido) E= h.ν
E=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 que
no se pueden distinguir y la energía resulta algo continuo. Sólo en sistemas oscilantes
muy pequeños donde el valor de su frecuencia sea alto, del tipo de las frecuencias
propias del espectro electromagnético, estamos en condiciones de poder aplicar el
postulado 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 energía
era algo discontinuo y volvía a la teoría corpuscular de la luz ( la luz formada por
partículas) que ya había sido desechada a favor de la teoría ondulatoria. En aquella
época se consideraba que los fenómenos físicos debían ser continuos y nadie estaba
dispuesto a aceptar la discontinuidad de Planck

4. 2-EFECTO FOTOELÉCTRICO Y EXPLICACIÓN DE EINSTEIN AL
FENÓMENO.
El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Hertz (1857-1894), casi por casualidad,
cuando realizaba experimentos para demostrar la naturaleza electromagnética de la
luz. Comprobó que saltaba chispa entre dos esferas cargadas más fácilmente si se las
iluminaba con luz ultravioleta. Realizó más experimentos con luz y con metales y
estableció que los metales bajo la acción de la luz emiten electrones y en especial bajo
la acción de luz de frecuencias altas.
Se llama efecto fotoeléctrico al proceso mediante el cual se liberan electrones de
un material por efecto de la luz y se puede producir por tanto una corriente
eléctrica.
El fenómeno en sí no es sorprendente, puesto que la luz es radiación electromagnética
y por tanto cabe esperar que el campo eléctrico de la onda ejerza fuerza sobre los
electrones de los átomos de la superficie metálica que son los que están atraidos más
débilmente por sus núcleos (además los metales tienden a perder electrones) y puede
hacer que algunos de ellos salgan emitidos fuera del átomo.
Según esto cabe esperar que el número de electrones arrancados sea proporcional a la
intensidad de la luz aplicada, pero es aquí donde surge el problema ya que lo que se
observa es lo siguiente:
-La energía cinética de los electrones arrancados no depende de la intensidad de la luz
incidente sino que depende solamente de su frecuencia
-Para cada metal existe una frecuencia luminosa umbral ν0 por debajo de la cual no se
produce 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 para
arrancar los electrones sin retraso alguno aunque su intensidad sea muy pequeña, el
efecto fotoeléctrico cuando se produce es instantáneo.
La teoría ondulatoria clásica que consideraba la energía como algo continuo no podía
explicar este fenómeno ya que si consideramos que la radiación electromagnética está
distribuida de un modo uniforme sobre la superficie de las ondas el efecto
fotoeléctrico debería depender de la intensidad, es decir el número de ondas que
inciden contra el metal por unidad de superficie y tiempo cargadas de energía
electromagnética, y si embargo se observa que el fenómeno no depende de la cantidad
de energía que llega sino de su frecuencia.
Einstein en 1905 aplica la hipótesis de Planck acertadamente para explicar el efecto
fotoeléctrico y de paso demuestra que dicha hipótesis era acertada, la energía no es
algo continuo, es discontinua como decía Planck.

5. La energía de la radiación luminosa no es uniforme, está cuantizada. La fuentes
de radiación emiten energía en paquetes de radiación con un contenido energético
ν
h.ν al que llamó FOTÓN y que era el que interaccionaba con los electrones del
metal chocando con ellos y haciéndoles salir despedidos.
Para cada metal existe una frecuencia umbral por debajo de la cual no se produce el
efecto, la energía necesaria para que se produzca Para los físicos de la época, la
teoría de Planck no era más que un mero artificio teórico que permitía explicar la
radiación del cuerpo negro, pero sin un verdadero significado físico, hasta que
Einstein aplicó las ideas de Planck al efecto fotoeléctrico, lo que confirmó la validez
de la teoría cuántica.
el efecto fotoeléctrico se llama energía umbral o trabajo de extracción, es la energía
que es necesario comunicar a un metal para arrancarle un electrón E0= h.ν0
Para frecuencias mayores de la frecuencia umbral se produce el efecto fotoeléctrico
y de acuerdo con el principio de conservación de la energía la energía aplicada se
transforma parte en la energía umbral necesaria para arrancar el electrón a la
frecuencia característica de cada metal y la energía sobrante en energía cinética del
electrón 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. Ejemplo: sobre un metal inciden fotones de longitud de onda 500nm. Si la longitud de
onda umbral de dicho metal es de 612 nm calcula si se arrancan o no lo electrones y en
caso afirmativo la energía cinética de los mismos. Calcula la energía de extracción en
electronvoltios (1eV=1,6.10-19v)
3-EL FOTÓN . DUALIDAD ONDA CORPÚSCULO.
El efecto Compton confirma la existencia de los fotones demostrando el choque entre
fotones y electrones libres que cumple el principio de conservación de la cantidad de
movimiento como cualquier choque. Esto demuestra que el fotón es una partícula, es
decir, que tiene masa aunque sea muy pequeña.
Así pues la luz está formada por fotones que transportan energía según su frecuencia
de vibración.
Si el fotón es una partícula debe transportan no solo energía sino también cantidad de
movimiento (m.v ).
Einstein observó que la mecánica clásica no se cumplía en el caso de la luz, en cuanto al
movimiento de los fotones.
Dedujo que a grandes velocidades, próximas a la de la luz, la mecánica clásica de
Newton basada en sus famosas tres leyes ya no es válida y hay que emplear mecánica
relativista.
En resumen la mecánica relativista aplicable a cuerpos que se mueven a la velocidad de
la luz se basa en que:
-A la velocidad de la luz o próxima a ella no existe el espacio como algo absoluto
y lo que a primera vista parece una propiedad del espacio, el ser tridimensional no es
sino algo propio de la forma en que se estructura nuestra inteligencia humana y la
forma en que nosotros lo vemos, nuestros sentidos necesitan considerar un espacio en
tres dimensiones para percibir los objetos que tenemos alrededor. A tan grandes
velocidades el espacio se curva y adquiere diferentes propiedades.
-A velocidades próximas a la de la luz tampoco existe un tiempo absoluto y el
tiempo es diferente para cada objeto que se mueve. De esta forma el espacio y el
tiempo ya no son dos sistemas de referencia independientes y se engloban en un único
sistema espacio-temporal propio de cada observador, cualquier punto viene definido
por 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 las
partículas que se propagan a la velocidad de la luz propagan energía a costa de su
propia 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. Tales cambios de masa están fuera de la experiencia diaria ya que los cuerpos que
observamos normalmente no van a la velocidad de la luz sino a velocidades mucho
menores, para las que las leyes de Newton se cumplen perfectamente, sin embargo en
los fenómenos nucleares (formación y ruptura de núcleos atómicos) o en las
radiaciones luminosas o en choques de partículas donde las masas puestas en juego son
muy 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 de
conservación de la energía sean en realidad una sola ley. Así parte de la masa en
reposo de cualquier cuerpo se puede transformar en energía si es capaz de alcanzar
un 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
λ
movimiento ondulatorio su velocidad de propagación es constante y entonces c = o
T
bien c= λ.ν y considerando la teoría de Planck donde E=h.ν y lo que es cantidad de
movimiento, masa por velocidad en este caso la velocidad de la luz P=m.c se puede
relacionar todo ello:
E E h.v h
p = 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.s
La luz presenta propiedades ondulatorias que explican satisfactoriamente muchos
aspectos relacionados con su propagación, como las interferencias, la polarización o la
difracción. Pero para explicar otros fenómenos en los que la radiación interacciona con
la materia nos vemos obligados a suponer una naturaleza corpuscular de la luz. Así
pues la concusión más lógica es que la luz está formada por partículas que tienen masa
cuando están en movimiento (ya que a grandes velocidades la energía se transforma en
masa y la masa en energía) y que viajan a la velocidad de 3.108 m/s en el vacía y a
diferentes velocidades según el medio que atraviesan y transportan energía en forma
ondulatoria y también cantidad de movimiento.
Cuando una onda electromagnética interactúa con una partícula cargada
eléctricamente las cantidades de energía y cantidad de movimiento que se
intercambian en el proceso son las correspondientes al fotón h.ν.

8. PRINCIPIO DE LA DUALIDAD ONDA-PARTÍCULA de Louis de Broglie
En 1924 de Broglie da un paso más y afirma que “ cualquier partícula material tiene un
comportamiento ondulatorio” de forma que las propiedades ondulatorias y corpusculares
de la materia se relacionan mediante:
h h
λ= =
p m.v
Toda 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 confirmado
Que 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) la
energía que se propaga ondulatoriamente en parte se transforma en masa y de ahí que
actúe como partícula.
Ejemplo: Calcula la longitud de las ondas materiales correspondientes a: a)Un electrón
de 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 ATÓMICOS
Un claro ejemplo de interacción de la luz con la materia son los ESPECTROS
ATÓMICOS.
Aquí los fotones chocan con los electrones de los átomos haciendo que salten entre
niveles electrónicos.
Como ya sabemos la luz blanca al atravesar un prisma se descompone en sus distintas
longitudes de ondas y este es el espectro continuo de la luz.
En general un espectro es la representación gráfica o fotográfica de la distribución
de la intensidad de la radiación electromagnética emitida o absorbida por una muestra
de 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 prisma
o una red de difracción en sus diferentes longitudes de onda o frecuencias.

9. Una onda electromagnética está definida por un campo eléctrico y otro campo magnético
que oscilan en direcciones perpendiculares y, a su vez, perpendicularmente a la dirección
de propagación. Entre las ondas electromagnéticas, además de la luz, se incluyen las ondas
de radio, rayos X .... El conjunto de ondas electromagnéticas que difieren entre sí por su
longitud de onda se denomina ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO.
El ojo humano sólo es sensible a las radiaciones de longitudes de onda comprendidas entre
4 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 electromagnéticas
de distintas longitudes de onda. Si el foco emisor es el Sol o un sólido incandescente la luz
blanca emitida, al atravesar un prisma se separa en las distintas radiaciones que la
componen dando lugar a un ESPECTRO CONTÍNUO que contiene una gama de colores que
van 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 suministrado
energía se obtiene el espectro de dicho elemento, se trata de un espectro discontinuo ( a
rayas) 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. • 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 unas
longitudes de onda características para ese elemento por lo que permiten diferenciarlo o
identificarlo en función de esos espectros.
El primer espectro interpretado fue el del hidrógeno. Presenta unas series diferentes de
líneas en diferentes zonas del espectro electromagnético que se conocen con el nombre
de sus descubridores y al conjunto se le llaman SERIE ESPECTRAL DEL HIDRÓGENO.
Los espectroscopistas dedujeron una fórmula que permite determinar sus longitudes de
onda
n1 y n2 son números enteros de modo que n2 > n1 representan los diferentes niveles
electrónicos. Nivel de partida y nivel de llegada
R = Costante de Rydberg = 1,097 107 m-1
La energía que un átomo de una sustancia absorbe o emite sirve para que sus electrones
salten de un nivel a otro, si saltan de un nivel más próximo al núcleo a otro más alejado
absorben energía y si es al revés la emiten a una frecuencia característica E=hν que
corresponde a la diferencia de energía entre esos dos niveles. Como la configuración
electrónica es característica de cada elemento cada uno presenta un patrón de energías
diferentes y diferentes saltos posibles de ahí que los espectros atómicos sean
característicos de cada elemento y permitan así identificarlos. El espectro de absorción
es igual que el de emisión (como el positivo y el negativo de una foto) ya que los saltos son
los mismos para un mismo elemento, sólo varía la forma en que se realiza el experimento.
5-PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG
Puesto que el electrón dentro del átomo es en realidad una onda determinar
simultáneamente su velocidad y posición resulta imposible ya que la determinación de

11. la velocidad lleva a incidir sobre el electrón y desplazarle de su posición y al querer
determinar 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 Planck
Esto llevó a un cambio importante en los modelos atómicos pasando del concepto de
órbita como trayectoria definida que sigue el electrón alrededor del núcleo al de
orbital como región del espacio en torno al núcleo en el que existe máxima
probabilidad de encontrar al electrón.
6-DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD Y TIPOS DE
RADIACIONES CARÁCTERÍSTICAS
El fenómeno de la radiactividad fue descubierto por H. Becquerel en 1896. Estaba
estudiando la fluorescencia, luminosidad procedente de algunas sustancias al ser
iluminadas, al recibir radiación electromagnética, cuando por casualidad descubrió
el nuevo fenómeno.
En 1895 Roëntgen había descubierto los rayos X y Becquerel se propuso averiguar si
las sustancias fluorescentes emitían rayos X, puesto que estos pueden atravesar
capas de papel gruesas e impresionar placas fotográficas, lo que hizo fue envolver una
placa 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 muestra
y 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 resultaba
velada.
Se sucedieron una serie de días nublados por lo que Becquerel guardó la muestra con
una placa nueva envuelta en papel en un cajón, para su sorpresa, al sacarla del cajón la
placa se encontraba completamente velada.

12. No podía tratarse de fluorescencia ya que esta se produce cuando los rayos de luz
llegan a la muestra y esta había estado a oscuras, y por tanto tampoco podían ser
rayos X.
Se dedicó a estudiar este nuevo fenómeno y observó que se trataba de radiaciones
provenientes 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 la
radiactividad es proporcional a la cantidad de uranio que contiene la muestra por
lo que la fuente de radiación deben ser los átomos de dicho elemento.
En 1899 Experimentalmente E. Rutherford demostró la existencia de dos tipos de
radiaciones, 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 eléctricos
externos, Becquerel demostró que los rayos β son electrones rápidos.
γ
Los rayos gamma (γ) fueron descubiertos también en 1900 por el francés Paul
Villard, dichos rayos no sufren desviación en su trayectoria el ser sometidos a campos
eléctricos lo que significa que no tienen carga eléctrica. Son fotones pero con mayor
energía 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. 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 γ
Poder de penetración: γ > β > α ya que cuanto menor es el tamaño de la partícula en
movimiento mayor es su capacidad de penetración.
El fenómeno de la radiactividad es insensible a variaciones de temperatura o presión y
la emisión radiactiva no está afectada por el entorno químico de la sustancia
radiactiva por lo que es un fenómeno atómico y no molecular, la emisión radiactiva va
acompañada 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 γ
material radiactivo
4
2 α 2+
--------------------
7-LEY DE LA DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
En 1903 Rutherford y F. Soddy descubren la primera transmutación natural al
comprobar como en la emisión radiactiva el torio se transforma primero en radio y
luego en radón. Formularon la desintegración radiactiva en los términos de la ley del
decaimiento, al comprobar que la actividad de una sustancia radiactiva disminuye
exponencialmente con el tiempo y consiste en la emisión de partículas como las α
o las β.
Comprobaron que la radiactividad es un fenómeno independiente del estado físico
en que se encuentren los átomos o de la naturaleza del compuesto químico en el
que se encuentren los átomos radiactivos.

14. La no dependencia de la radiactividad con los fenómenos químicos hace que haya que
considerarla 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 que
es 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 N0
Operando:
N
= −λ .dt integrando ∫ N = −t∫ λ.dt
N0 0
También puede escribirse en forma exponencial lo que justifica la gráfica
exponencial decreciente. Obtenida de manera experimental.
N = N0 .e−λt
dN
Al cociente − se le llama actividad de la sustancia A(t) es una medida de la
dt
velocidad 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 =
N
Se puede definir la constante de desintegración λ como el número de
desintegraciones por unidad de tiempo y por cada átomo que experimenta una
sustancia radiactiva, o también como la relación entre la actividad radiactiva propia de
esa sustancia y el número de núcleos presentes en un momento dado.

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 se
puede afirmar que la desintegración radiactiva es un fenómeno totalmente aleatorio y
que se produce al azar. Un átomo de la muestra radiactiva se puede desintegrar en
ese instante o tardar un tiempo indefinido en hacerlo. Pero la emisión de partículas es
continua porque de los millones de átomos que hay en la muestra siempre alguno se
rompe en cada instante y emite. Se aplican las leyes de la estadística para estudiar el
comportamiento de estos miles de millones de núcleos inestables que constituyen cada
muestra de un mineral radiactivo.
Así los conceptos de periodo de semidesintegración radiactiva y vida media sirven
para 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.
N
ln = −λ .t para un tiempo T N = N 0 se ha reducido el número inicial a la mitad,
N0 2
N0
sustituyendo 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. Ejemplo 1: Un gramo de radio tiene una actividad de 1Ci. Si la masa atómica del Ra es
de 226 u, calcula: a) La constante de desintegración del radio.b) La vida media de los
átomos de radio. c) El tiempo que tarda la muestra en reducirse a la mitad.
Los átomos de una sustancia radiactiva se desintegran espontáneamente, con emisión
de partículas α o βy formación de un nuevo átomo, químicamente diferente del
original. Este nuevo átomo puede a su vez desintegrarse de forma similar al anterior
surgiendo una serie radiactiva de átomos, que están relacionados entre sí por
sucesivas desintegraciones.
Dado que el elemento que termina la serie es más estable y no se desintegra más, se
puede considerar que la radiactividad es un mecanismo por el que núcleos inestables se
transforman en otros más estables mediante la liberación de ciertas partículas.
La investigación sistemática de todos los cuerpos radiactivos permitió su agrupación
en tres familias o series radiactivas naturales: la del torio, la del uranio-radio y la del
uranio-actinio; a las que hay que añadir otra serie preparada artificialmente, la del
neptunio.
Nombre de la Producto período de Producto
Número másico
serie inicial semidesintegración final
232
Torio 4n Th 1,4 .1010 años 208
Pb
237
Neptunio 4n+1 Np 2,2 .106 años 209
Bi
238
Uranio-radio 4n+2 U 4,5 .109 años 206
Pb
235
Uranio-actinio 4n+3 U 7,2 .108 años 207
Pb
En los procesos de desintegración igual que en cualquier proceso físico o químico se
cumplen 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 artificial
En 1934 Frédréric Joliot e Irene Curie descubrieron que la radiactividad no es un
fenómeno confinado sólo a los elementos como el uranio o el polonio, sino que cualquier
elemento puede ser radiactivo si se prepara el isótopo adecuado.
La radiactividad artificial o inducida se consigue mediante el bombardeo de un núcleo
con un proyectil (partículas a gran velocidad que pueden ser α o neutrones), este
núcleo inicialmente estable se transforma en un núcleo inestable.

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 1
Una 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 e
30 30
Otro ejemplo es el bombardeo del berilio con partículas α, reacción en la que
Chadwick descubrió la existencia del neutrón: 49 Be + 24 He →12 C + 01 n
6
Fisión nuclear
Cuando se rompe un núcleo pesado se desprende mucha energía que puede ser de
utilidad.
La fisión es un proceso por el cual un núcleo pesado de número atómico mayor que 86
se divide en dos núcleos más ligeros y de mana parecida cuando este núcleo pesado es
bombardeado con un neutrón. En el proceso se liberan neutrones y gran cantidad de
energía. Los neutrones liberados chocan a su vez con otros núcleos de la misma
sustancia y los rompen generando lo que se llama REACCIÓN EN CADENA.
235
42U + 01n→141Ba + 36 Kr +301 n + 18,9.1012 J
50
92
Los 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 ya
que al no tener carga no son repelidas por los electrones de las capas externas de los
átomos.
Lo que se origina es un proceso en cadena a partir del choque inicial liberándose cada
vez más energía en poco tiempo. Si el proceso no se controla esta gran cantidad de
energía se puede liberar bruscamente en forma de tremenda explosión, es la bomba
atómica.
Pero esta energía se puede controlar para utilizarla con fines industriales (centrales
nucleares). Basta introducir alguna sustancia que absorba neutrones y que evite que el
proceso se dispare (introduciendo barras de cadmio, por ejemplo) y a bajas
temperaturas para que no sea demasiado rápido.
La masa mínima de Uranio que permite que tenga lugar la reacción en cadena se llama
masa crítica.
Fusión nuclear
Unión de varios átomos para formar otro más pesado desprendiendo aún más energía
que en la fusión nuclear. Para lograr esta reacción se precisan altas temperaturas que
sólo se logran con reactores nucleares. Así pues, para poder realizar una fusión
nuclear hace falta realizar primero una fisión y que a partir de la energía de la fisión
se produzca la fusión que desprenderá aún más energía.
Estas reacciones tienen lugar con núcleos ligeros, que tampoco son muy estables, como
el hidrógeno y el helio fundamentalmente y en general isótopos de estos.

18. 2
1 H +1H + Energía→2 He+ 01n + mucha más energía
3 4
Esto en el terreno bélico ha dado lugar a la terrible bomba de hidrógeno, pero ahora
se intenta perfeccionar como fuente de energía. Tiene el defecto de que para ponerlo
en marcha necesita un gran aporte energético.
Este proceso se produce continuamente en el Sol y en cualquier estrella y la energía
que se desprende de la unión de núcleos de hidrógeno da la luz y el calor de las
estrellas y esa energía que se desprende del Sol hace posible la vida en la Tierra.
8-ENERGÍA DE LIGADURA NUCLEAR
El núcleo está formado por protones y neutrones ocupando un espacio muy reducido,
pero los protones son cargas eléctricas de igual signo (+) y deberían repelerse entre
sí, debe existir alguna fuerza que los mantenga unidos y esta debe ser una fuerza
muy 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 cada
núcleo. Una energía de ligadura grande supondrá grandes fuerzas de unión entre
nucleones (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 la
suma de las masas de los nucleones que lo componen (protones y neutrones) a esto se
la lama DEFECTO DE MASA NUCLEAR.
Lo que ocurre es que al formarse el núcleo parte de la masa se transforma en energía
según la ecuación de Einstein E=mc2 y esta energía se libera. La energía de ligadura
es equivalente a esta energía liberada ya que indica la mayor o menor estabilidad de
un núcleo de manera que:
∆m = masa total de p+ y n0 de ese núcleo – masa real del núcleo = defecto de
masa
B = ∆m.c 2 siendo B la energía de ligadura
La energía media de enlace por nucleón sería:
A (número másico) =número de protones + número de neutrones
Energía media de enlace por nucleón = B/A es la energía necesaria para
extraer 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. Estas son muy diferentes de las fuerzas e interacciones conocidas hasta ahora. Se
caracterizan 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 estables
los de masas intermedias.
Los núcleos de elementos pesados son inestables ya que la gran concentración de
protones y neutrones aumenta la repulsión entre protones. De hecho a partir del
bismuto A= 208,98 u todos los elementos de masa superior son radiactivos.
Los núcleos ligeros al haber pocos nucleones, los enlaces entre ellos mediante la
fuerza 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 la
naturaleza, hay que decir que existen cuatro tipos de interacciones: fuerte,
electromagnética, débil y gravitatoria.