2f 08 a fisica nuclear

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 nuclear
Página del
ProyectoNewton
Partículas subatómicas Fuerzas fundamentales
y fuerzas fundamentales

14/01/13 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 1

Radiactividad
Fue descubierta en 1896 por el físico francés Henri Becquerel casualmente mientras estudiaba la
fluorescencia de sales de uranio.
Es una propiedad que afecta al núcleo de los átomos de ciertas sustancias, llamadas sustancias
radiactivas, consistente en emitir radiaciones capaces de penetrar cuerpos opacos, ionizar el
aire, impresionar las placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias.

Al poco tiempo de descubrirse la radiactividad del uranio, se descubrieron nuevos elementos
radiactivos: 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)


Radiactividad (Cont.)
Sometiendo las radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas a la acción de un campo
eléctrico, se comprobó que las partículas alfa y beta tenían carga eléctrica mientras que las
radiaciones 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?


Hoy en día conocemos las características de las distintas radiaciones y sabemos que se originan
en 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


Desintegración radiactiva
Cuando un núcleo de un átomo radiactivo emite radiación α, β o γ el núcleo cambia su estado
energético (γ) o se transforma en otro distinto (α, β). En este último caso se dice que ha tenido
lugar una desintegración
La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio gobernado por leyes estadísticas
Muestra radiactiva
Inicial Final, después de un tiempo t

Núcleos presentes: No N
Ley de emisión radiactiva: N = N o ×e − λ×t
Constante radiactiva o de desintegración λ representa la probabilidad que tiene un núcleo
radiactivo 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


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


(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

(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


Cuadro-resumen de las magnitudes radiactivas
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
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 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

Muestra radiactiva
Inicial Final, después de un tiempo t

− λ×
Núcleos presentes: No N = N o ×e t
N
Actividad: Ao A = A o ×e − λ×t A
Masa : 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

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 8
Si el tiempo lo hubiésemos puesto en segundos, como 1,54 días = 133056 s, la
constante 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.


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 absorbida
La medida de los
efectos 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


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 del
núcleo) 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.


ÁTOMO


NÚCLEO


Los protones y los neutrones no son tan elementales como creíamos

A su vez están formados por otras partículas más elementales: los QUARKS

En concreto, el protón de 2 quark up y 1 quark down , y el neutrón por 2 quark down y 1
quark up.


Fuerzas nucleares
El radio del átomo es del orden de 10–10 m, mientras que el del núcleo es unas cien mil
veces 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 protones
que exige la ley de Coulomb (no compensadas por la atracción gravitatoria entre los
nucleones, 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 de
fuerzas, que explican la estabilidad nuclear. Son las fuerzas nucleares, de muy corto
alcance y muy intensas.
Las hay de dos tipos, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil

Las características de estas fuerzas se resumen en la siguiente diapositiva:

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


FUERZAS FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA
Intensidad Partícula Mediadora
Interacción Alcance
Relativa (bosones)

Fuerte 1 Corto Gluón

Electromagnética 0.0073 Largo Fotón

Débil 10-9 Muy Corto Bosones W , Z

Gravitacional 10-38 Largo Gravitón ?


Energía de enlace
Si se quiere romper un núcleo para aislar sus nucleones , hay que aportar cierta energía. Esta
energía coincide con la energía liberada al formarse el núcleo a partir de sus nucleones aislados
y recibe el nombre de energía de enlace

Nucleones aislados
+
Núcleo

+

La masa de La masa del
estas + + núcleo: M N
partículas: 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

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

Representación gráfica del número de neutrones frente al número de protones
para 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

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


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

55
Actividad 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


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
8
Las 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

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


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 He
Esta reacción indica que cuando un núcleo padre (de símbolo X) con un número atómico Z y
un 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 másico
es cuatro unidades inferior al del núcleo padre.

Emisión de partículas β (Ley de Fajans)
A
Z X → A
Z+1 Y + 0
−1 e
Esta reacción indica que cuando un núcleo padre (de símbolo X) con un número atómico Z y
un 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 es
igual al del núcleo padre.

¿ 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 electrónico
protón, un electrón y un 0 1 e
• No tiene carga
antineutrino 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, pues
Un protón da lugar a un
implicaría una violación del principio de conservación de la
neutrón, un positrón y 1
1 p → 0 n + +0 eν
1
1 + e
energía, ya que la suma de las energías de los productos
un 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)


Reacciones nucleares y radiactividad (Cont.)
Tras una desintegración alfa o beta, el núcleo hijo suele ser también inestable y sufre otra
desintegración dando lugar a otro núcleo distinto. Y así ocurre con desintegraciones
sucesivas hasta que se llega a un núcleo estable. El conjunto de todos los isótopos que
forman 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 = 52
En 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).

Ejemplo de desintegración alfa

4
95 93 2


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.

Ejemplo de desintegración beta

0
1 2 –1


Ejemplo de desintegración beta

14
6 C8 → 14
7 N7 + 0
−1 eν + e
Carbono Nitrógeno Electrón Antineutrino

Ejemplo de emisión de radiación gamma

152
66 Dy → *
86
152
66 Dyγ +
86
Disprosio Rayos gamma


Ejemplo de desintegración beta +

18
9 F9 → 18
8 O8 + 0
+1 eν + e
Flúor Oxígeno Positrón Neutrino

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


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
1u
Los isótopos más utilizados en la fisión nuclear son el U-235 y el Pu-239
Los neutrones liberados por la fisión pueden fisionar otros núcleos dando lugar a una reacción
en cadena

Fisión nuclear

235
92 U + 1
0 n → 236 U →
92
142
56 Ba + 92
36 Kr + 2 0 n
1

Reacción en cade


En el año 1942 el físico Enrico Fermi produjo, en la Universidad de Chicago, la primera
reacción 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


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)
3
Núcleo 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 )

Fusión nuclear en cadena

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


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.


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

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 ν

Cuando una partícula choca con su antipartícula, se aniquilan ambas ( aniquilación de pares ) y la
masa total de ambas se transforma en energía.

También existe el fenómeno inverso: la producción de pare; se transforma energía en un par de
partículas, como cuando un fotón de alta energía choca con un núcleo, el foton desaparece y se
materializa en un par electrón-positrón.


Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales (Cont.3)


Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales
Todas 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.


INICIO


Partículas elementales en Física
Fermiones Bosones de Gauge
Quarks Leptones Bosones W y Z Fotón Gluón

Arriba Encantado Cima Electrón Muón Tau Bosones hipotéticos
Abajo 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"


Antoine Henri Becquerel Marie Sklodowska Curie Pierre Curie

Premio Nóbel de Física 1903 Premio Nóbel de Física 1903 Premio Nóbel de Física 1903
Premio Nóbel de Química 1911

VOLVER


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

1
Sustituimos el valor de N y de t y simplificamos: N 0 = N 0 ×e − λ×T
2 =1
1 1
Tomamos logaritmos neperianos: ln = ln e − λ×T lnλ T − × × e
= ln
2 2
+ ln 2λ + ×
− =−T

Finalmente, 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

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 elementos

Cambios 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


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 la
conclusión que existía "algo" producido o emitido por la pecblenda, que atravesaba la gruesa protección
de las placas fotográficas de la época y las impresionaba igual que cuando se sacaba una fotografía
exponiéndolas 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 penetrar
a 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.


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.


Medida de la radiactividad (Opcional)
Inicialmente los primeros investigadores que estudiaron la radiactividad midieron solamente
la 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 energía
total 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.


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


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.


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