2f 08 bfisicanuclear
- 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