2. Objetivos
1. Conocer las evidencia experimentales de la existencia de niveles atómicos
2. Calcular frecuencias y longitudes de onda de transiciones electrónicas
3. Conocer los tipos de radiactividad α, β y γ y sus efectos
4. Enunciar la ley de desintegración radiactiva y definir periodo de
semideintegración
5. Investigar experimentalmente la curva de desintegración de un núclido
6. Explicar cualitativamente la curva de energía de enlace por nucleón
7. Definir defecto de masa, energía de enlace y energía de enlace por nucleón
8. Describir el experimento de Rutherford
9. Ajustar ecuaciones nucleares y aplicar las leyes de conservación
10. Describir el protón y neutrón en forma hadrónica
11. Comparar la intensidad d elas interacciones fundamentales
12. Describir el papel de las partículas mediadoras en las interacciones
fundamentales
13. Interpretar diagramas de Feynman sencillos
14. Comprender las causas de no observar quarks aislados
3. 1. Descubrimiento de los rayos X
Wilhelm Röntgen
• 1895:
Primera detección de un
nuevo tipo de radiación
en tubos de descarga
• 1901:
Galardonado con el
premio Nobel de Física
4. 1. Descubrimiento de la radiactividad
Henri Becquerel
• 1896:
Reconocimiento de una nueva
propiedad física en las sales de
uranio
• 1903:
Galardonado con el premio Nobel
de Física
5. 1. Descubrimiento de nuevos
elementos
Maria Sklodowska
y Pierre Curie
• 1898: aislamiento del
Polonio y el Radio
• 1903: Galardonados con
el premio Nobel de Física
• 1911: Galardonada con el
premio Nobel de
Química
6. 1. Tipos de radiactividad
Ernest Rutherford
• Dispersión en el seno de
campos magnéticos o
eléctricos
• 1908: Galardonado con el
premio Nobel de Química
7. 2. Modelos clásicos: Thomson
1897: Descubrimiento del electrón
(J.J. Thomson)
1898: Rayos canales (E. Goldstein)
1904: Modelo atómico de
Thomson: ionización y descarga
8. 2. Modelos clásicos: Rutherford
1911: Experimento de dispersión de partículas α sobre una
lámina de oro (Rutherford, Geiger, Marsden)
1911: Modelo de Rutherford: núcleo y corteza (1:100000)
9. 2. Espectros atómicos
Conjunto de frecuencias
emitidas dentro de una
radiación
electromagnética
Espectros continuos y
discontinuos
10. 2. Series de Balmer
1885: Johann J. Balmer: serie de Balmer
para el espectro visible del hidrógeno
1889: Relación de Rydberg (Series de
Lyman, Balmer, Paschen, etc)
1
λ
= RH
1
n2
−
1
m2
÷
11. 2. Hipótesis cuántica de Planck
1900
La materia no absorbe o
emite energía de forma
continua, sino en paquetes,
cantidades mínimas
(cuantos de energía) o
múltiplos de ellas”
E = n. hν
h = 6,63.10-34
J.s
12. 2. Modelo atómico de Bohr
1913: Niels Bohr propone el primer
modelo atómico cuántico
Síntesis de las ideas de Rutherford,
Planck y Einstein
Modelo más simple del átomo
13. 3. Nuevas interacciones
Interacción electromagnética
1 eV = 1,6.10-19
J
Interacción nuclear fuerte:
Estabilidad del núcleo
corto alcance
Más intensa: MeV
Interacción nuclear débil
Transformación de partículas
14. 3. Composición de los núcleos
Defecto de masa: diferencia de masa entre el núcleo
y las partículas que lo forman
U.m.a. : duodécima parte de la masa de 12
C
Energía de enlace: la energía liberada en la
formación del núcleo
núcleonucleones mmm −=∆ ∑
2
.E m c= ∆
15. 3. Composición de los núcleos
Energía de enlace
por nucleón (E/A)
es máxima en los
átomos medianos,
en torno al hierro
(Z = 26)
16. 4. Radiactividad
Radiactividad: cualquier emisión energética o material
proveniente del núcleo atómico.
Estas radiaciones se caracterizan por ionizar la materia y
los gases que atraviesan, producir fluorescencia, atravesar
cuerpos opacos, etc...
17. 4. Tipos de radiactividad
o La radiactividad α está formada por partículas
positivas núcleos de helio, constituidas por dos
protones y dos neutrones. Muy ionizante. Su elevada
masa les impide atravesar una hoja de papel y su
alcance en el aire es de varios centímetros.
o La radiactividad β está formada por electrones,
partículas negativas que se originan en el núcleo a
partir de la desintegración de un neutrón. Son más
penetrantes que las partículas α, pero menos
ionizantes. Para evitar la irradiación se utilizan
barreras de materiales ligeros (aluminio,
metacrilato) de varios centímetros de espesor.
o La radiación γ no es material, sino radiación
electromagnética de frecuencia muy elevada. Su efecto
ionizante es reducido, pero el alcance es muy
elevado, siendo necesaria una pared de hormigón de
un metro de grosor o una placa de plomo para
detenerla.
18. 4. Procesos nucleares
Núclido /Nucleido
Nucleón
Número atómico, Z
Número másico, A
Número de neutrones, N
Reacciones nucleares:
procesos en los que núclidos de
distintos átomos se transforman
originando otros nuevos
1919: Rutherford transmutación
de elementos
1932: Chadwick descubrimiento
del neutrón
7
14
N + 2
4
He → 8
17
O+ 1
1
H
2
4
α + 4
9
Be → 0
1
n+ 6
12
C
19. 4. Desintegraciones nucleares
Desintegraciones radiactivas:
proceso en el que un núclido se
transforma en otro mediante la
liberación de partículas o energía
Leyes de conservación:
Masa / energía
Carga
Número bariónico
Número leptónico
Desintegración alfa
92
238
U → 90
234
Th+ 2
4
He
20. 4. Desintegración beta
Interacción débil
Desintegración α y γ: energía
característica. Desintegración β:
espectro continuo.
Pauli (1930): hipótesis del
neutrino
Difícil detección (sin masa, sin
carga ni color)
Desintegración β+
:
0
1
n → 1
1
p+
+ e−
0
1
n → 1
p+
+ e−
+ν
0
1
p → 0
1
n+ 1e+νe
6
14
C → 7
14
N + e−
22. 4. Actividad radiactiva
Actividad radiactiva: número de partículas emitidas (o
desintegraciones) por unidad de tiempo.
Se mide en desintegraciones por segundo (s-1), unidad
que también se denomina Bequerelio (Bq).
El valor de la actividad radiactiva expresado en
bequerelios suele ser muy elevado (del mismo orden que el
número de átomos de la muestra), por lo que se suele
utilizar un múltiplo, el Curie (Ci), equivalente a 3,67.1010
Bq.
23. 4. Ley de desintegración radiactiva
La ley de desintegración radiactiva establece que la
actividad radiactiva de una muestra es proporcional
al número total de átomos de la muestra.
La constante de proporcionalidad se llama constante
de desintegración, K, y tiene dimensiones de
tiempo-1
.
tK
oeNN .−
=0.NK
dt
dN
−=
24. 4. Ley de desintegración radiactiva
Vida media: la inversa de la constante
de desintegración. Se suele representar
por la letra griega tau: τ = 1 / K.
Equivale al tiempo que debe
transcurrir para que la cantidad de
átomos se reduzca en un factor e =
2,718..
Periodo de semidesintegración o
semivida, el tiempo que tarda en
desintegrarse la mitad de los átomos
de la muestra:
T½ = ln2. τ = ln2/K
25. 4. Efectos de la radiactividad
Mutación
Dosis Sievert 1 Sv = J.kg-1
10000 mSv = muerte en
semanas
1000 mSv = umbral que
produce enfermedad por
irradiación
50 mSv: dosis máxima por
año
20 mSv /año: dosis máxima
en un periodo de 5 años
2 mSv: radiación natural
Mapa: concentración de 137
Cs
26. 5. Fisión nuclear
oLa fisión es una reacción nuclear de
ruptura de núcleos pesados. Fue
descubierta en 1938 por Lise Meitner,
Otto Hahn y Frederic Strassman
(Nobel de Física, 1944), que observaron
la fisión del Uranio-235 utilizando
neutrones lentos:
235
U + 1
n → 141
Ba + 92
Kr + 3 1
n
oLa reacción produce tres neutrones que
pueden servir para dividir tres núcleos de
uranio, dando lugar a la reacción en
cadena.
27. 5. Reactores nucleares
Enrico Fermi
• 1934: Primera reacción nuclear
controlada por neutrones
lentos, utilizando carbono para
reducir la velocidad de los
neutrones liberados y barras de
cadmio para absorberlos.
• 1938: Galardonado con el
premio Nobel de Física
• 1942: Primer reactor nuclear
• 1945: dirección del “Proyecto
Manhattan”
28. 5. Fusión nuclear
La fusión nuclear es un
proceso en el que núcleos
pequeños se unen formando
otros mayores.
1929: Fritz Houtermans y
Robert Atkinson explicaron
el origen de la energía que
desprenden las estrellas: la
fusión de dos núcleos de
hidrógeno para formar helio.
La fusión nuclear también es
el proceso que se produce en
la bomba de hidrógeno.
29. 6. Antimateria
Dirac (1928): predicción del
positrón (antimateria)
Anderson (1932):
descubrimiento del positrón
Aniquilación y producción de
pares de partículas
30. 6. Zoo de partículas
Pauli (1930): hipótesis del
neutrino
Anderson (1936):
descubrimiento del muón
Yukawa (1947): pión
1960: más de 300 partículas
descubiertas
31. 6. Modelo estándar
o Quarks: componentes
básicos de la materia
o Leptones: partículas
básicas (electrones).
o Bosones: partículas
portadoras de un tipo de
interacción
32. 6. Leptones
Partículas elementales: no
se combinan
Interacciones:
Electromagnética (carga ± 1)
Débil (número leptónico ± 1)
3 familias de partículas
33. 6. Quarks y hadrones
CQD: confinamiento de
quarks
Hadrones: asociaciones
formados por quarks
(bariones y mesones)
Bariones: 3 quarks que
cancelan su color: protón o
neutrón
Mesones: par quark /
antiquark
Libertad asintótica
34. 6. Quarks
Zweig y Gell-Mann (1964): 6
tipos (sabores) de quarks que se
combinan entre sí
1967: experimentos de
dispersión de electrones frente
a protones (SLAC)
Interacciones:
Electromagnética: carga
fraccionaria
Débil: número bariónico ±1/3
Fuerte: color (rojo, azul y verde)
36. 6. Diagramas de Feynman
Representaciones de
interacciones entre
partículas fundamentales
Diagrama espacio-tiempo
Partículas: flechas
/antipartículas : flechas
invertidas.
Observables si entran o
salen
37. 6. Vértices
Vértice: representa una
interacción. Conservación
carga, número leptónico y
bariónico
3 tipos: electromagnético,
débil y fuerte
42. 6. Bosón de Higgs
Modelo estándar: partículas
sin masa
Brout, Englert Higgs
(1963): Mecanismo de Higgs
Partícula elemental sin espín,
carga eléctrica ni color
Detectada experimentalmente
en CERN, 2012 y confirmada
en 2013