Este documento presenta un resumen de los principales conceptos y descubrimientos en física atómica y nuclear. Comienza con la historia de la radiactividad y los modelos atómicos clásicos, luego describe los tipos de radiactividad, la ley de desintegración radiactiva, y los procesos nucleares como la fisión y fusión. Finalmente, introduce conceptos del modelo estándar como quarks, leptones, bosones y diagramas de Feynman.

1. Física atómica y nuclear
1. Historia de la radiactividad
2. El átomo
3. Física nuclear: composición y
estabilidad de los núcleos
4. Radiactividad. Ley de
desintegración radiactiva
5. Reacciones nucleares: fisión y
fusión
6. Modelo estándar
© Patricio Gómez Lesarri

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−

21. 4. Diagramas de Segré

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)

35. 6. Interacciones: bosones
Yukawa (1937): predicción
de bosones gauge

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

38. 6. Interacción electromagnética
Combinación de vértices
electromagnéticos muestran
interacciones puramente
electromagnéticas

39. 6. Repulsión electrónica

40. 6. Interacciones débil y fuerte
 Bosones W / Z o gluones

41. 6. Interacción débil

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