Física nuclear 2º de bachillerato

Física nuclear
Física2ºdebachillerato
FranciscoJoséNavarroRodríguez
Abril2013

 Introducción
 Energía de enlace
 El núcleo atómico
 Modelos nucleares
 Radiactividad artificial
 Radiactividad natural
 Aplicaciones
 Medidas de seguridad
 Los
protagonistas…
 Reacciones nucleares
 Fusión
 Fisión

1. Introducción
 Átomo indivisible: primeras teorías
“Toda la materia está constituida por átomos
indivisibles, indeformables e indestructibles…”
(Pensadores griegos)
1. Los átomos son indivisibles e indestructibles
2. Los átomos del mismo elemento, son iguales en masa y propiedades.
3. Los átomos de distintos elementos, son distintos en masa y propiedades.
4. Los compuestos químicos están formados por la unión de varios átomos.
• Desde los filósofos griegos, hasta 1808:
• Desde 1808 hasta finales del S. XIX.
Teoría atómica de Dalton:

1. Introducción
 Descubrimiento de partículas atómicas
Descubrimiento del electrón :
Tubo de rayos catódicos
• 1897, J.J. Thomson. 1909, R. Millikan
Relación carga/masa
del electrón J. J. Thomson
(1897)
Cálculo de la carga
y la masa del electrón R. Millikan (1909)

1. Introducción
Descubrimiento del protón:
Tubo de rayos catódicos
• 1886, Goldstein
kgMasa
CaC
H
27
19
1
1
10.673,1
10.6,1arg






1. Introducción
 Otros “descubrimientos” del electrón
• Electrólisis:
•Teoría de los electrolitos de Svante Arrhenius
Ciertas sustancias (ácidos, bases y sales) se
por disociación cuando se disuelven en agua.
•Faraday
Fundamentos del electromagnetismo
•Stoney

1. Introducción
 Descubrimiento del núcleo atómico
Descubrimiento del núcleo atómico:
Experiencias de Geiger y Mardsen y
modelo atómico de Rutherford
• 1911, Ernest Rutherford (100 años desde T.A. Dalton)
1. Experimento

1. Introducción
2. Estudio de las
desviaciones
1. Experimento

1. Introducción
2. Estudio de las
desviaciones
1. Experimento
3. Modelo
atómico de Rutherford

1. Introducción
 Evolución de los modelos atómicos

1. Introducción
Descubrimiento del neutrón :
Reacción nuclear provocada
• 1932, Chadwich.
kgMasa
CaC
n
27
1
0
10.675,1
0arg



Encargado de dar
estabilidad al núcleo
(disminuir repulsiones p-p)

1. Introducción
Descubrimiento del
positrón:
Desviaciones paralelas
en la cámara de niebla
)(
0
1
electróndelulaantipartíc

• 1932, Carl Anderson

1. Introducción
 Actualmente, se estudian muchas otras en los aceleradores de partículas

1. Introducción
 Descubrimiento de la radioactividad
Radiaciones que
impresionan placas
fotográficas, ionizan
gases, atraviesan la
materia.
• 1896, H. Becquerel
Estaba estudiando la fluorescencia, luminosidad procedente
de algunas sustancias al ser iluminadas, al recibir radiación
electromagnética, cuando por casualidad descubrió el nuevo
fenómeno.

1. Introducción
• 1896, H. Becquerel
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.
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.

1. Introducción
Descubrimiento del
Polonio y del Radio.
• 1898, Pierre y Marie Curie
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.

1. Introducción
Dispositivo de
Rutherford para
estudiar las
radiaciones
Esquema para todas
las transiciones
posibles
(N vs. Z)

1. Introducción
 Concluyendo……100 años tras Dalton….
 El núcleo está integrado por varias
partículas: protones y neutrones.
 El átomo está constituido por núcleo y
corteza electrónica.
 Todos los núcleos tienen una carga
nuclear múltiplo de la del protón./e/
 El núcleo tiene casi toda la masa
atómica, aún siendo 10.000 veces más
pequeño.

1. Introducción
 Concluyendo……100 años tras Dalton….
 La corteza electrónica es la responsable
de las propiedades químicas y físicas
del átomo.
 El núcleo es el responsable de
radioactividad natural, y de las
reacciones nucleares.
Carga (C) Masa (kg) Comparando
Protón +1,6.10-19 1,673.10-27 Mp/me=1836
neutrón 0 1,675.10-27 Mn/me=1839

1. Introducción
 Caracterización del núcleo
A = Z + N
A = Número másico
Z= Nº de protones
N = Nº neutrones
•Isóbaros(=A y distinto N y Z)
•Isótopos(=Z y distinto A y N)
•Isótonos(=N y distinto A y Z)

1. Introducción
 Caracterización del núcleo
Isótopos:
876
14
6
13
6
12
6
N
CCC
77
14
7
13
6
N
NCIsótonos:
Isóbaros:
78
14
7
14
5
N
NB

1. Introducción
 Elemento y masa atómica
Elemento químico: Sustancia pura y simple
formada por una mezcla isotópica de composición
(%) isotópica constante.
Abundancia isotópica: % de un isótopo en el elemento. Lo
proporciona el espectrógrafo de masas.
Masa isotópica relativa en relación a 1 u.m.a.
Oxígeno O-16 O-17 O-18
% 99,759 0,0374 0,2039
Masa isotópica
(aprox) (umas)
16 17 18
umasAr 999,15
100
2039,0
.18
100
0374,0
.17
100
759,99
.16 

 Tamaño nuclear
2. El núcleo atómico

R  Ro A3
1,2. A3
F
mFFermi 15
1011 


 Densidad nuclear
ARRV o
33
3
4
3
4
 A
A
M 27
23
3
10.66,1
10.023.6
10 


Un cubo de material nuclear, de 1 cm de lado, tendría
una masa de 229 millones de toneladas.
3
17
45
27
10.29,2
10.238,7
10.66,1
m
kg
A
A
V
M
d  


Esférico Esferoide
PROLATO
Esferoide
OBLATO
Momento cuadripolar
eléctrico nuclear
NO SI SI
Número cuántico de
espín nuclear, I
Momento dipolar
magnético nuclear
2
1
,0 ...)
2
5
,2,
2
3
,1(1
Sólo lo tendrán aquellos
núcleos que tengan…..
2
1
I
 Forma nuclear

 Spín nuclear
Z N Nº de
nucleones
ESPÍN NUCLEAR Explicación
Par Par Par 0
Los nucleones idénticos tienden a
acoplar sus momentos angulares
en direcciones opuestas.
Efecto apareamiento.
Impar Impar Par
n
(entero)
Tiene dos nucleones
desapareados (un protón y un
neutrón) y es más difícil predecir
sus resultados.
Par Impar
Impar
n/2
(semientero)
Ya que tienen o un protón o un
neutrón desapareado.
Impar Par

 Masa nuclear
1uma 
m 6
12
C (Kg)
12

12.103
12.6,023.1023 
103
6,023.1023 kg
• Definición de U.M.A.
• Defecto de masa:
umasMNmZmm np  )(

 Fuerza nuclear fuerte (FNF)
1. Muy intensas. Superan la repulsión p-p
2. Corto alcance. Sólo a distancia de pocos Fermis.
3. Independientes de la carga (p-p=n-n=p-n)
4. Saturadas. Sólo con nucleones vecinos
5. Atractivas, mantienen unidos a los nucleones
6. A distancias menores, repulsivas.
(Coraza repulsiva)
7. Dependen del spín de los nucleones
y otras magnitudes cuánticas.

 Fuerza nuclear fuerte (FNF)
1935. Hideki Yukawa
MESONES
En 1947, se descubren
experimentalmente los muones ()

3. Energía de enlace
 Energía de enlace nuclear
• Definición:

umasMNmZmm np  )(
kguma 27
10.667,11 

uma
MeV
cmE 2,931. 2

E= 931,2 (Mev/uma).m (umas)
• Cálculo:
1. ¿Cuánta masa es 1 uma?
2. ¿A cuánta energía (MeV)
equivale 1 uma?
3. ¿Cuánto vale el defecto de
masa de un átomo?
4. ¿Cuál es su energía de
enlace (MeV)?
5. ¿Y su energía de enlace por nucleón (MeV/nucleón)? nucleón
MeV
n
A
E
E 

4. Modelos nucleares
 Generalidades
2. Modelo de capas
Marie Goepert-Mayer (1948)
1. Modelo de la gota líquida
G. Gamow (1945)
3. Modelo colectivo
Aage Bohr y Ben Mottelson (1953)

 Modelo de la gota líquida
Sugerido por G. Gamow, 1930
1936 Bohr
• No distingue p y n. Tampoco
influye el comportamiento cuántico
de los mismos.
• Supone que todos los nucleones
están en movimiento en el interior
del núcleo.
• Cada nucleón sólo interacciona
con sus vecinos más próximos.
(saturación)
• Las fuerzas de nucleones
interiores están compensadas.
• Las fuerzas de nucleones
superficiales no están
compensadas (f. de cohesión)

Contribución
energética Ecuación Origen
Coeficientes
(Energía en
MeV)
Energía de
volumen
Fuerzas nucleares proporcionales a A
Energía
superficial
Corrige a Ev debido a que los nucleones
superficiales tienen menos nucleones
alrededor que los interiores. Origina la
tensión superficial que da origen la
forma esférica (gota líquida)
Energía de
repulsión
electrostática
Repulsión electrostática entre pares de
protones. Si tenemos Z protones,
tendremos Z(Z-1)/2 pares de protones.
Si aumenta Z, aumenta Ec
Si disminuye el radio, disminuye A1/3, y
aumenta Ec.
585,0ca
3
1
)1(
A
ZZa
E c
c


AaE vv  1,14va
3
2
AaE ss  1,13sa

3
4
3
1
)1(
585,01,131,14
A
ZZ
A
A
E
En




 Modelo de capas
1948.
Marie Goeppert-Mayer
Premio Nobel Física 1963

 Modelo de capas
Z N A
Nº DE
NUCLEIDOS
% DE
NUCLEIDOS
Impar Impar
Par
(estables)
8 2,81
Impar Par Impar 53 18,66
Par Impar Impar 57 20,07
Par Par
Par
(estables)
166 58,45
Z 2 8 20 28 50 82 126
N 2 8 20 28 50 82
Números
“mágicos “
de Z o N,
originan
núcleos
estables

 Modelo colectivo
También llamado modelo unificado,
ya que combina:
1951. Aage Bohr y Ben Mottelson
• Movimientos colectivos de los nucleones
(modelo de la gota líquida)
• Movimientos individuales de los nucleones
(modelo de capas)

5. Reacciones nucleares
 Clasificación
YbaXbienobYXa ),(,
7. FUSIÓN, si a y X son núcleos que se funden para dar otro más pesado
2. DIFUSIÓN: a=b, y por tanto X=Y. Puede ser elástico (Y) o inelástico (Y*).
3. FOTONUCLEAR, si a es un fotón.
4. CAPTURA RADIOACTIVA, si b es un fotón.
5. PROCESO RADIOACTIVO, cuando a=0, es decir X se desintegra.
6. FISIÓN, cuando tras el impacto de a, X se escinde en dos núcleos
de mediano tamaño.
1. TRANSMUTACIÓN: a y b, núcleos ligeros

5. Reacciones nucleares
 Calores de reacción
Suponiendo X en reposo.....
QbYXa 
• 1 gr de carbón puede proporcionar al arder 12 .10-3 kw-h
• 1 gr de U-235 puede proporcionar por fisión de todos
sus núcleos una energía de 24.000 kw-h (2 millones de veces superior).
• 1 gr de carbón o de uranio, desmaterializado del todo proporciona
todavía una energía muchísimo mayor.
2
).( cmmmmEEEQ byaxaby 

6. Radioactividad natural
 ¿Qué es?
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.

 ¿Qué es?
Comprobaron que la radiactividad es un fenómeno:
1. Independiente del estado físico en que se encuentren los
átomos
2. Independiente de la naturaleza del compuesto químico en
el que se encuentren los átomos radiactivos
(¿por qué induce a pensar que se trata del núcleo?)
Los procesos nucleares no tienen nada que ver con las
reacciones químicas en las que participan exclusivamente
electrones de la corteza electrónica.

 Leyes del desplazamiento radioactivo
(S o d d y - F a j a n s)
 XX A
Z
A
Z
*
e
A
Z
A
Z eYX  
0
11
 
 HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2



 Desintegración  (núcleos de He)
 
 HeYX A
Z
A
Z
4
2
4
2

 Desintegración - (electrones)
Antineutrino
e
A
Z
A
Z eYX  
0
11

 Desintegración + (positrones)
e
A
Z
A
Z eYX  
0
11
1930. “Mar de partículas” de Paul Dirac.
1932, experimentalmenta encontradas por Carl
Anderson.

 Desintegración  (fotones de alta energía)
 XX A
Z
A
Z
*
1900, Paul Villard

 Penetración de la radioactividad natural

 Núcleo y estabilidad: gráfica N-Z

 Ley de la desintegración radioactiva
1. Fenómeno estadístico (probabilidad)
En cualquier muestra radiactiva existe un número muy elevado de núcleos
por lo que se puede afirmar que la desintegración radiactiva es un
fenómeno totalmente aleatorio y que se produce al azar.

2. Resultados experimentales N(t)-t

t
eNN 
 0
t
emm 
 0
t
eAA 
 0
2. Resultados experimentales N(t)-t
3. Ecuación de Elser y Geiter

N
NO
 e t
dN
dt
 N. 
4. Deducción de la LDR
dN
N
 dt. 
dN
NNo
N
    dt
t0
t

El ritmo de desaparición de núcleos depende de: NÚCLEOS
PRESENTES, CONSTANTE DE DESINTEGRACIÓN
RADIOACTIVA
ln N No
N
  t t0
t
ln N  ln NO  ln
N
NO
  t
t
eNN 
 0

 Otras magnitudes asociadas
).()( tNtA
dt
dN

1. ACTIVIDAD (velocidad de desintegración)
•1 Becquerel = 1Bq = 1 d/s
•1 Curie = 1 Ci= 3,7 . 1010 d/s
= actividad de 1 gr de radio
•1 Rutherford = 1 Ru = 106 d/s
•1Ci = 3,7 .104 Ru
UNIDADES
Ritmo de emisión de partículas
Ritmo de desaparición de
núcleos

2. PERIODO DE
SEMIDESINTEGRACIÓN
T1/ 2 
ln 2


0,693

N 
NO
2
 NO .e.T1/2

1
2
 e.T1/2
ln(
1
2
)   .T1/2
ln(
1
2
)   .T1/ 2 ln 2   .T1/ 2 T1/ 2 
ln 2

Demostración:

3. VIDA MEDIA
 
1


T1/2
ln 2
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.

 Equilibrio radioactivo
BA
BBAA NN  
Condición de equilibrio radioactivo:
Para N02=0, planteando, integrando y
resolviendo encontramos N2(t):
Caso particular:
1 <<< 2
Equilibrio secular
radiactivohijoB
oradioactivpadreA
)(
)(

 Series radioactivas
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.

 Series radioactivas
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.

7. Radioactividad artificial
 Primera reacción nuclear
OHHeN 17
8
1
1
4
2
14
7 

7. Radioactividad artificial ( provocada )
 Primera reacción nuclear
En 1934 Frédréric Joliot e Irene Curie descubrieron que:
1. 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.
2. 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.
nPHeAl 1
0
*30
15
4
2
27
13 
Posteriormente…

 Descubrimiento del neutrón
•1932,Chadwich.

 Barrera de Coulomb
• Protones: penetran mejor cuanto más rápidos,
para vencer la barrera de potencial electrostático.
• Neutrones: penetran mejor los lentos (o
térmicos), por pasar más tiempo cerca del núcleo.

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
masa 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.
8. Fi sión nuclear

8. Fi sión nuclear
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.

8. Fi sión nuclear
Central nuclear Bomba atómica

9. 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.

9. Fusión nuclear
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.

10. Aplicaciones de la radioactividad
 Aplicaciones de algunos radio-isótopos

 Medicina
Diagnóstico:
Medicina nuclear
•Con administración de radioisótopos
•Con extracción de una muestra
•Con medicina de antipartículas (PET)

 Medicina
Terapias:
Radioterapia (tratamiento del cáncer)
  
0
1
60
28
*60
27
1
0
59
27 NiConCo
Quimioterapia (cáncer de tiroides)
• Tratamiento con ingestión de una solución salina
de yoduro sódico que contenga I radioactivo
( 131I, 128I)

 Datación de muestras
• De origen orgánico: proporción C-14/C-12
• De origen mineral: proporción U-238/U-235
)5570( 2
1
0
1
14
7
14
6 añosTNC   
UyUIsótopos 238235

 Industria
• Gammagrafía de estructuras metálicas
• Testificación de sondeos y prospecciones
• Reconocimiento de fugas
• Control automático de espesores
• Estudios de fricción y lubricación

 Química
• Estudio de mecanismos de reacción
• Determinación de la velocidad de reacción
• Diseño y mejora de polímeros

 Alimentación y agricultura
• Esterilización de alimentos
 Biología
• Seguimiento de
procesos vitales

 Energéticas
 Militares

 Origen de las radiaciones

 Riesgos de la radiación

11. Medidas de seguridad
 Residuos radioactivos
1. Bidón de residuos
2. Carga de un bidón con
residuos
3. Arcón de residuos
4. Almacén de residuos
5. Hueco de una bóveda
6. Almacén de varias
bóvedas

 Residuos radioactivos
1. Bidón de residuos
2. Carga de un bidón con
residuos
3. Arcón de residuos
4. Almacén de residuos
5. Hueco de una bóveda
6. Almacén de varias
bóvedas
7. Barreras para
residuos

 Normativas
• Beneficios por encima de posibles
daños.
• Principio ALARA: Exposiciones tan bajas
como sea posible
• Dosis limitadas para evitar riesgos
innecesarios

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