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Núcleo Atómico y Modos de decaimiento Dra. Q.F. Lourdes Mallo Química General.

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1 Núcleo Atómico y Modos de decaimiento Dra. Q.F. Lourdes Mallo Química General

2 NÚCLEO ATÓMICO El núcleo atómico es la parte del átomo que contiene toda su carga positiva y la mayor parte de su masa. Fue descubierto por Rutherford en 1911 mediante experimentos de bombardeo de finas láminas de oro con partículas

3 Experimento de Rutherford para medir la dispersión de las partículas Resultados esperados según modelo de Thomson y de Rutherford

4 - El átomo posee un núcleo central pequeño, con carga eléctrica positiva, que contiene casi toda la masa del átomo. - Los electrones giran a grandes distancias alrededor del núcleo en órbitas circulares. - La suma de las cargas eléctricas negativas de los electrones debe ser igual a la carga positiva del núcleo, ya que el átomo es eléctricamente neutro Conclusiones del experimento de Rutherford

5 El núcleo ocupa una región muy pequeña dentro del átomo, ya que su radio es de aprox m, varios órdenes de magnitud inferior al radio atómico (aprox m) La mayor parte del átomo es espacio vacío

6 ¿CÓMO ESTÁ FORMADO? Las partículas básicas que constituyen el núcleo son protones (Rutherford, 1919) y neutrones (Chadwick, 1932). La cantidad de protones (Z) define al elemento y es igual a la cantidad de electrones en el átomo neutro. Cantidad de neutrones (N) + cantidad de protones (Z) = número de nucleones (A). X A Z

7 Carga del protón = carga del e - = 1.6x C Carga del neutrón = 0 Masa del p + = x Kg Masa del neutrón = x Kg Masa del e - = 9,1094 × kg

8 La distribución de los nucleones dentro del núcleo determina la energía de éste. En el núcleo, al igual que sucede con los electrones en la periferia, existe un estado fundamental (de mínima energía) y estados excitados, de mayor energía. El pasaje de un núcleo en estado excitado al estado fundamental está acompañado por la emisión de un fotón (radiación ). ENERGÍA DEL NÚCLEO

9 Todos los átomos con igual Z corresponden al mismo elemento y tienen iguales propiedades químicas. Sin embargo, no todos los núcleos con igual Z tiene las mismas propiedades. Por este motivo es necesario definir una nueva unidad, el nucleido. Un nucleido es un tipo de átomo cuyo núcleo tiene un número determinado de protones y de neutrones y un estado energético definido.

10 El número de elementos conocidos hasta el momento es cercano a los 120. El número de nucleidos conocidos es alrededor de 2000, de los cuales sólo 275 son estables. El resto son radiactivos. Átomos del mismo elemento pueden corresponder a nucleidos diferentes.

11 - Isótopos: átomos con = Z pero con N y A Pertenecen al mismo elemento, por lo que tienen iguales propiedades químicas pero diferentes propiedades nucleares. Ej: 1 H, 2 H, 3 H - Isóbaros: átomos con = A pero con Z y N Ej: 90 Y (Z = 39, N = 51) y 90 Sr (Z = 38, N = 52). Pertenecen a elementos diferentes. -Isótonos: átomos con = N pero con Z y A También pertenecen a elementos diferentes. Ej: 90 Y y 89 Sr tienen ambos 51 neutrones. TIPOS DE NUCLEIDOS

12 -Isómeros: átomos con los mismos valores de A y Z, pero diferente estado energético en su núcleo. Ej: 46m Sc y 46 Sc ( 46g Sc). La m identifica al isómero metaestable. El estado fundamental se identifica con una g (ground) ó solo con el valor de A.

13 RADIO NUCLEAR Densidad del núcleo: 1.2 x g/cm veces más densos que el átomo del que forman parte Alta repulsión e inestabilidad

14 Para que el núcleo sea estable debe existir una fuerza atractiva intensa que supere dicha repulsión electrostática: las fuerzas nucleares. FUERZAS NUCLEARES PROPIEDADES: - Son fuerzas atractivas entre los nucleones. - Son de rango muy corto (~ 2x cm). Su valor es aproximadamente constante hasta una distancia del orden de 10 –15 m, cayendo bruscamente a 0 a distancias mayores.

15 - Son extremadamente intensas (100 veces mayores que las fuerzas electromagnéticas y 1035 veces superiores a la gravedad). - Son independientes de la carga. - Se producen por intercambio de partículas virtuales llamadas gluones (del inglés glue, pegamento). - Dichos gluones no existen en el núcleo sino que aparecen y desaparecen en períodos cortos.

16 Se han descubierto 4 tipos de interacciones fundamentales en nuestro Universo. - La gravitatoria: Es la que tiene mayor impacto a grandes distancias. Tiene carácter de atracción y, en comparación con el resto de las interacciones, es la mas débil. Intercambia una partícula virtual llamada gravitón. - La electromagnética: actúa entre partículas con carga eléctrica. Incluye a la fuerza electrostática, que actúa entre cargas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas eléctrica y magnética, que actúan entre cargas que se mueven una respecto a la otra. La partícula virtual intercambiada es el fotón.

17 La nuclear fuerte: es despreciable a distancias mayores que el núcleo atómico, por lo que no se aprecia en la vida diaria. No obstante, todo depende de ellas, ya que es la que permite unirse a los quarks para formar los protones y neutrones, entre otros mantiene unidos los bloques fundamentales con los que el universo está formado. La partícula virtual intercambiada es el el gluón. La nuclear débil: también es despreciable a distancias mayores que el núcleo atómico, es veces menos potente que la interacción fuerte y es responsable de que los quarks y otras partículas decaigan a partículas más livianas, así como de producir desintegraciones beta. La partícula virtual intercambiada es el bosón.

18 Fuerza Rango Intensidad Partícula a m Carrier Gravedad Infinito Gravitón Electromag- Infinito Fotón netismo Fuerza débil < m Bosones Fuerza fuerte < m 1 Gluón

19 PARTÍCULAS SUBATÓMICAS El avance de la Ciencia Nuclear experimental permitió determinar que existen más de 100 tipos diferentes de partículas subatómicas. Cada uno de ellos se caracteriza por propiedades como masa, carga, spin, momento magnético total y tipo de fuerza que experimentan. Cada partícula tiene su antipartícula. Partícula y antipartícula experimentan el fenómeno de aniquilación (transformación de masa en energía E = mc 2 ).

20 Algunas de ellas son elementales, otras en cambio están constituídas por unión de otras. Las partículas elementales son de 3 tipos: quarks, leptones y bosones. Los nucleones (protones y neutrones) no son partículas elementales sino que están compuestas por combinación de quarks.

21 - Son las partículas elementales que experimentan interacción fuerte. - Existen 6 tipos de quarks y otros tantos antiquarks. - No se encuentran aisladas, sino formando grupos de 3 quarks, 3 antiquarks o 1 quark + 1 antiquark. - Presentan carga eléctrica fraccionaria: -1/3 e - ó + 2/3 e - QUARKS

22 Nombre Símbolo Masa en reposo Carga (MeV/c 2 ) Up u 310 2/3 e - Down d /3 e - Charm c /3 e - Strange s /3 e - Top/Truth t > /3 e - Botton/beauty b /3 e - CLASIFICACIÓN DE LOS QUARKS

23 Los quarks nunca se han observado aislados, sino formando parte de las partículas compuestas denominadas hadrones. Los quarks se mantienen unidos a través de la interacción fuerte (gluones). Los hadrones se dividen en: - bariones: formados por tres quarks o tres antiquarks Ej: protones (u,u,d) y neutrones (u,d,d) - mesones: compuestos por un quark y un antiquark. Ej: Los mesones están formados por un quark up y un anti down

24 PROTÓN y NEUTRÓN

25 Tres ejemplos de mesones formados por un quark y por por un antiquark designado por una barra sobre la parte superior. © KEK Laboratory MESONES

26 - Existen 6 tipos de leptones, 3 cargados negativamente y 3 neutros, junto con sus correspondientes antipartículas: Dentro de los leptones negativos se encuentra el electrón. Dentro de los leptones neutros se encuentran los diferentes tipos de neutrinos LOS LEPTONES - Son las partículas elementales que experimentan la fuerza débil. - Se encuentran aisladas.

27 - Son las partículas virtuales portadoras de fuerza. LOS BOSONES - Incluyen a los fotones, los gluones, los bosones W +, W - y Z y a los gravitones (aun no descubiertos).

28 ESTABILIDAD NUCLEAR - El núcleo es intrínsecamente inestable debido a la repulsión electrostática entre los protones. - El balance repulsión-atracción determina si un nucleido es estable o radiactivo. - La relación entre N y Z es de fundamental importancia en dicho balance. - Cada elemento puede tener varios nucleidos estables. Estos nucleidos constituyen el cinturón de estabilidad.

29 Cinturón de estabilidad - Si Z < 20 N/Z 1 7 N N/Z = Si 20 < Z < 83 1 < N/Z < 1.5 Sn N/Z =

30 - Si Z > 83: ningún nucleido es estable Bi N/Z = Los nucleidos que caen fuera del cinturón de estabilidad sufren transformaciones que dan al lugar al fenómeno de radiactividad. Sin embargo, aún para los nucleidos radiactivos la existencia del núcleo como tal es más favorable que la separación en los nucleones que lo constituyen.

31 - Esa diferencia se denomina defecto de masa y es equivalente a la cantidad de energía que el núcleo gasta en mantener juntos a sus nucleones. - La masa de un átomo es siempre menor que la suma de las masas de las partículas que lo constituyen. Átomo de Li 6 3

32 La radiactividad es un fenómeno espontáneo de transformación de un nucleido en otro, con emisión de partículas o radiación, y energía. RADIACTIVIDAD Cuando N/Z cae fuera del cinturón de estabilidad el nucleido es radiactivo (radionucleido). Al radionucleido que experimenta el proceso se le denomina "padre" (P) y al decaer se convierte en el nucleido "hijo" (H), el cual puede ser estable o ser también radiactivo. La radiactividad no depende de la naturaleza física o química de los átomos, es una propiedad de su núcleo.

33 TIPOS DE RADIACIÓN

34 Existen 5 tipos de decaimiento radiactivo: - alfa () (Núcleos de Helio) - - beta () + Captura electrónica (CE) - gamma () El modo de decaimiento más probable será aquel que acerque ese radionucleido a la estabilidad.

35 Los radionucleidos con Z > 83 deben disminuir rápidamente la cantidad total de nucleones para acercarse a la estabilidad. Emiten una partícula EMISIÓN ALFA Partícula 4 2 X Y + He + E A Z A-4 Z-2 m = masa (P) – masa (H) + m ( 4 He) > 0

36 NUCLEO ATOMICO Es la parte del átomo que contiene toda la carga positiva y la mayoría de la masa. Ocupa una región muy pequeña dentro del átomo que puede asumirse como una esfera: radio nuclear m radio atómico m Fue descubierto por Rutherford en 1911 mediante experimentos de bombardeo.

37 CONSTITUCIÓN DEL NÚCLEO Las partículas básicas que constituyen el núcleo son protones y neutrones (nucleones). La cantidad de protones (Z) define al elemento y es igual a la cantidad de electrones en el átomo neutro. A=Z+N Z = número de protones N = número de neutrones A = número de nucleones

38 ENERGÍA DEL NÚCLEO La distribución de los nucleones dentro del núcleo determina la energía de éste. Existe un estado fundamental nuclear y estados excitados. La desexcitación del núcleo va acompañada, al igual que la de los electrones, por la emisión de radiación electromagnética (radiación γ).

39 DEFINICIÓN DE NUCLEIDO Es un conjunto de átomos con un número definido de protones (Z) y neutrones (N), distribuidos con un determinado orden dentro del nue/eo (Energia del nucleo). Los Momos que difieran en cualquiera de estos tres para metros pertenecen a nucleidos diferentes. Es la unidad en Radioquimica, asi como el elemento es la unidad en Quimica. Se conocen hasta el momenta un os 117 elementos y mas de 2000 nucleidos.


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