“CURSO BÁSICO DE METODOLOGÍA DE RADIOISÓTOPOS” Centro de Investigaciones Nucleares (CIN) – Facultad de Ciencias

NÚCLEO ATÓMICO

NÚCLEO ATÓMICO 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 ya que el radio nuclear ~ 10 –15 m mientras que el radio atómico ~ 10–10 m. Fue descubierto por Rutherford en 1911 mediante experimentos de bombardeo.

¿CÓMO ESTÁ FORMADO? Las partículas básicas que constituyen el núcleo son protones y neutrones. 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).

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 ).

¿QUÉ ES UN NUCLEIDO? Es un tipo de átomo con un número definido de protones y neutrones, distribuidos con un determinado orden dentro del núcleo. Es la unidad en Radioquímica, así como el elemento es la unidad en Química. Se conocen hasta el momento unos 117 elementos y mas de 2000 nucleidos.

Sólo 275 son estables; el resto son radiactivos. Se definen distintas categorías de nucleidos: Isótopos 1H - 2H; 12C - 14C 32S - 35S 3315P - 2810Ne - 3416S N = 18 isótonos isóbaros 6428Ni - 6429Cu - 6430Zn isómeros 137m56Ba - 13756Ba

RADIO NUCLEAR

Para todos los núcleos se cumple la ecuación empírica: R = roA1/3 (ro = 1.1 – 1.6 x10-15 m) V  A y como M  A Su densidad es, por lo tanto, constante y vale aproximadamente 1.2 x 10 14 g/cm3.

CONCLUSIONES Los nucleones se encuentran densamente empacados y el volumen total del núcleo es la suma del volumen de los nucleones. En núcleos con Z>1 se genera una importante fuerza de repulsión electrostática. Para que el núcleo sea estable debe existir una fuerza atractiva intensa que supere dicha repulsión: LA FUERZA NUCLEAR.

PROPIEDADES DE LAS FUERZAS NUCLEARES Son fuerzas atractivas entre los nucleones. Son de rango muy corto (~2x10-13 cm). Son extremadamente intensas (100 veces mayores que las electromagnéticas y 1035 veces superiores a la gravedad). Son independientes de la carga.

Se producen por intercambio de partículas virtuales. Las partículas virtuales no existen dentro del núcleo, sino que tienen una vida muy breve determinada por el principio de incertidumbre de Heisemberg. E x t < h/2

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.

RELACION N/Z Y ESTABILIDAD NUCLEAR

Estudiando la relación N/Z de los nucleidos estables vemos que: Cada elemento puede tener varios nucleidos estables. Estos nucleidos constituyen el “cinturón de estabilidad”. Estudiando la relación N/Z de los nucleidos estables vemos que: Si Z < 20 N/Z  1 Ejemplos: Nitrógeno 15 7 N (N/ Z = 1.14) 14 7 N (N/ Z = 1) 23 11 Na (N/ Z = 1.09) Sodio

Si 20 < Z < 83 1 < N/Z < 1.5 Ejemplos: Cobalto 59 27 Co (N/ Z =1 .18) Estaño 112-120 50 Sn (N/ Z = 1.24-1.4) Bismuto 209 83 Bi (N/ Z =1 .52) Si Z > 83 ningún nucleido es estable Los nucleidos que caen fuera del “cinturón de estabilidad” sufren transformaciones que dan al lugar al fenómeno de radiactividad.

¿ POR QUÉ LOS NUCLEOS INESTABLES NO SE SEPARAN EN SUS NUCLEONES? El camino por el cual el núcleo libera su exceso de energía será el energéticamente más favorable. Aún para los nucleidos radiactivos la existencia del núcleo como tal es más favorable que la separación en los nucleones que lo constituyen.

La teoría de la relatividad establece que la masa es una forma de energía y la teoría de conservación de la energía se extiende a la suma de ambas magnitudes. El equivalente entre masa y energía está dado por E = mc2. Se cumple que E (MeV) = m (umas) x 931.5

ESTABILIDAD DEL NÚCLEO La masa de un átomo es siempre menor que la suma de las masas de las partículas que lo constituyen. 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 ( energía de ligadura). La energía de ligadura/nucleón es una medida de la estabilidad del núcleo.

EJEMPLOS 1.- 12C m 12C = 6 x (mp + mn + me) - 12.0000 = 0.0989436 umas. El 12C = 92.166 MeV El/nucleón 12C = 7.68 MeV/nucleón 2.- 14C m 14C = 6 x (mp + me)+ 8 x + mn – 14.003242 = 0.113034 umas. El 14C = 105.29 MeV El/nucleón 14C = 7.52 MeV/nucleón

ENERGIA DE LIGADURA POR NUCLEON vs A PARA NUCLEIDOS DE A<11

OBSERVACIONES La El/A de los nucleidos aumenta al aumentar el número de nucleones. La El/A de los nucleidos con Z y N par es más alta que la de sus vecinos . CONCLUSIONES La fusión de 2 núcleos livianos para dar un núcleo mayor es un proceso que libera energía. Existen “números mágicos” de nucleones que favorecen la estabilidad del núcleo. Este es un argumento a favor del modelo de capas para la estructura nuclear.

ENERGIA DE LIGADURA POR NUCLEON vs A PARA NUCLEIDOS DE A>11

OBSERVACIONES La El/A presenta un máximo para A ~ 60. En esa zona se encuentran los nucleidos más abundantes en la corteza terrestre. La El/A disminuye hacia ambos lados de dicho máximo. CONCLUSIONES Los nucleidos más abundantes son los más estables. Su mayor El/A es un reflejo de esa estabilidad. La fisión de 1 núcleo pesado para dar 2 núcleos menores pero de mayor El/A es un proceso que libera energía.

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 y momento magnético total y tipo de fuerza que expeimentan. Cada partícula tiene su antipartícula. Partícula y antipartícula experimentan el fenómeno de aniquilación.

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

Fuerza Rango Intensidad Partícula a 10 -15m Carrier Gravedad Infinito 10-35 Gravitón Electromag- Infinito 10-2 Fotón netismo Fuerza débil < 10-15 m 10-13 Bosones Fuerza fuerte < 10-15 m 1 Gluón

QUARKS Son las partículas elementales que experimentan la 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.

CLASIFICACION DE LOS QUARKS Nombre Símbolo Masa en reposo Carga (MeV/c2) Up u 310 2/3 Down d 310 -1/3 Charm c 1500 2/3 Strange s 505 -1/3 Top/Truth t >22500 2/3 Botton/beauty b 5000 -1/3

LOS HADRONES Son partículas compuestas formadas por quarks. Se dividen en bariones, formados por tres quarks o tres antiquarks, y mesones compuestos por un quark y un antiquark. Los protones (u,u,d) y neutrones (u,d,d) son bariones. Los mesones  están formados por un quark up y un anti down. La fuerza fuerte mantiene unidos a los quarks. La fuerza nuclear se debe en realidad a la atracción residual entre los quarks que forman los nucleones.

LOS LEPTONES Son las partículas elementales que experimentan la fuerza débil. Se encuentran aisladas. Existen 6 leptones, 3 cargados negativamente y 3 neutros, junto con sus correspondientes antipartículas: Los leptones negativos incluyen al electrón, partícula  y partícula . Los leptones neutros incluyen al neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico.

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

MODELO STANDARD La materia está constituída solamente por 6 quarks, 6 leptones y 6 bosones. La materia estable que nos rodea es aun mas simple, ya que está formada exclusivamente por los 2 quarks mas livianos (u y d) y los electrones. Divide a quarks y leptones en 3 familias de acuerdo con su masa.

Primer familia - Formada por los quarks y leptones mas livianos: quarks up y down y electrones y neutrinos electrónicos, ademas de sus antipartículas correspondientes. Segunda familia - Formada por los quarks y leptones de masa intermedia: quarks charm y strange, partículas  y neutrinos muónicos, ademas de sus antipartículas correspondientes. Tercera familia - Formada por los quarks y leptones más pesados: quarks top y botton, partículas  y neutrinos tauónicos, ademas de sus antipartículas correspondientes.

¿FIN DE LA BUSQUEDA DE LO MÁS SIMPLE?