UNIDAD DIDÁCTICA: FÍSICA NUCLEAR Y RADIACTIVIDAD Nivel: 2º de Bachillerato Felipe Le Vot Granado Noviembre 2015

BLOQUE I: ESTRUCTURA DE LA UNIDAD DIDÁCTICA

ÍNDICE 1)Objetivos 1)Competencias 1)Contenidos 1)Criterios de evaluación 1)Criterios de calificación 1)Metodología 1)Conocimientos previos 1)Temas transversales 1)Organización temporal

1. OBJETIVOS 1.Conocer los constituyentes del núcleo atómico, su tamaño y las fuerzas nucleares. 1.Conocer los procesos de desintegración radiactiva más habituales y atribuirlos a la ganancia de estabilidad. 1.Evaluar el impacto de los avances de la Física Nuclear en la sociedad. 2. COMPETENCIAS  Lingüística  Matemática  Conocimiento e interacción con el mundo físico  Digital  Aprender a aprender.  Social y ciudadana  Cultural y artística  Autonomía e iniciativa personal.

3. CONTENIDOS ① El núcleo atómico: Composición, radio nuclear y fuerzas nucleares. ② Energía de enlace y estabilidad nuclear. ③ Radiactividad: Radiactividad natural, ley de la desintegración radiactiva y reacciones de bombardeo. ④ Aplicaciones de la radiactividad: Fusión y fisión nuclear y aplicaciones en Física Médica. 4. CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1.Aplicar la equivalencia masa−energía para explicar la energía de enlace y la estabilidad nuclear. 2.Interpretar la radiactividad como un fenómeno que vuelve a los núcleos más estables. 3.Conocer las reacciones nucleares y valorar la importancia de las mismas en la sociedad, como las aplicaciones médicas o la energía nuclear; así como ser conscientes de los riesgos que suponen (armamento nuclear, residuos …).

5. CRITERIOS DE CALIFICACIÓN  Se hará un examen tras finalizar el tema. Dicho examen seguirá un modelo similar al de Selectividad y podrá incluir un problema de las unidades anteriores.  De acuerdo con la competencia lingüística, se podrá descontar hasta un punto de la nota total del examen por faltas de ortografía, a razón de 0.2 puntos por cada palabra o locución mal escrita y 0.1 puntos por cada error de acentuación o puntuación.  Evaluación de los problemas (no solo importa el resultado final):

6. METODOLOGÍA  Impulsar la participación de los alumnos en el aula y propuesta de actividades en clase, como problemas.  Propuesta de un test de evaluación inicial. El aprendizaje significativo parte de lo que sabe el alumno.  Empleo del mapa conceptual (a través del programa CMAPTools) como técnica de aprendizaje y evaluación de conocimientos.  Uso de las TIC. Se proporcionarán recursos on line donde los alumnos puedan reforzar o ampliar sus conocimientos.  Realización de un debate en el aula con el fin de favorecer el uso del diálogo para resolver conflictos, el respeto y actitudes sociales y el trabajo en equipo.

7. CONOCIMIENTOS PREVIOS FÍSICA  2º Bto: Relatividad especial: equivalencia entre masa y energía.  3º ESO: Transformaciones de la energía.  3º ESO: Números atómico y másico. Modelos atómicos. QUÍMICA  4º ESO: Conceptos de mol y masa atómica.  4º ESO: Cambios de unidades de energía. El electronvoltio. MATEMÁTICAS  1º Bto: Derivar, e incluso, integrar.  4º ESO: Resolución de ecuaciones y sistemas.  4º ESO: Funciones exponenciales.

8. TEMAS TRANSVERSALES

9. ORGANIZACIÓN TEMPORAL Cada clase se reparte en  15 minutos: Dudas y corrección de problemas.  40 minutos: Contenidos y actividades de clase. SESIÓNACTIVIDADES 1Test de evaluación inicial. Conocimiento del núcleo atómico y estabilidad nuclear. 2Radiactividad: Reglas de Soddy−Fajans. Problemas. 3Ley de la desintegración radiactiva. Problemas. 4Aplicaciones de la física nuclear. Debate sobre la viabilidad de la energía nuclear.

BLOQUE II: DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS Y ACTIVIDADES

ÍNDICE Test inicial 1)El núcleo atómico 1)Energía de enlace 1)Radiactividad natural 1)Desintegración radiactiva 1)Fisión nuclear 1)Fusión nuclear 1)Aplicaciones médicas Recursos Modelo de examen

TEST INICIAL

1. EL NÚCLEO ATÓMICO El núcleo se compone de nucleones: protones y neutrones. Los núcleos, salvo deformaciones rotovibracionales, son esféricos y el radio nuclear sigue la expresión: Las fuerzas que mantienen unido al núcleo se llaman fuerzas nucleares, que son atractivas, de corto alcance y gran intensidad (mayor que la repulsión coulombiana entre protones).

2. ENERGÍA DE ENLACE La masa del núcleo (o átomo) es menor o igual que la suma de las masas de sus constituyentes. La energía de enlace nuclear, B, se define como el equivalente energético asociado a la diferencia de masa entre los constituyentes y el núcleo. Cuanto mayor sea la energía de enlace, más estable es el átomo. Problema: Calcular la energía de enlace de un núcleo de He−4, cuya masa es MeV/c 2 sabiendo que las masas del protón y del neutrón son y MeV/c 2, respectivamente. Este núcleo se llama partícula α. ¿Se te ocurre por qué muchas núcleos emiten esta partícula? Solución: MeV.

ENERGÍA DE ENLACE POR NUCLEÓN

Cuando A es pequeño, los núcleos estables tienen Z=N. Cuando A es grande, es preferible que N>Z, debido a la repulsión coulombiana. Los núcleos par−par adquieren una cierta estabilidad extra (acoplamiento de espines de los nucleones).

3. RADIACTIVIDAD NATURAL Desintegración α: Es la emisión de núcleos de helio-4. Desintegración β − : Los núcleos con exceso de neutrones, transforman uno de ellos en un protón, emitiendo un electrón y un antineutrino electrónico. Se conserva el número másico, la carga y el número leptónico.

Desintegración γ: Un núcleo excitado, se desexcita emitiendo fotones.

Problema Completa la serie radiactiva del 235 U:

4. DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA Constante de desintegración radiactiva λ: Probabilidad con la que un núcleo inestable se desintegra en un tiempo dado. Por tanto, tiene unidades de t −1 y es propia de cada especie. Esto conlleva que el número de núcleos desintegran en la unidad de tiempo, llamado actividad, sea: Ejercicio: Comprobar matemáticamente que A=λN, a partir de la ley de la desintegración radiactiva. LEY DE LA DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA Unidades: Bq (SI), Ci = 3.7 ·10 10 Bq

Consecuencias de la ley de la desintegración radiactiva La vida media, τ, o tiempo esperado en que un núcleo se desintegre es: Existe un período de semidesintegración, t 1/2, pasado el cual, el número de núcleos padre que había en un instante dado, se reduce a la mitad.

Problema Halla la actividad de 1 g de 226 Ra sabiendo que el periodo de semidesintegración de este núcleo son 1620 años. 1 Calcular el número de núcleos de 226 Ra. 2 Pasar el período de semidesintegración a segundos. 3 Hallar la actividad:

Problema Se descubre un pergamino con una actividad del 14 C (con un periodo de semidesintegración de 5730 años) del 74% con respecto a la del vegetal del que está fabricado. Calcula la edad del pergamino. 1 Identificar que 3 Despejar el tiempo en la ley de la desintegración radiactiva y sustituir los datos. 2 Hallar λ a partir del periodo de semidesintegración.

5. FISIÓN NUCLEAR La fisión es el proceso en el cual un núcleo pesado se fragmenta en dos núcleos ligeros, liberándose energía. Para ello, puede ser necesario el bombardeo del núcleo padre con un neutrón, como ocurre en los reactores de las centrales nucleares. En el reactor, debe controlarse que el número de núcleos lentos resultantes del proceso sea igual a uno, ya que cada neutrón lento interaccionará con otro núcleo de 235 U. Si no se estabiliza esta reacción, se generará una bomba nuclear.

6. FUSIÓN NUCLEAR La fusión es el proceso por el cual dos núcleos ligeros se combinan en uno más pesado, liberando energía. Inconveniente: Necesario una energía inicial del orden de la obtenida para que los átomos estén en estado de plasma y aumente la sección eficaz de colisión. De encontrar su aprovechamiento rentable, sería una energía que emplea recursos naturales ilimitados (agua).

7. APLICACIONES MÉDICAS

RECURSOS  PDF que resume los contenidos dados y contiene ejercicios de refuerzo (resueltos y propuestos) del mismo tipo que los problemas planteados.  PDF que complementa al anterior y, además, ofrece contenidos de ampliación como: o Problemas de ley de desintegración radiactiva en el que el cálculo del número de moles iniciales se obtiene a partir de las variables termodinámicas del helio resultante. o Cálculos de la energía liberada en una reacción a partir del equivalente entre masa y energía. o Contenidos básicos en Física de Partículas. Fuerzas fundamentales. El modelo de quarks. nuclear.pdf  Ley educativa: Real Decreto 1467/2007, de 2 de noviembre (LOE).  Libro de texto: Física 2º Bachillerato. Editorial Santillana. Coordinación: Grupo Orión de Didáctica de la Física.

MODELO DE EXAMEN