Facultad de Regional C. del Uruguay Taller de Física “De lo clásico a lo moderno” Lic. Norma Y. Haudemand Ing. Jorge Gianera

OBJETIVOS Analizar los fundamentos de los procesos involucrados en una emisión radiactiva y la ley que verifican Conocer las aplicaciones más importantes derivadas de la radiactividad. Introducir las teorías actuales sobre partículas elementales.

CONTENIDOS Estructura del núcleo. Energía de enlace y fuerzas nucleares. Radiactividad. Decaimientos alfa, beta, gamma. Estabilidad. Ley de decaimiento. Vida media. Fechado radiactivo. Fisión nuclear. Fusión nuclear Partículas elementales.

ENERGÍA DE ENLACE DEL NÚCLEO: La energía equivalente a la masa de un núcleo atómico es menor que la suma de la masa de sus nucleones separados: 7Li masa en reposo del 7Li m(7Li) = 7.016003 u 3 protones y 4 neutrones 7Li m = (3·mH+ 4·mn)- m(7Li) =0.042132 u =6.9981·10-29 kg E = mc2 = 6.2983·10-12 J = 39.364 MeV La mayor energía asociada a los componentes nucleares separados es la energía de enlace del núcleo.

ENERGÍA DE ENLACE POR NUCLEÓN: Número de masa, A Energía de enlace por nucleón (MeV) región de gran estabilidad

FISIÓN Y FUSIÓN: FISIÓN NUCLEAR = obtención de núcleos más ligeros a partir de núcleos más pesados. FUSIÓN NUCLEAR = unión de núcleos ligeros para obtener núcleos pesados, de mayor masa. Número de masa, A Eenlace por nucleón (MeV) FISIÓN FUSIÓN

FISIÓN NUCLEAR INDUCIDA: Reacción en cadena:

EL CICLO NUCLEAR: ENERGÍA DE FISIÓN.

REACTOR NUCLEAR: ELEMENTOS. COMBUSTIBLE: - Óxidos de uranio  99,2745% 238U, 0,72% 235U, 0,0055% 234U - Enriquecimiento en 235U hasta 3-4% (separación ) - Barras de combustible (aleación zirconio) - Otros núcleos fisionables: 241Pu, 243Pu. MODERADOR: - Refrigerante/almacenamiento de E  producción neutrones lentos y producción de vapor de agua. - Agua ligera o a presión. Agua pesada o deuterada. BARRAS DE CONTROL:

LA ENERGÍA DE LAS ESTRELLAS Hans BETHE Nobel de Física en 1967 LAS ESTRELLAS “QUEMAN” HIDRÓGENO Las altas temperaturas facilitan que CUATRO PROTONES se transformen en una partícula ALFA, liberando mucha ENERGÍA

REACCIONES NUCLEARES DE FUSIÓN: Ejemplo de fusión natural  proceso en las estrellas: SOL:

CÁMARA DE NIEBLA La cámara de niebla es un dispositivo que nos permite detectar partículas elementales y otras radiaciones ionizantes como partículas alfa, beta y electrones resultantes de la ionización producida por rayos gamma. El funcionamiento consiste en la condensación de alcohol en torno a iones formados por el paso de dichas partículas.

¿QUÉ SON CAPACES DE ATRAVESAR LAS RADIACIONES? Las distintas radiaciones tienen distinta capacidad de penetración en los medios materiales debido a las interacciones que intervienen en el proceso de frenado de las partículas y propiedades de las mismas partículas como masa, carga, ... ALFA α BETA β GAMMA γ NEUTRÓN Papel Cobre Plomo Hormigón

RADIACTIVIDAD NATURAL La radiación natural a la que está expuesta la población proviene de la desintegración de isótopos radiactivos en la corteza terrestre, de la radiación cósmica y de los isótopos radiactivos que forman parte de los seres vivos, también llamada radiación interna Rayos Cósmicos 12% Radón 40% Radiación Gamma 15% Radiación Interna 15% Tratamientos Médicos 17% Otros 1%

RAYOS CÓSMICOS Los Rayos Cósmicos vienen del espacio con gran energía y dan lugar en la atmósfera a una cascada de partículas de los más variado. Pueden llegar a atravesar la tierra de lado a lado sin detenerse

Principales Radionucleidos Radiactividad en la corteza terrestre Principales Radionucleidos Los elementos radiactivos naturales se encuentran distribuidos en forma bastante uniforme en las rocas y suelos de la corteza terrestre, la cual está constituida principalmente por basalto y granito Núcleo Símbolo Vida Media Uranio-235 235U 7.04 x 108 años Uranio-238 238U 4.47 x 109 años Torio-232 232Th 1.41 x 1010 años Radio-226 226Ra 1.60 x 103 años Radón-222 222Rn 3.82 días Potasio-40 40K 1.28 x 109 años

Radiactividad Natural en la Comida RADIACIÓN INTERNA Radiactividad Natural en la Comida La radiación interna proviene de las sustancias radiactivas presentes en los alimentos, en el agua y en el aire, las cuales, al ser ingeridas o inhaladas, se absorben en los tejidos vivos. Los principales isótopos radiactivos que contiene el cuerpo humano son el potasio-40, el carbono-14 y el tritio Comida 40K pCi/kg 226Ra pCi/kg Plátano 3,520 1 Nueces 5,600 1,000-7,000 Zanahorias 3,400 0.6-2 Patatas 1-2.5 Cerveza 390 --- Carne Roja 3,000 0.5 Limón 4,640 2-5 Agua del Grifo 0-0.17

Radiactividad Natural en tu Cuerpo RADIACIÓN INTERNA Radiactividad Natural en tu Cuerpo Núcleo Masa Total del Núcleo Dentro del Cuerpo Actividad Total del Núcleo Dentro del Cuerpo Consumo Diario de Núcleos Uranio 90 µg 30 pCi (1.1 Bq) 1.9 µg Torio 30 µg 3 pCi (0.11 Bq) 3 µg Potasio 40 17 mg 120 nCi (4.4 kBq) 0.39 mg Radio 31 pg 2.3 pg Carbón 14 95 µg 0.4 µCi (15 kBq) 1.8 µg Tritio 0.06 pg 0.6 nCi (23 Bq) 0.003 pg Polonio 0.2 pg 1 nCi (37 Bq) ~0.6 µg

EL RADÓN EN NUESTRAS VIDAS El radón que emana continuamente de la superficie terrestre. El radón es un gas y por tanto es respirado por los seres vivos. Cuando este elemento queda atrapado en algún recinto su concentración puede aumentar considerablemente y causar daño en los seres vivos

MATERIALES DE CONSTRUICCIÓN Uranio Torio Potasio ppm mBq/g (pCi/g) Granito 4.7 63 (1.7) 2 8 (0.22) 4.0 1184 (32) Arenisca 0.45 6 (0.2) 1.7 7 (0.19) 1.4 414 (11.2) Cemento 3.4 46 (1.2) 5.1 21 (0.57) 0.8 237 (6.4) Hormigón Calizo 2.3 31 (0.8) 2.1 8.5 (0.23) 0.3 89 (2.4) Hormigón Arenisca 11 (0.3) 1.3 385 (10.4) Dry wallboard 1.0 14 (0.4) 3 12 (0.32) Derivados del Yeso 13.7 186 (5.0) 16.1 66 (1.78) 0.02 5.9 (0.2) Yeso Natural 1.1 15 (0.4) 1.8 7.4 (0.2) 0.5 148 (4) Madera - 11.3 3330 (90) Ladrillo de Arcilla 8.2 111 (3) 10.8 44 (1.2) 666 (18) La gran mayoría de los materiales que el hombre utiliza en la construcción de casas habitación proceden de elementos que existen en la corteza terrestre, los cuales serán radiactivos en mayor o menor grado, dependiendo de su naturaleza y procedencia

RADIACIÓN EN MEDICINA El uso de la radiación en el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades se ha convertido en una herramienta básica en medicina. Con ella se ha podido realizar exploraciones del cerebro y los huesos, tratar el cáncer y usar elementos radiactivos para dar seguimiento a hormonas y otros compuestos químicos de los organismos. Diagnóstico Radiológico (Rayos X) Medicina Nuclear Radioterapia

CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS: La irradiación GAMMA ( Co-60) destruye muchas bacterias causantes de enfermedades, y evita también que los alimentos se pudran, pero sin modificar la calidad, el sabor o la textura. Además, los alimentos NUNCA están en contacto con las fuentes radiactivas, y no hay riesgo de que se transformen en radiactivos.

¿DE QUÉ ESTÁN HECHAS LAS COSAS? La materia está formada por átomos y moléculas que se unen para formar los sólidos. Cada átomo está compuesto de un núcleo con carga positiva y unos electrones que orbitan a su alrededor. El núcleo, a su vez, está formado por protones (+) y neutrones, que se denominan nucleones. Éstos nucleones están formados por quarks. Quarks Neutrón Electrón MATERIA ~ 10-9 m ÁTOMO ~ 10-10 m NUCLEO ~ 10-14 m NUCLEÓN ~ 10-15 m Protón Átomo

(up-quark) m= 300 MeV carga +2/3 c quark- encanto quark- hacia arriba (up-quark) m= 300 MeV carga +2/3 giro= 1/2 c quark- encanto (charm-quark) m=1.500 Mev carga= +2/3 t quark- arriba (topuark) m= 175 Gev giro= ½ U quark- hacia arriba (up-quark) m= 300 MeV carga +2/3 c quark- encanto (charm-quark) m=1.500 Mev carga= +2/3 T quark- arriba (top-quark) m= 175 Gev

d quark- hacia abajo (down-quark) m= 300 MeV carga = -1/3 S quark- extraño (strange-quark) m= 500 MeV B quark- abajo (bottom-quark) m= 4.500 MeV carga = -1/3

e electrón m = 0,5 MeV carga = -1 m muón m = 106.7 MeV carga = -1 t tau-leptón m = 1.780 MeV carga = -1 e neutrino del electrón m = < 10 eV carga = 0 m neutrino del muón m = < 150 KeV t neutrino del tau m = < 90 MeV carga = 0

REGLAS GENERALES ACERCA DE LAS PARTICULAS Por cada partícula hay una antipartícula Entonces para todos los leptones y quarks hay también seis antiquarks y seis antileptones Los doce fermiones no interactúan con todas las fuerza entre ellos mismos, solamente los quarks interactúan a través de las cuatro fuerzas; los leptones cargados: electrón, muón y tau, interactúan a través de tres fuerzas: electromagnética, débil y gravitacional. Debido a que no sabemos si los neutrinos tienen masa, hay una incertidumbre, ellos podrían o no interactuar gravitacionalmente. Por el momento decimos que interactúan débilmente y gravitacionalmente.

Nosotros estamos familiarizados con dos de las cuatro fuerzas, la gravitacional: "dos masas se atraen entre ellas proporcionalmente a sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de sus distancias"; en símbolos:    Y la electromagnética "dos cargas se atraen o repelen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de ellas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que la separan; en símbolos"

Nótese la diferencia: hay dos clases de cargas y solamente una clase de masa. La gravedad tiene solamente una carga, esta es la masa. La electromagnética tiene dos: carga positiva y carga negativa. ¿ Cuáles son las reglas de la fuerza fuerte?. Diremos que hay tres clases de cargas de la fuerza fuerte. Pero tenemos dos problemas:¿ como nombrarlas ? y ¿ decidir cuáles combinaciones se atraen y cuáles se repelen?. Las tres cargas son llamadas: ROJA, VERDE Y AZUL. REGLA: "Los quarks se atraerán para formar un neto color blanco".

¿ Cuál es el color de los antiquarks ¿ Cuál es el color de los antiquarks?. Los antiquarks tienen el anticolor, es decir los colores complementarios del rojo, verde y azul: ANTIROJO, ANTIVERDE Y ANTIAZUL. Entonces los sistemas de quarks, se forman de tres quarks o se forman de un quarks y un antiquarks. A las combinaciones de tres quarks se las llama BARIONES o si son hechas de tres antiquarks, ANTIBARIONES. Estas podrían ser estructuras que conocemos: protones, neutrones, antiprotones y antineutrones. Las estructuras de dos quarks, son llamadas MESONES.

¿ Cómo construir el protón y el neutrón? : d -1/3 PROTON NEUTRON

¿ Cómo construir algunos mesones?. d -1/3 PION carga -1 u +2/3 s +1/3 KAON carga +1

DINAMICA DE LAS FUERZAS Dos electrones que se repelen entre sí. Los dos electrones empiezan de alguna manera apartados, experimentan repulsión y se distancian

Pero las fuerzas están cuantizadas`1 , por lo tanto, en la región de interacción solamente un "empujón" podría ocurrir. Imaginamos que este empujón fue intercambiado por medio de un portador de fuerza llamado fotón. Pensamos esto como electrón 1, emitiendo un fotón y el elecrón 2 absorbiendo el fotón un poco más tarde.  

El nombre general de todos los portadores de fuerzas es BOSONES El nombre general de todos los portadores de fuerzas es BOSONES. Los nombres de los cuatro portadores de fuerzas son: Fuerza fuerte     GLUON Fuerza Electromagnética FOTÓN Fuerza Débil       W+, W-, Zº Fuerza Gravitacional    GRAVITÓN

Si en un sistema de ejes cartesianos representamos, sobre el eje de ordenadas la intensidad de la fuerza y sobre el eje de abscisas la inversa de la distancia, observamos que la fuerza electromagnética crece a medida que nos acercamos y la fuerza fuerte decrece. La fuerza débil decrece lentamente. A una distancia de 10 -30 cm las tres fuerzas tendrían una misma intensidad. Este es el dominio de la TEORÍA DE LA GRAN UNIFICACIÓN. Las energías de las partículas tendrían que ser del orden de 10 15 Gev.

LAS 4 INTERACCIONES DE LA NATURALEZA GRAVITACIONAL NUCLEAR DÉBIL Todos los procesos que ocurren en la naturaleza pueden ser descritos mediante las cuatro interacciones que tienen lugar en la naturaleza. Los físicos actualmente están tratando de encontrar una teoría que sea capaz de unificarlas. ? ¿ Bosón Z Gravitón Masa Neutrino Electrón Intensidad : 10–38 Alcance : Infitnito Intensidad : 10–13 - 10–13 Alcance : 2 · 10 –18 m ELECTROMAGNÉTICA NUCLEAR FUERTE Fotón Gluón Electrón Quark Electrón Quark Intensidad : 10 –2 Alcance : Infinito Intensidad : 1 Alcance : 1.5 · 10 –15 m

CONFINAMIENTO MAGNÉTICO (TOKAMAK) CONFINAMIENTO INERCIAL (LÁSER) REACTOR NUCLEAR DE FUSIÓN: CONFINAMIENTO MAGNÉTICO (TOKAMAK) CONFINAMIENTO INERCIAL (LÁSER)

DATACIÓN CON 14C (RADIOCARBONO) El 14C se forma por el choque de rayos cósmicos con el N de la atmósfera; se forma CO2 radiactivo. Hoy: 1 14C/(1012) 12C. El Radiocarbono es absorbido por las plantas (fotosíntesis) y pasa a la cadena alimentaria. La concentración de 14C en los tejidos vivos se fija al formarse éstos, y esa cantidad de 14C va decreciendo continuamente. A la muerte del ser vivo cesa el intercambio de Carbono y podemos DATAR midiendo la proporción 14C / 12C. El método se combina con la dendrocronología (anillos de los árboles).

Las radiaciones ALFA, BETA, GAMMA y los Rayos X comunican su energía principalmente a los ELECTRONES que hay en todos los materiales. Se dice que son RADIACIONES IONIZANTES porque ARRANCAN electrones de los átomos y las moléculas, modificando su comportamiento. ¿Y los NEUTRONES? Esa es otra historia… (¡ no tienen carga!). GRACIAS A ESTAS INTERACCIONES PODEMOS CONSTRUIR DETECTORES Este experimento muestra cómo se desvían en un campo magnético. Es el que aparece en el escudo de la Real Sociedad Española de Física RSEF

ATENUACIÓN AL ATRAVESAR UN MATERIAL Este es uno de los EXPERIMENTOS. Podemos distinguir el TIPO de RADIACIÓN emitida por una muestra estudiando sólo su ATENUACIÓN. También podemos saber si un RECIPIENTE está LLENO o VACÍO ¿sabrías cómo hacerlo? (sin pesarlo, claro) ATENUACIÓN AL ATRAVESAR UN MATERIAL