Física nuclear Esta parte de la Física estudia el comportamiento de los núcleos atómicos.

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1 Física nuclear Esta parte de la Física estudia el comportamiento de los núcleos atómicos

2 Física nuclear CORTEZA Electrones CORTEZA Electrones NÚCLEO Protones Neutrones NÚCLEO Protones Neutrones MATERIA ~ 10 -9 m ÁTOMO ~ 10 -10 mNÚCLEO ~ 10 -14 mNUCLEÓN ~ 10 -15 m Átomo Electrón ProtónNeutrón Quarks PARTÍCULACARGAMASA Electrón (e - )-1,6.10 -19 C9,1.10 -31 kg Protón (p+)+1,6.10 -19 C1,67.10 -27 kg Neutrón (n)01,67.10 -27 kg

3 Física nuclear El núcleo está compuesto por protones y neutrones y representa la carga positiva del átomo y el 99% de su masa. Las partículas constituyentes del núcleo se llaman núclidos o nucleones. Número Másico A=N+Z Número Atómico Z Número de Neutrones N Los átomos y sus núcleos se caracterizan por el número atómico Z (número de protones) y el número másico A (número de nucleones)

4 Física nuclear Todos los átomos de un determinado elemento químico tienen el mismo número de protones (Z), pero pueden diferir en el número de neutrones. Los átomos de un mismo elemento químico (igual Z) que tienen distinto número de neutrones (distinto A), se denominan isótopos. Isótopos del Hidrógeno: (protio)(deuterio)(tritio) Isótopos del Carbono: (Carbono-12)(Carbono-13)(Carbono-14)

5 Física nuclear A pesar de la repulsión electrostática entre los protones, los nucleones se mantienen unidos debido a una fuerza muy intensa, de corto alcance y atractiva que se denomina interacción nuclear fuerte. FUERZAS FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA Interacción Intensidad Relativa AlcancePartícula Mediadora Fuerte1CortoGluón Electromagnética0.0073LargoFotón Débil10 -9 Muy CortoBosones W, Z Gravitacional10 -38 LargoGravitón

6 Física nuclear El valor de la masa del núcleo de un átomo es siempre menor que la suma de las masas de los nucleones que lo componen. Esta diferencia en la masa se denomina defecto de masa (  m). + + + + Nucleones aislados Núcleo Z protones N neutrones aislados Núcleo con Z protones N neutrones Defecto de masa:

7 Física nuclear De acuerdo con la ecuación de Einstein, el defecto de masa es equivalente a una energía dada por: Esta energía se denomina energía de enlace del núcleo y es la energía que se libera al formarse el núcleo a partir de sus nucleones constituyentes. Coincide con la energía que hay que suministrar al núcleo para separar los nucleones que lo forman. De acuerdo con la ecuación de Einstein, el defecto de masa es equivalente a una energía dada por: Esta energía se denomina energía de enlace del núcleo y es la energía que se libera al formarse el núcleo a partir de sus nucleones constituyentes. Coincide con la energía que hay que suministrar al núcleo para separar los nucleones que lo forman. Dividiendo la energía de enlace del núcleo entre el número de nucleones que contiene, se obtiene la energía de enlace por nucleón. Cuanto mayor es la energía de enlace por nucleón, más estable es el núcleo. Dividiendo la energía de enlace del núcleo entre el número de nucleones que contiene, se obtiene la energía de enlace por nucleón. Cuanto mayor es la energía de enlace por nucleón, más estable es el núcleo. Unidad de masa atómica = 1 u =1,661.10 -27 kg

8 Física nuclear El núcleo más estable es el hierro-56, al que corresponde una energía de enlace por nucleón de 8,8 MeV/nucleón. Energía de enlace por nucleón en función del número másico

9 Física nuclear Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen directamente los núcleos de los átomos, transformándose en otros distintos. La primera reacción nuclear de la historia la produjo E. Rutherford en 1919 bombardeando núcleos de átomos de nitrógeno con partículas alfa. Las partículas alfa eran absorbidas por el núcleo, que se transformaba en otro distinto emitiendo un protón.

10 Física nuclear En toda reacción nuclear se cumple siempre que la suma de los números atómicos y la suma de los números másicos a ambos lados de la reacción tienen que ser iguales.

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12 Naturaleza Carga (e) Masa (u) Energía cinética Símbolos α Núcleos de átomos de helio +24MeV β Electrones rápidos procedentes de neutrones que se desintegran en el núcleo 0MeV γ Radiaciones electromagnéticas 00 keV- MeV

13 Física nuclear Carga eléctrica de las emisiones radiactivas

14 Física nuclear + + + + + - - - + - Partículas α: carga positiva Partículas β: carga negativa Rayos γ: sin carga Campo eléctrico sustancia radiactiva Bloque de plomo + - sustancia radiactiva Bloque de plomo No existe campo eléctrico: no hay desviación de las trayectorias rectilíneas de las partículas Carga eléctrica de las emisiones radiactivas

15 Física nuclear Poder de penetración de las emisiones radiactivas ALFA α BETA β GAMMA γ NEUTRÓN Papel Cobre Plomo Hormigón

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18 Cuando un núcleo radiactivo se transforma en otro por emisión  o , el nuevo núcleo también puede ser radiactivo y originará otro núcleo distinto emitiendo nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que aparezca un núcleo estable. Todos los núcleos que proceden del inicial forman una serie o familia radiactiva. Se conocen 4 series radiactivas, tres existen en la naturaleza (torio-232, uranio-238, actinio-227) y otra no (neptunio-237). Cuando un núcleo radiactivo se transforma en otro por emisión  o , el nuevo núcleo también puede ser radiactivo y originará otro núcleo distinto emitiendo nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que aparezca un núcleo estable. Todos los núcleos que proceden del inicial forman una serie o familia radiactiva. Se conocen 4 series radiactivas, tres existen en la naturaleza (torio-232, uranio-238, actinio-227) y otra no (neptunio-237). TORIO-2321.41 BILL. DE AÑOS RADIO-2285.75 AÑOS ACTINIO-2286.15 HORAS FRANCIO-2243.3 MINUTOS RADIO-2243.66 DÍAS RADÓN-22055.6 SEGUNDOS POLONIO-2160.145 SEGUNDOS PLOMO-21210.64 MINUTOS BISMUTO-2121.01 HORAS TALIO-2083.05 MINUTOS PLOMO-208ESTABLE

19 Física nuclear El proceso por el cual un núcleo se transforma en otro por emisión radiactiva se denomina desintegración radiactiva. La desintegración es un proceso aleatorio que ha de estudiarse estadísticamente El proceso por el cual un núcleo se transforma en otro por emisión radiactiva se denomina desintegración radiactiva. La desintegración es un proceso aleatorio que ha de estudiarse estadísticamente Muestra radiactiva Inicial Final, después de un tiempo t Núcleos presentes: Ley de emisión radiactiva: se denomina constante de desintegración y representa la probabilidad de que un determinado núcleo se desintegre en un segundo. Se mide en el S.I. en s -1

20 Física nuclear Actividad radiactiva o velocidad de desintegración A es el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una muestra radiactiva. La actividad de una muestra en el instante que contiene N núcleos radiactivos es: La actividad radiactiva se mide en el S.I. en Becquerel (Bq): Otras unidades: el curio (Ci) y el Rutherford (Rf)

21 Física nuclear Período de semidesintegración o de semivida T es el tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos presentes en una determinada muestra se reduzca a la mitad Su unidad en el S.I. es el segundo (s) t Núcleos presentes T 2T3T 4T

22 Física nuclear Vida media  representa el tiempo que por término medio tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva. Su unidad en el S.I. es el segundo (s)

23 Física nuclear MagnitudSimboloSignificadoUnidad SIOtras unidades Constante radiactiva o de desintegración Representa la probabilidad que tiene un núcleo radiactivo de desintegrarse en la unidad de tiempo. h  1 ; día  1 ; año  1 Actividad radiactiva o velocidad de desintegración A Es el número de desintegraciones por unidad de tiempo en una muestra radiactiva. N = número de núcleos presentes Becquerel (Bq) Curio (Ci) Rutherford (Rf) 1 Ci=3,7·10 10 Bq 1 Rf= 10 6 Bq Período de semide- sintegración T Tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos presentes en una determinada muestra se reduzca a la mitad. s h, día, año Vida media  Tiempo que por término medio tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva. s h, día, año

24 Física nuclear Muestra radiactiva Inicial Final, después de un tiempo t Núcleos presentes: Actividad: Masa :

25 Física nuclear La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado se divide en otros dos más ligeros. En el proceso se libera una gran cantidad de energía. Los productos de esta reacción presentan un defecto de masa de 0,2154 u, que corresponde a una energía liberada de 200 MeV por cada núcleo de uranio-235. Los isótopos más utilizados en la fisión nuclear son el U-235 y el Pu-239Los neutrones liberados por la fisión pueden fisionar otros núcleos dando lugar a una reacción en cadena.

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27 REACCIÓN EN CADENA

28 Física nuclear Fisión nuclear en cadena Controlada No controlada Si el número de neutrones liberados es muy alto, se introduce un material que absorbe el exceso de neutrones y se evita que la reacción prosiga de forma incontrolada (explosiva) Se produce en las centrales nucleares y en los generadores auxiliares de submarinos En este caso no existe ningún elemento controlador que absorba los neutrones en exceso y la reacción tiene lugar de forma explosiva pues se libera toda la energía en muy poco tiempo. Se produce en las bombas nucleares

29 Física nuclear La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos ligeros se unen para formar otro más pesado. En el proceso se libera gran cantidad de energía. ► ► Núcleo de(deuterio) Núcleo de(tritio) Fusión de los núcleos Núcleo de(helio) (neutrón) + + + + + + + + Los productos de esta reacción presentan un defecto de masa de 0,0189 u, que corresponde a una energía liberada de 17,6 MeV por átomo de helio-4 formado. Para conseguir la fusión de los núcleos es necesario vencer la repulsión electrostática entre ellos, para lo que se les suministra una energía térmica muy elevada ( correspondiente a temperaturas superiores a 10 6 K ).

30 Física nuclear Fusión nuclear en cadena Controlada No controlada Aún no se ha conseguido de forma rentable, debido a la dificultad técnica que supone confinar los reactivos, que, a temperaturas tan elevadas, están en estado de plasma Se produce en la bomba atómica de hidrógeno (termo- nuclear). Para conseguir la alta temperatura necesaria para la fusión se utiliza una bomba atómica de fisión

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