TEMA 11. FÍSICA NUCLEAR.

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1 TEMA 11. FÍSICA NUCLEAR

2 1. LA RADIACTIVIDAD RADIACTIVIDAD  FENÓMENO FÍSICO POR EL QUE ALGUNOS ELEMENTOS (RADIACTIVOS) EMITEN RADIACIONES PENETRANTES. PUEDE SER: NATURAL: DESCUBIERTA POR BECQUEREL. SE PRODUCE DE FORMA ESPONTÁNEA EN LAS SUSTANCIAS DE LA NATURALEZA CON UN NÚMERO ATÓMICO ELEVADO (Z>83) ARTIFICIAL: SE PRODUCE POR UNA SUSTANCIA SINTETIZADA PREVIAMENTE EN LABORATORIO. Ejemplo: INESTABLE: T = 2,6 min

3 1. LA RADIACTIVIDAD TIPOS DE EMISIONES RADIACTIVAS:
EMISIÓN ALFA (a)  SON NÚCLEOS DE HELIO (ÁTOMOS QUE HAN PERDIDO SUS 2 ELECTRONES) PODER DE PENETRACIÓN ESCASO (FRENADA POR PAPEL O UNOS CENTÍMETROS DE AIRE) GRAN CAPACIDAD DE IONIZAR (ARRANCAR ELECTRONES A LOS ÁTOMOS)

4 1. LA RADIACTIVIDAD TIPOS DE EMISIONES RADIACTIVAS:
EMISIÓN BETA (b)  SON ELECTRONES PODER DE PENETRACIÓN MAYOR QUE LA EMISIÓN a MENOS IONIZANTE QUE LAS PARTÍCULAS a

5 1. LA RADIACTIVIDAD TIPOS DE EMISIONES RADIACTIVAS:
EMISIÓN GAMMA (g)  RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA CONSTITUIDA POR FOTONES MUY ENERGÉTICOS PODER DE PENETRACIÓN MÁS ELEVADO QUE LAS DEMÁS (SÓLO LA FRENAN PLACAS DE HORMIGÓN O PLOMO DE GRAN ESPESOR) CAPACIDAD DE IONIZACIÓN MUY BAJA

6 1. LA RADIACTIVIDAD TIPOS DE EMISIONES RADIACTIVAS:

7 2. EL NÚCLEO ATÓMICO RUTHERFORD DEMOSTRÓ LA EXISTENCIA DE UN NÚCLEO ATÓMICO DIEZ MIL VECES MÁS PEQUEÑO QUE EL ÁTOMO. ESTÁ FORMADO POR PROTONES Y NEUTRONES Y SE CARACTERIZA POR: NÚMERO ATÓMICO (Z)  NÚMERO DE PROTONES (COINCIDE CON EL DE ELECTRONES SI EL ÁTOMO ES ELÉCTRICAMENTE NEUTRO) NÚMERO DE NEUTRONES (n) NÚMERO MÁSICO (A)  NÚMERO DE NUCLEONES (PROTONES + NEUTRONES): A = Z+ n

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9 2. EL NÚCLEO ATÓMICO ISÓTOPOS: SON ÁTOMOS DE UN MISMO ELEMENTO (MISMO NÚMERO DE PROTONES  MISMO NÚMERO ATÓMICO) CON DISTINTO NÚMERO MÁSICO (DISTINTO NÚMERO DE NEUTRONES). EJEMPLO: ISÓTOPOS DEL HIDRÓGENO

10 2. EL NÚCLEO ATÓMICO NUCLEIDOS (O NÚCLIDOS): SON CADA UNA DE LAS ESPECIES NUCLEARES DEFINIDAS POR SU NÚMERO ATÓMICO Y SU NÚMERO MÁSICO

11 2. EL NÚCLEO ATÓMICO MASA ATÓMICA: ES LA MASA DE LOS ÁTOMOS. SE MIDE EN UNIDADES DE MASA ATÓMICA (u) 1 u = LA DOCEAVA PARTE DE LA MASA DE UN ÁTOMO DE C-12 LA MASA ATÓMICA PROMEDIO DE UN ELEMENTO SE CALCULA A PARTIR DE SU ABUNDANCIA ISOTÓPICA

12 2. EL NÚCLEO ATÓMICO EJEMPLO: CÁLCULO DE LA MASA ATÓMICA PROMEDIO DEL CLORO Está presente en la naturaleza en forma de dos isótopos: 35Cl (34,9689 u) en un 75,8 % 37Cl (36,9659 u) en un 24,2 %

13 3. PROCESOS RADIACTIVOS EN UN PROCESO RADIACTIVO, UN NÚCLEO EMITE UNA RADIACIÓN a O b Y SE TRANSFORMA EN OTRO ELEMENTO QUÍMICO DIFERENTE  El núcleo radiactivo se transforma en otro núcleo más una partícula

14 Leyes de los desplazamientos radiactivos
PRIMERA LEY DE LOS DESPLAZAMIENTOS RADIACTIVOS O DESINTEGRACIÓN ALFA UN NÚCLEO EMITE UNA PARTÍCULA ALFA, TRANSFORMÁNDOSE EN OTRO NÚCLEO CON UN NÚMERO MÁSICO CUATRO UNIDADES MENOR Y UN NÚMERO ATÓMICO DOS UNIDADES MENOR QUE EL NÚCLEO ORIGINAL. OCURRE EN NÚCLEOS MUY GRANDES. ES UN TIPO DE FISIÓN.

15 Leyes de los desplazamientos radiactivos
SEGUNDA LEY DE LOS DESPLAZAMIENTOS RADIACTIVOS O DESINTEGRACIÓN b- UN NÚCLEO EMITE UNA PARTÍCULA BETA ( UN ELECTRÓN) TRANSFORMÁNDOSE EN OTRO NÚCLEO CON EL MISMO NÚMERO MÁSICO PERO DIFERENTE NÚMERO ATÓMICO (AUMENTA UNA UNIDAD)

16 Leyes de los desplazamientos radiactivos
SEGUNDA LEY DE LOS DESPLAZAMIENTOS RADIACTIVOS O DESINTEGRACIÓN b- EL ELECTRÓN EMITIDO POR EL NÚCLEO PROCEDE DE UNA REACCIÓN NUCLEAR DONDE UN NEUTRÓN SE CONVIERTE EN UN PROTÓN, UN ELECTRÓN Y UN ANTINEUTRINO:

17 Leyes de los desplazamientos radiactivos
SEGUNDA LEY DE LOS DESPLAZAMIENTOS RADIACTIVOS O DESINTEGRACIÓN b+ ALGUNOS NÚCLEOS EMITEN UNA PARTÍCULA LLAMADA POSITRÓN (ANTIPARTÍCULA DEL ELECTRÓN), QUE PROCEDE DE LA DESINTEGRACIÓN DE UN PROTÓN:

18 Leyes de los desplazamientos radiactivos
SEGUNDA LEY DE LOS DESPLAZAMIENTOS RADIACTIVOS O DESINTEGRACIÓN b+ CUANDO UN NÚCLEO RADIACTIVO EMITE UNA PARTÍCULA b+ (POSITRÓN), SU NÚMERO MÁSICO SE MANTIENE IGUAL PERO SU NÚMERO ATÓMICO DISMINUYE UNA UNIDAD:

19 Leyes de los desplazamientos radiactivos
TERCERA LEY DE LOS DESPLAZAMIENTOS RADIACTIVOS O DESINTEGRACIÓN GAMMA EN ESTE CASO, EL NÚCLEO PERMANECE IGUAL PERO SE PRODUCE UN CAMBIO DE UN ESTADO ENERGÉTICO A OTRO DE UN NIVEL INFERIOR, LIBERÁNDOSE EL EXCESO DE ENERGÍA EN FORMA DE RADIACIÓN GAMMA (g)

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21 Leyes de los desplazamientos radiactivos
SERIES RADIACTIVAS NATURALES: ES UNA CADENA DE NUCLEIDOS RADIACTIVOS QUE SE VA GENERANDO POR SUCESIVAS DESINTEGRACIONES ALFA O BETA. LA SERIE FINALIZA CON UN NUCLEIDO ESTABLE SERIE DEL TORIO SERIE DEL URANIO SERIE DEL ACTINIO SERIE DEL NEPTUNIO

22 4. LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
ESTABLECE UNA RELACIÓN PARA MEDIR EL NÚMERO DE NÚCLEOS RADIACTIVOS SIN DESINTEGRAR EN UNA MUESTRA DESPUÉS DE UN TIEMPO DETERMINADO

23 4. LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
LA VELOCIDAD DE DESINTEGRACIÓN DE UNA MUESTRA RADIACTIVA ES PROPORCIONAL AL NÚMERO DE NÚCLEOS PRESENTES N= número de núcleos en la muestra radiactiva para un tiempo determinado l = constante radiactiva (característica de cada emisor). Se mide en s-1 en el S.I. el signo negativo muestra que N disminuye con el tiempo

24 4. LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
Agrupamos variables Integramos

25 4. LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
ln N – ln N0 = ln (N/N0) Eliminamos el ln con el número e

26 4. LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
A LA VELOCIDAD DE DESINTEGRACIÓN LA LLAMAMOS ACTIVIDAD O TASA DE DESINTEGRACIÓN (A) : A = l· N COMO N = N0·e-l· t  A= l· N = l· N0·e-l· t Así, A = A0·e-l· t A0

27 4. LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
A = A0·e-l· t A0 ES LA ACTIVIDAD INICIAL DE LA MUESTRA (t = 0) A se mide en Bq (becquerel) UN BECQUEREL ES LA ACTIVIDAD QUE PRESENTA UNA MUESTRA RADIACTIVA EN LA QUE SE PRODUCE UNA DESINTEGRACIÓN POR SEGUNDO LA ACTIVIDAD TAMBIÉN SE MIDE UN CURIOS 1 Ci = 3,7·1010 Bq

28 4. LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN: TIEMPO QUE TRANSCURRE HASTA QUE EL NÚMERO DE NÚCLEOS QUE TIENE UNA MUESTRA SE REDUCE A LA MITAD SE OBTIENE SUSTITUYENDO EN LA LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA t = T/2 Y N=N0/2

29 4. LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
ASÍ: PODEMOS QUITAR e CON EL ln: ln (1/2) = ln 1 – ln 2 ln 1 = 0

30 4. LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
EL PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN ES INDEPENDIENTE DEL TAMAÑO DE LA MUESTRA Y CARACTERÍSTICO DE CADA EMISOR RADIACTIVO LA VIDA MEDIA (t) NOS DA EL VALOR PROMEDIO DE LA VIDA DE UN NÚCLEO RADIACTIVO: t = 1/l..

31 4. LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
DATACIÓN DE MUESTRAS CON FUENTES RADIACTIVAS: USO DEL MÉTODO DEL CARBONO-14 BASADO EN QUE LA PROPORCIÓN C-12/C-14 PERMANECE CONSTANTE EN LOS ORGANISMOS VIVOS HASTA SU MUERTE, MOMENTO A PARTIR DEL CUAL EL C-14 DISMINUYE EXPONENCIALMENTE

32 4. LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA
DATACIÓN DE MUESTRAS CON FUENTES RADIACTIVAS: USO DEL MÉTODO DEL CARBONO-14 SÓLO SE PUEDE APLICAR A RESTOS QUE HAYAN SIDO TEJIDOS DE SERES VIVOS IMPLICA SUPOSICIONES: 1. QUE LA PROPORCIÓN C-12/C-14 SÓLO SE HA ALTERADO POR DESINTEGRACIÓN NATURAL 3. QUE LA CONCENTRACIÓN DE C-14 EN LA ATMÓSFERA HA SIDO SIEMPRE CONSTANTE EJEMPLO: EJERCICIO RESUELTO 13 DE LA PG 339

33 5. INTERACCIÓN FUERTE Y ESTABILIDAD NUCLEAR
LAS FUERZAS FUNDAMENTALES SON 4 (LAS FUERZAS DE LA NATURALEZA PERTENECEN A UNO DE ESTOS GRUPOS) FUERZA GRAVITATORIA FUERZA ELECTROMAGNÉTICA FUERZA NUCLEAR FUERTE FUERZA NUCLEAR DÉBIL

34 5. INTERACCIÓN FUERTE Y ESTABILIDAD NUCLEAR
FUERZA GRAVITATORIA ENTRE DOS PARTÍCULAS QUE TENGAN MASA SIEMPRE ES DE ATRACCIÓN ES UNA INTERACCIÓN DÉBIL  Sólo apreciable si uno de los cuerpos tiene gran masa ALCANCE INFINITO FUERZA ELECTROMAGNÉTICA ENTRE DOS PARTÍCULAS CON CARGA ELÉCTRICA PUEDE SER DE ATRACCIÓN O REPULSIÓN DE MAYOR INTENSIDAD QUE LA FUERZA GRAVITATORIA

35 5. INTERACCIÓN FUERTE Y ESTABILIDAD NUCLEAR
FUERZA NUCLEAR DÉBIL RESPONSABLE DE LA DESINTEGRACIÓN b ES MÁS DÉBIL QUE LA NUCLEAR FUERTE Y LA ELECTROMAGNÉTICA PERO SUPERA A LA GRAVITATORIA A DISTANCIAS NUCLEARES ES DE CORTO ALCANCE: NULA PARA d > m FUERZA NUCLEAR FUERTE RESPONSABLE DE LA COHESIÓN DEL NUCLEO MUY INTENSA A DISTANCIAS NUCLEARES (SUPERIOR AL RESTO DE FUERZAS) vence repulsión de los protones ES DE CORTO ALCANCE: NULA PARA d > m

36 5. INTERACCIÓN FUERTE Y ESTABILIDAD NUCLEAR
FORMACIÓN DE NÚCLEOS DIRECTAMENTE RELACIONADA CON LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE PROTONES Y NEUTRONES (EQUILIBRIO ENTRE INTERACCIÓN FUERTE Y FUERZAS ELECTROSTÁTICAS ENTRE p+) LA INTERACCIÓN FUERTE SE SATURA CON LOS NÚCLEONES MÁS PRÓXIMOS PERO LA REPULSIÓN ELÉCTRICA AFECTA A TODO EL NÚCLEO  CAUSA DE QUE LOS NÚCLEOS MUY PESADOS SEAN INESTABLES

37 5. INTERACCIÓN FUERTE Y ESTABILIDAD NUCLEAR
FORMACIÓN DE NÚCLEOS DIRECTAMENTE RELACIONADA CON LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE PROTONES Y NEUTRONES INTERACCIÓN FUERTE  SE AGOTA CON LOS NUCLEONES MÁS PRÓXIMOS: REPULSIÓN ELÉCTRICA DESESTABILIZA NÚCLEOS PESADOS INTERACCIÓN DÉBIL DESESTABILIZA EL NÚCLEO  TENDENCIA DE PROTONES Y NEUTRONES A INTERCAMBIARSE PRODUCIENDO EMISIONES b+ , b- O CAPTURA DE ELECTRONES

38 5. INTERACCIÓN FUERTE Y ESTABILIDAD NUCLEAR
EMISIÓN b- EMISIÓN b+ CAPTURA ELECTRÓNICA EMISIÓN GAMMA: No altera la composición del núcleo. Sólo libera energía

39 5. INTERACCIÓN FUERTE Y ESTABILIDAD NUCLEAR

40 5. INTERACCIÓN FUERTE Y ESTABILIDAD NUCLEAR
ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR: ES LA ENERGÍA QUE HAY QUE DAR A UN NÚCLEO PARA SEPARALO EN LAS PARTÍCULAS QUE LO FORMAN CRECE CON EL TAMAÑO DEL NÚCLEO: SE ESTABLECE LA ENERGÍA DE ENLACE POR NUCLEÓN: ES LA ENERGÍA QUE HAY QUE PROPORCIONAR A UN NÚCLEO PARA ARRANCAR UNO DE SUS NUCLEONES (En = Ee/A) Número másico Energía de enlace nuclear

41 5. INTERACCIÓN FUERTE Y ESTABILIDAD NUCLEAR
ISLA DE ESTABILIDAD TENDENCIA DE LA GRÁFICA En CRECE HASTA A ≈ 20 DESPUÉS SE MANTIENE MÁS O MENOS ESTABLE EN EL TRAMO FINAL DECRECE

42 5. INTERACCIÓN FUERTE Y ESTABILIDAD NUCLEAR
BALANCE DE MASA Y ENERGÍA: LA ECUACIÓN RELATIVISTA DE EINSTEIN PERMITE RELACIONAR MASA Y ENERGÍA  LA ENERGÍA QUE SE DESPRENDE EN LA FORMACIÓN DE UN NÚCLEO A PARTIR DE SUS NUCLEONES (proceso inverso a la energía de enlace) PROCEDE DE LA PÉRDIDA DE MASA QUE SE DA EN EL PROCESO E = Dm·c2

43 5. INTERACCIÓN FUERTE Y ESTABILIDAD NUCLEAR
E = Dm·c2 EL CÁLCULO DEL DEFECTO DE MASA QUE DA LUGAR A LA ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR SE OBTIENE ASÍ: Dm = (Z· mp+N· mn)-m N = NÚMERO DE NEUTRONES (A – Z) m = MASA NUCLEAR (masa atómica – Z· me) mp = masa del protón = 1, u mn = masa del neutrón = 1, u me = masa del electrón = 5,48·10-4 u Ejemplo: ejercicio resuelto 17 pg 345

44 6. REACCIONES NUCLEARES: FUSIÓN Y FISIÓN
REACCIÓN NUCLEAR: TRANSFORMACIÓN DE UN NÚCLEO EN OTROS. SE CUMPLE SIEMPRE: CARGA ELÉCTRICA CONSTANTE:Z1 + Z2 = Z’1 + Z’ 2 NÚMERO DE NÚCLEOS CONSTANTE: A1 + A2 = A’1 + A’2 EJEMPLO: FISIÓN DEL URANIO Pueden ser absorbidos originando una reacción en cadena

45 6. REACCIONES NUCLEARES: FUSIÓN Y FISIÓN
FISIÓN: UN NÚCLEO PESADO SE DIVIDE EN OTROS MÁS LIGEROS LA ENERGÍA DE ENLACE POR NUCLEÓN ES MAYOR EN LOS NÚCLEOS RESULTANTES QUE EN EL NÚCLEO ORIGINAL REACTORES DE FISIÓN GENERAN PARTE DE LA ELECTRICIDAD QUE CONSUMIMOS EJEMPLO: FISIÓN DEL URANIO

46 6. REACCIONES NUCLEARES: FUSIÓN Y FISIÓN
ACTUALMENTE SE UTILIZA LA FISIÓN PARA PRODUCIR ELECTRICIDAD.PROBLEMA: GENERA RESIDUOS RADIACTIVOS COMBUSTIBLES NUCLEARES UTILIZDOS: URANIO 235 Y 238 Y PLUTONIO 239 FUNCIONAMIENTO CENTRAL NUCLEAR DE FISIÓN: Ejemplo: ejercicio resuelto 20 pg 349

47 6. REACCIONES NUCLEARES: FUSIÓN Y FISIÓN
FUSIÓN: DOS NÚCLEOS SE UNEN PARA FORMAR UN NÚCLEO MÁS PESADO, DESPRENDIENDO ENERGÍA EJEMPLO: FORMACIÓN DE He

48 6. REACCIONES NUCLEARES: FUSIÓN Y FISIÓN
INCONVENIENTE: NECESIDAD DE ELEVADOS VALORES DE TEMPERATURA (DIEZ MILLONES DE GRADOS)  NO EXISTE MATERIAL QUE LO SOPORTE. SOLUCIÓN: CONFINAMIENTO MAGNÉTICO CONFINAMIENTO INERCIAL A FECHA DE HOY EL PROCESO CONSUME MÁS ENERGÍA DE LA QUE GENERA A EXCEPCIÓN DEL EXPERIMENTO DE 2014 DEL NATIONAL IGNITION FACILITY(NIF)