Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

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Tema 13:Física Nuclear Página del ProyectoNewton 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Radiactividad Fue descubierta en 1896 por el físico francés Henri Becquerel casualmente mientras estudiaba la fluorescencia de sales de uranio. Es una propiedad que afecta al núcleo de los átomos de ciertas sustancias, llamadas sustancias radiactivas, consistente en emitir radiaciones capaces de penetrar cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar las placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias. Al poco tiempo de descubrirse la radiactividad del uranio, se descubrieron nuevos elementos radiactivos: torio, polonio, radio y actinio. Las distintas radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas se clasificaron inicialmente , según su poder de penetración, en radiación alfa (α), radiación beta (β) y radiación gamma (γ) 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Radiactividad (Cont.) Sometiendo las radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas a la acción de un campo eléctrico, se comprobó que las partículas alfa y beta tenían carga eléctrica mientras que las radiaciones gamma no se veían afectadas por el campo. Bloque de plomo No existe campo eléctrico: no hay desviación de las trayectorias rectilíneas de las partículas - + sustancia radiactiva Bloque de plomo Partículas β: carga negativa Campo eléctrico Rayos γ: sin carga + - sustancia radiactiva Partículas α: carga positiva Evidentemente, estas partículas y radiaciones proceden de los átomos que forman la sustancia radiactiva, pero ¿de qué parte del átomo? ¿cuál es su naturaleza? 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

α β γ Naturaleza Carga (e) Masa (u) Energía cinética Símbolos
Hoy en día conocemos las características de las distintas radiaciones y sabemos que se originan en el núcleo de los átomos. Naturaleza Carga (e) Masa (u) Energía cinética Símbolos α Núcleos de átomos de helio formados por 2 protones y 2 neutrones. +2 4 MeV β Electrones rápidos procedentes de neutrones que se desintegran en el núcleo -1 0,00055 γ Radiaciones electromagnéticas más energéticas que los rayos X keV-MeV neutrón protón electrón antineutrino 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Desintegración radiactiva Cuando un núcleo de un átomo radiactivo emite radiación α, β o γ el núcleo cambia su estado energético (γ) o se transforma en otro distinto (α, β). En este último caso se dice que ha tenido lugar una desintegración La desintegración radiactiva es un proceso aleatorio gobernado por leyes estadísticas Muestra radiactiva Final, después de un tiempo t Inicial Núcleos presentes: Ley de emisión radiactiva: Constante radiactiva o de desintegración representa la probabilidad que tiene un núcleo radiactivo de desintegrarse en la unidad de tiempo. Su unidad en el S.I. es el s –1. Así si λ del Ra es 0, años -1 = 1 / 2236 por año, indica que la probabilidad de desintegración radiactiva es de 1 átomo por cada 2336 átomos de radio en un año . Esto puede parecer poco, pero recuerda que 1 mol de radio (226 g) contienen 6,02·1023 átomos 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Otras magnitudes características de la desintegración radiactiva 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) (Es la actividad que corresponde a 1 g de radio) En el instante inicial la actividad es: 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Otras magnitudes características de la desintegración radiactiva (Cont.) 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) Su relación con la constante radiactiva es: t Núcleos presentes T 2T 3T 4T Ver deducción 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Otras magnitudes características de la desintegración radiactiva (Cont.) Vida media τ representa el tiempo que por término medio tardará un núcleo en desintegrarse. Es la inversa de la constante radiactiva. A partir del periodo de semidesintegración podemos escribir que: 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Cuadro-resumen de las magnitudes radiactivas Magnitud Simbolo Significado Unidad SI Otras 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=3,7·1010 Bq 1 Rf= 106 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. 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Muestra radiactiva Final, después de un tiempo t Inicial Núcleos presentes: Actividad: Masa : Ley de emisión radiactiva: 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Ejercicio 3 de la página 366: Datos: N = N0 ; t = 1,54 días ; a) Aplicamos la ley de emisión radiactiva: Sustituimos el valor de N y de t: Tomamos logaritmos neperianos: Despejamos la constante radiactiva: Si el tiempo lo hubiésemos puesto en segundos, como 1,54 días = s, la constante radiactiva sería: b) El período de semidesintegración T se relaciona con la constante radiactiva λ por la expresión: También lo hemos podido calcular en segundos. 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Efectos biológicos y aplicaciones de la radiactividad Grado de peligrosidad de las distintas radiaciones para el ser humano Fuentes externas al organismo Fuentes internas al organismo Es más peligrosa la radiación que tenga mayor poder de penetración: Es más peligrosa la radiación que tenga mayor poder de ionización α β γ γ β α Aumento de la peligrosidad Aumento de la peligrosidad Cantidad de energía absorbida por unidad de masa de la sustancia irradiada. Su unidad S.I. es el Gray (Gy) = 1 J/kg Dosis absorbida La medida de los efectos biológicos de la radiación Es el producto de la dosis absorbida por el coeficiente de eficacia biológica relativa, característico de cada radiación. Su unidad S.I. es el Sievert (Sv) ; 1 Sv = 100 rem 1 Sv es la cantidad de radiación que produce el mismo efecto biológico que la absorción de 1 J de rayos γ en 1 kg de materia orgánica Dosis equivalente Aplicaciones Medicina, Industria, Química, Agricultura, etc 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

El núcleo atómico Todas las experiencias posteriores al descubrimiento de la radiactividad indicaron que las emisiones radiactivas era un fenómeno que afecta sólo al núcleo de los átomos de las sustancias radiactivas, independientes del estado físico o químico de la misma A partir del modelo atómico de Rutherford (1911) y del descubrimiento del neutrón (1932) sabemos que el núcleo de los átomos está compuesto por los protones (que aportan la carga positiva del átomo) y los neutrones, que reciben el nombre común de nucleones. En el núcleo se concentra más del 99% de la masa del átomo. Los átomos y sus núcleos se caracterizan por el número atómico Z (el número de protones del núcleo) y el número másico A ( el número de nucleones del núcleo) Por tanto, un núcleo atómico está formado por Z protones y (A – Z) neutrones, siendo la carga positiva del núcleo + Z·e , donde e es el valor de la carga del electrón. Como la corteza de los átomos, los núcleos presentan distintos niveles cuánticos de energía. Cuando un núcleo pasa de un estado excitado (más energético) a otro menos energético emite energía en forma de rayos γ y rayos X, en un proceso análogo a la emisión de radiación en las transiciones electrónicas. Los valores de estas energías en el núcleo son del orden del MeV, mientras que en la corteza de los átomos son del orden del eV. 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

ÁTOMO 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

NÚCLEO 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Los protones y los neutrones no son tan elementales como creíamos A su vez están formados por otras partículas más elementales: los QUARKS En concreto, el protón de 2 quark up y 1 quark down , y el neutrón por 2 quark down y 1 quark up. 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Fuerzas nucleares El radio del átomo es del orden de 10–10 m, mientras que el del núcleo es unas cien mil veces menor, 10–15 m ( 1 fermi). ¿Cuál es el valor de la fuerza gravitatoria con la que se atraen los protones en el núcleo?: ¿Cuál es el valor de la fuerza eléctrica con la que se repelen los protones en el núcleo?: La fuerza eléctrica de repulsión es: veces mayor que la fuerza gravitatoria de atracción. Comparándolas, vemos que: ¿Cómo se explica que en tan reducido espacio las repulsiones eléctricas entre los protones que exige la ley de Coulomb (no compensadas por la atracción gravitatoria entre los nucleones, que es 1036 veces menor) no produzcan la destrucción del núcleo? En el núcleo, a distancias tan pequeñas, se perciben los efectos de un nuevo tipo de fuerzas, que explican la estabilidad nuclear. Son las fuerzas nucleares, de muy corto alcance y muy intensas. Las hay de dos tipos, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil Las características de estas fuerzas se resumen en la siguiente diapositiva: 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

La fuerza nuclear fuerte : La fuerza nuclear débil : ▪ Es una fuerza de atracción entre nucleones, con independencia de su carga eléctrica Es una fuerza que actúa en todo tipo de partículas, aunque sus efectos son más apreciables en las partículas no sometidas a la interacción nuclear fuerte. Es la responsable de la cohesión del núcleo Es la responsable de la emisión β Es de corto alcance (10–15 m) Es de corto alcance (10–17 m) Se anula a distancias superiores a 10–15 m Se anula para distancias superiores a 10–17 m A distancias muy cortas ( menor que10–15 m) son repulsivas para evitar que el núcleo se colapse hacia dentro (impide que la materia se aplaste totalmente). Es de carácter saturado: se satura con los núcleos próximos y aunque haya muchos núcleos en las proximidades no influyen en el aumento de la fuerza, al contrario que la fuerza gravitatoria, que no se satura. Son más intensas que cualquier otro tipo de fuerza: electromagnética, gravitatoria o nuclear débil Son más intensas que las gravitatorias pero menos que la electromagnética y la nuclear fuerte 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

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Partícula Mediadora (bosones)
FUERZAS FUNDAMENTALES EN LA NATURALEZA Interacción Intensidad Relativa Alcance Partícula Mediadora (bosones) Fuerte 1 Corto Gluón Electromagnética 0.0073 Largo Fotón Débil 10-9 Muy Corto Bosones W , Z Gravitacional 10-38 Gravitón ? 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Energía de enlace Si se quiere romper un núcleo para aislar sus nucleones , hay que aportar cierta energía. Esta energía coincide con la energía liberada al formarse el núcleo a partir de sus nucleones aislados y recibe el nombre de energía de enlace Nucleones aislados Núcleo + + La masa de estas partículas: La masa del núcleo: + + En todos los núcleos de los átomos se cumple que: > La diferencia de masas es el defecto de masa : Esta masa, que se transforma en energía según la ecuación de Einstein, constituye la energía de enlace: 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Energía de enlace (Cont.) Para comparar la energía de enlace de los distintos núcleos, se calcula la energía de enlace por nucleón que es el cociente de dividir la energía de enlace entre el número de nucleones. Cuanto mayor es este cociente, más estable es el núcleo, ya que se necesitará aportar más energía para romper el núcleo. Su valor medio es aproximadamente de 8,3 MeV Energía de enlace por nucleón en función del número másico 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Representación gráfica del número de neutrones frente al número de protones para núcleos estables 100 número de neutrones > número de protones Protones Neutrones número de neutrones = número de protones 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Actividad 1 : Calcula el equivalente energético de la unidad de masa atómica u Datos : 1 u = 1,66 ·10 – 27 kg ; c = 3 ·10 8 m/s 1 eV = 1,6 ·10 – 19 J Si la masa de 1 u se transforma en energía se obtienen: 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Ejercicio 9 de la página 348: Datos: A (Ra) = 226; Ar (Ra) = 226,0254 u ; Z (Ra) = 88 ; m p = 1,0073 u ; m n = 1,0087 u ; a) El defecto de masa El defecto de masa ∆m vale: ∆m = [Z · m p + (A – Z ) · m n ] – M N Sustituimos los valores para el radio 226, tomando como masa nuclear M N la masa atómica A r : ∆m = [ 88 ·1, (226 – 88) · 1,0087] – 226, 0254 = 1,8176 u b) La energía de enlace por nucleón Hemos calculado en el ejercicio anterior el equivalente energético de la unidad de masa atómica. Utilizaremos este dato para calcular la energía de enlace del radio. Como el radio tiene A = 226 nucleones, dividiendo el valor anterior por A, obtendremos la energía de enlace por nucleón 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Actividad 2: Sabemos que la energía de enlace por nucleón del vale 1,408 · 10–12 J . Calcular su masa atómica. Datos: ΔE/A (Mn-55) = 1,408 · 10–12 J ; ; m p = 1,0073 u ; m n = 1,0087 u ; c = 3 ·10 8 m/s 1 u = 1,66 ·10 – 27 kg ; A partir de la expresión del defecto de masa ∆m , podemos calcular la masa atómica Ar ( la masa del núcleo, MN , ya que despreciamos la masa de los electrones) ∆m = [Z · m p + (A – Z ) · m n ] – A r El defecto de masa lo podemos calcular a partir de la enegía de enlace ∆E , que a su vez podemos obtener de la energía de enlace por nucleón: A partir de la ecuación de Einstein, calcularemos el defecto de masa: Expresamos esa masa en u: Finalmente, calculamos la masa atómica , despejándola de la primera ecuación: A r = [Z · m p + (A – Z ) · m n ] – ∆m = 25·1, ·1,0087 – 0,518 = 54,9255 u 26 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 26

Reacciones nucleares Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen directamente los núcleos de los átomos, transformándose en otros distinto. 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 y emitía un protón 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. Las reacciones nucleares tienen dos miembros: en el izquierdo se pone la partícula incidente y el núcleo que se va a transmutar , y en el derecho, el núcleo formado y la partícula emitida. También se pueden escribir así: Las reacciones nucleares son procesos de choque en los que se conserva: ▪ la energía ▪ la cantidad de movimiento ▪ el momento angular ▪ el número de nucleones (A) ▪ la carga (número de protones , Z) Otras reacciones nucleares: (Inició la radiactividad artificial) 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Actividad 3 : Completa los números y los símbolos que faltan en las siguientes reacciones nucleares: 28 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 28

Reacciones nucleares y radiactividad Cuando un núcleo es inestable, tiende a transformarse de forma que los productos resultante de esa transformación sean más estables (menos energéticos) El proceso es una reacción nuclear en la que se libera energía. Los núcleos de las sustancias radiactivas son muy inestables y de forma espontánea producen emisiones radiactivas Emisión de partículas α (Ley de Soddy) Esta reacción indica que cuando un núcleo padre (de símbolo X) con un número atómico Z y un número másico A emite una partícula α, se transforma en un núcleo hijo ( de símbolo Y) , cuyo número atómico es dos unidades inferior al del núcleo padre y cuyo número másico es cuatro unidades inferior al del núcleo padre. Emisión de partículas β (Ley de Fajans) Esta reacción indica que cuando un núcleo padre (de símbolo X) con un número atómico Z y un número másico A emite una partícula β, se transforma en un núcleo hijo ( de símbolo Y) , cuyo número atómico es una unidad superior al del núcleo padre y cuyo número másico es igual al del núcleo padre. 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

¿ Cómo del núcleo de un átomo pueden salir electrones? + Como sabemos, en el núcleo de los átomos no hay electrones. Solo protones y neutrones. Un neutrón da lugar a un protón, un electrón y un antineutrino electrónico = antineutrino electrónico • No tiene carga + • Su masa es veces más pequeña que la masa del electrón • Sin él no se cumpliría el principio de conservación de la energía ni de la cantidad de movimiento. + + + emisión de partículas betas negativas + Así salen electrones del núcleo Núcleo padre A = 7 Núcleo hijo A = 7 Z = 3 Z = 4 ( su número atómico una unidad mayor ) Los núcleos también pueden emitir positrones (electrón positivo): Esta reacción está prohibida para protones libres, pues implicaría una violación del principio de conservación de la energía, ya que la suma de las energías de los productos resultantes sería mayor que la del protón. Sin embargo, para protones ligados (i.e., formando parte de un núcleo), puede ocurrir que la diferencia de energías entre el núcleo final y el inicial sea suficiente para crear las partículas resultantes, en cuyo caso la reacción está permitida. Un protón da lugar a un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico emisión de partículas betas positivas (más propia de la radiactividad artificial) (i.e. id est/ita est//esto es/en otras palabras) 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Reacciones nucleares y radiactividad (Cont.) Tras una desintegración alfa o beta, el núcleo hijo suele ser también inestable y sufre otra desintegración dando lugar a otro núcleo distinto. Y así ocurre con desintegraciones sucesivas hasta que se llega a un núcleo estable. El conjunto de todos los isótopos que forman parte del proceso constituye una serie o familia radiactiva. Actualmente se conocen tres familias radiactivas naturales. ▪ Familia del uranio-radio: va desde el uranio-238 hasta el plomo-206 Ver familia P.Newton Números másicos A = 4n+2 , desde n = 59 hasta n = 51 ▪ Familia del uranio-actinio: va desde el uranio-235 hasta el plomo-207 Números másicos A = 4n+3 , desde n = 58 hasta n = 51 ▪ Familia del torio: va desde el torio-232 hasta el plomo-208 Números másicos A = 4n , desde n = 58 hasta n = 52 En las series naturales todas las transmutaciones ocurren por emisiones alfa y beta. Emisión de radiación γ La emisión de radiaciones gamma de un núcleo radiactivo no supone su transformación en un núcleo distinto, sino que tiene lugar un reajuste energético en el mismo: un núcleo atómico que se halla en un nivel energético excitado pasa a otro nivel menos energético y emite la diferencia de energía en forma de radiación electromagnética (rayos gamma). 31 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 31

Ejemplo de desintegración alfa 95 93 4 2 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Ejemplo de desintegración alfa Seaborgio Rutherfordio Partícula alfa El subíndice de la derecha de color verde representa el número de neutrones. 33 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 33

Ejemplo de desintegración beta 1 2 –1 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Ejemplo de desintegración beta Carbono Nitrógeno Electrón Antineutrino El subíndice de la derecha de color verde representa el número de neutrones. 35 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 35

Ejemplo de emisión de radiación gamma Disprosio Rayos gamma 36 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 36

Ejemplo de desintegración beta + Flúor Oxígeno Positrón Neutrino El subíndice de la derecha de color verde representa el número de neutrones. 37 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 37

Fisión nuclear (escisión o rotura del núcleo) neutrón rápido neutrón lento neutrón rápido Esta es la reacción nuclear producida: Como productos aparecen: ▫ 2 núcleos de nuevos elementos ▫ 2 o 3 neutrones rápidos ▫ gran cantidad de energía 38 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 38

Fisión nuclear La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado se divide en otros dos más ligeros al ser bombardeado con neutrones. En el proceso se liberan más neutrones y 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 200,5 MeV por cada núcleo de uranio-235 ∆m = Ar (U-235) + mn – Ar (Ba) + Ar (Kr) + 3· mn = 0,2154 u Los isótopos más utilizados en la fisión nuclear son el U-235 y el Pu-239 Los neutrones liberados por la fisión pueden fisionar otros núcleos dando lugar a una reacción en cadena 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Fisión nuclear Reacción en cadena 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

En el año 1942 el físico Enrico Fermi produjo, en la Universidad de Chicago, la primera reacción en cadena controlada. Fisión nuclear en cadena Premio Nóbel de Física 1938 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 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Fusión nuclear (unión de núcleos) 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 (helio) ► + ► + (neutrón) + + Núcleo de (tritio) Fusión de los núcleos 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 ∆m = Ar (H-2) + Ar (H-3) – Ar (He-4) + mn = 0,0189 u 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 106 K ) 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz +

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 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales Sabemos , desde principios del siglo XX ,que el átomo está formado por otras partículas más simple que él: los electrones, los protones y los neutrones.Todas ellas pueden emitir o absorber otro tipo de partículas: los fotones. Son partículas subatómicas. Pero desde entonces hasta nuestros diás, nuestro conocimiento del mundo subatómico ha avanzado mucho. Lista de partículas Hoy sabemos que la mayoría de las partículas subatómicas están, a su vez, formadas por otras partículas más simples, denominadas partículas elementales. Las partículas elementales son aquellas que no se pueden descomponer en otras más simples. Cada partícula subatómica ( elemental o no ) tiene asociada una antipartícula de igual masa y espin pero con carga eléctrica y momento angular opuestos. Actualmente se conocen centenares de partículas subatómicas. Todas ellas se clasifican en dos grupos, según si están sometidas a la acción de la fuerza nuclear fuerte o no. 44 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 44

Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales (Cont.) No sienten la interacción nuclear fuerte Sienten la interacción nuclear fuerte Leptones Hadrones • Son partículas elementales • No son partículas elementales • Hay seis tipos: • Están formadas por quarks ◘ el electrón e– ◘ el neutrino del electrón νe • Los quarks son partículas elementales. ◘ el muón μ ◘ el neutrino del muón νμ • Hay seis tipos de quarks: ◘ el tauón τ ◘ el neutrino del tauón ντ ◘ charme c ◘ top t ◘ up u ◘ down d ◘ strange s ◘ botton b • Hay dos grupos de hadrones. Mesones Bariones • Están formados por un quark y un antiquark. • Están formados por tres quarks. ◘ mesones π o piones (π0 , π+ , π– ) ◘ protones ◘ mesones K o kaón ◘ neutrones Lista de mesones Lista de bariones Todas estas partículas tienen asociada una antipartícula, como antes dijimos. Applet sobre quarks 45 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 45

Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales (Cont.2) Todas estas partículas tienen asociada una antipartícula, como antes dijimos. Partícula Antipartícula asociada electrón e– positrón e+ protón p antiprotón neutrón n antineutrón neutrino ν antineutrino Cuando una partícula choca con su antipartícula, se aniquilan ambas ( aniquilación de pares ) y la masa total de ambas se transforma en energía. También existe el fenómeno inverso: la producción de pare; se transforma energía en un par de partículas, como cuando un fotón de alta energía choca con un núcleo, el foton desaparece y se materializa en un par electrón-positrón. 46 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 46

Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales (Cont.3) 47 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 47

Partículas subatómicas y fuerzas fundamentales Todas las fuerzas de la naturaleza pertenecen a uno de estos tipos. Fuerzas de la naturaleza Gravitatoria Electromagnética Nuclear fuerte Nuclear débil • Se ejercen entre dos • Se ejercen entre cuerpos cuerpos cualesquiera con carga eléctrica. • Son siempre atractivas • Atractivas o repulsivas Ver diapositiva 18 • Es la más débil. Sólo es • Son más intensas que las apreciable cuando uno gravitatorias pero menos que la nuclear fuerte. de los cuerpos tiene gran masa, como un planeta. Se pueden interpretar que esta interacciones se propagan mediante partículas portadoras. Algunas de estas partículas ya ha sido detectadas, como los fotones ( interacción electromagnética) y los piones (interacción protón-neutrón). El gravitón ( interacción gravitatoria), el gluón (interacción entre quarks) y la partícula W (interacción entre leptones) sólo son hasta la fecha predicciones teóricas. 48 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 48

F I N INICIO 49 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 49

Partículas elementales en Física Gravitón Bosón de Higgs
Fermiones Bosones de Gauge Quarks Leptones Bosones W y Z Fotón Gluón Arriba Encantado Cima Electrón Muón Tau Bosones hipotéticos Abajo Extraño Fondo e-neutrino μ-neutrino τ-neutrino Gravitón Bosón de Higgs Fermión Símbolo Masa Familia del electrón Neutrino electrónico < 2.5 eV Antineutrino electrónico Familia del muón Neutrino muónico < 170 keV Antineutrino muónico Familia del tau Neutrino tauónico < 18 MeV Antineutrino tauónico VOLVER Obtenido de " 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Antoine Henri Becquerel Pierre Curie Marie Sklodowska Curie Premio Nóbel de Física 1903 Premio Nóbel de Física 1903 Premio Nóbel de Física 1903 Premio Nóbel de Química 1911 VOLVER 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Para una muestra radiactiva que inicialmente tiene N0 núcleos , cuando ha transcurrido un periodo de semidesintegración T , se cumple que: ● el número de núcleos presentes N es : ● el tiempo transcurrido t es : Aplicamos la ley de emisión radiactiva: Sustituimos el valor de N y de t y simplificamos: = 1 Tomamos logaritmos neperianos: Finalmente, despejamos la constante radiactiva: VOLVER 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Reacciones nucleares frente Reacciones químicas Reacción nuclear = Transformación de un núclido en otro Reacción química = Transformación de unas sustancias en otras Reacción nuclear Reacción Química Se producen nuevos elementos No se producen nuevos elementos Cambios de energía muy grandes (1 g 235U = 8.2 x 107 kJ) Cambios de energía moderados (combustión de 1 g CH4 = 52 kJ) Depende del tipo de isótopo No depende del isótopo 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

1 . HENRI BECQUEREL Poco después de que se descubriera los rayos X, en 1895; Antoine Henri Becquerel ( ) mostró un fenómeno que no era explicable de acuerdo con el modelo inmutable que se tenía de los átomos. Había observado repetidas veces que unas placas fotográficas envueltas en papel negro junto a un cierto mineral (que luego sería denominado pecblenda), se habían ennegrecido (se habian velado). Esto sucedía de un día para otro, es decir en un tiempo relativamente cortos, lo que hacía suponer que el cambio se debía a un agente externo. No podía entrar luz a las placas, y éstas no habían sido calentadas. Tampoco podían haber sido afectadas por algun agente químico. Al revelar la placa apareció que algún rayo emitido por el mineral debía haber penetrado a través del papel. Pero, ¿cómo había sucedido esto? El peso de la evidencia, tras mucho repetir la operación, llevó a la conclusión que existía "algo" producido o emitido por la pecblenda, que atravesaba la gruesa protección de las placas fotográficas de la época y las impresionaba igual que cuando se sacaba una fotografía exponiéndolas a la luz visible común. De este modo Becquerel descubrió la radiactividad. Posteriormente, mostraría que los rayos provenientes del uranio podían ionizar el aire y también eran capaces de penetrar a través de láminas metálicas delgadas. 2 . MADAME CURIE En 1898, Marie Sklodowska Curie ( ), con su esposo Pierre Curie ( ), dirigió sus investigaciones a la radiactividad. En poco tiempo el matrimonio Curie descubrieron dos elementos nuevos, el polonio y el radio, ambos radiactivos. Para confirmar su trabajo sobre el radio, procesaron una tonelada de residuos de pecblenda, para obtener 0.1 g de cloruro de radio puro, que usaron para efectuar más estudios sobre las propiedades del radio y determinar su masa atómica. 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

3 . ERNEST RUTHERFORD Ernest Rutherford, en 1899, comenzó a investigar la naturaleza de los rayos emitidos por el uranio. Encontró dos tipos de rayos, a los que llamó rayos alfa y beta. Pronto se dio cuenta que el Uranio, al emitir estos rayos, se transformaba en otro elemento. A la altura de 1912 se conocían ya más de 30 isótopos radiactivos y hoy se conocen mucho más. Paul Villard descubrió en 1900, los rayos gamma, un tercer tipo de rayos que emiten los materiales radiactivos y que es semejante a los rayos X. De acuerdo con la descripción del átomo nuclear, Rutherford se atribuyó el fenómeno de la radiactividad a reacciones que se efectúan en los núcleos de los átomos. 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz

Medida de la radiactividad (Opcional) Inicialmente los primeros investigadores que estudiaron la radiactividad midieron solamente la actividad de la muestra. La actividad física, utilizando el becquerel, el rutherford y el curio. Pero es importante conocer no sólo el número de partículas emitidas sino también la energía total que tienen y la energía cedida en un recorrido a través de la materia. Una unidad de este tipo se puede aplicar a la medida de todas las radiaciones: radiación cósmica, partículas procedentes del espacio, ultravioleta, rayos X, rayos gamma, radiación natural de la Tierra, etc. Debes saber que las dos terceras partes de la dosis de radiación ionizante recibida por un hombre europeo corresponde a la radiactividad de origen natural (del espacio y del Sol) y una cuarta parte a las irradiaciones por servicios médicos (rayos X ) Unidades de exposición Se propuso el roentgen como unidad para cuantificar la exposición a la radiactividad. El Roentgen se definió midiendo la ionización del aire atravesado por una radiación. Una radiación es de 1 Roentgen cuando el aire expuesto a ella se ioniza con un carga eléctrica total de 2,58 •10 – 4 culombios por kg de aire (medido en condiciones normales). Unidades de absorción Como la medida de los valores de exposición sólo puede hacerse en gases y se deseaba tener una manera de medir los efectos biológicos y físicos de la radiación sobre la materia viva, se definió la dosis absorbida. 57 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 57

Medida de la radiactividad (Cont.) (Opcional) Se definen el rad y el gray como: 1 rad (radiation absorbed dose) equivale a 10 –5 J absorbidos por cada gramo de materia expuesta. En el S.I la dosis de radiación absorbida es el gray = J/kg. Su equivalencia es: 1 gray = 100 rad. Dosis equivalentes Para matizar la "calidad" de la radiación absorbida, la unidad definida a partir de la energía se multiplica por una constante “q”. Los valores de “q” son: q =1 para las gamma y beta; q =3 para neutrones térmicos; q =10 para las alfa y neutrones pesados; q =20 para iones pesados; etc. Por lo tanto la radiación absorbida (dosis absorbida) multiplicada por el factor q dará una dosis equivalente en cualquier tipo de radiación. Para medir la dosis equivalente de radiación se introducen el Rem (Roetgen equivalent for man) y Sievert (Sv). Se define el rem como la radiación de 1 rad exclusivamente de radiación gamma; o la radiación de 0,1 rem de radiación alfa rem = rad•q En el S.I se define el Sievert (sv) = 100 rem (gamma) Sievert (sv) = 1 gray de radiación gamma. Sievert (sv)= 1 gray ·q 58 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 58

Medida de la radiactividad (Cont.2) (Opcional) Los valores de “q” son: q = 1 para las gamma y beta q = 3 para neutrones térmicos q = 10 para las alfa y los neutrones pesados q = 20 para iones pesados, etc Las dosis absorbida puede referirse a todo el cuerpo o a un órgano en concreto; se pueden referir a una dosis puntual o expresar la suma de las dosis acumuladas en un periodo de tiempo. La dosis de radiación ionizante en Francia (país con numerosas centrales nucleares) es de 3,5 miliSievert año por habitante (2,4 mSv de la natural y 1,1 mSv de la artificial). Una exposición prolongada de todo el cuerpo a 5 Gray es mortal para el 50% de las personas. En radioterapia se realizan sesiones de 2 a 3 Gray cuatro días a la semana sobre una parte del organismo. 59 14/04/2017 Departamento de Física y Química - IPEP de Cádiz 59

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