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TEMA 13. FÍSICA NUCLEAR

TEMA 13. FÍSICA NUCLEAR. 1. LA RADIACTIVIDAD. RADIACTIVIDAD  FENÓMENO POR EL QUE ALGUNOS ELEMENTOS (ELEMENTOS RADIACTIVOS) EMITEN RADIACIONES PENETRANTES. PUEDE SER:

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TEMA 13. FÍSICA NUCLEAR

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  1. TEMA 13. FÍSICA NUCLEAR

  2. 1. LA RADIACTIVIDAD • RADIACTIVIDAD FENÓMENO POR EL QUE ALGUNOS ELEMENTOS (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) • SU VELOCIDAD ESTÁ EN TORNO AL 5% DE c

  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 • SU VELOCIDAD ESTÁ EN TORNO AL 99,95% DE c

  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. ESTE NÚCLEO 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 MÁSICO (A)  NÚMERO DE NUCLEONES (PROTONES + NEUTRONES): A = Z+ n • http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford/

  8. 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

  9. 2. EL NÚCLEO ATÓMICO • NÚCLIDOS: SON CADA UNA DE LAS ESPECIES NUCLEARES DEFINIDAS POR SU NÚMERO ATÓMICO Y SU NÚMERO MÁSICO

  10. 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 • MASA DE 1 ÁTOMO DE C-12 = 12 u • MASA DE 1 ÁTOMO DE HIDRÓGENO = 1 u

  11. 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

  12. 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

  13. 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)

  14. 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:

  15. 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:

  16. 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:

  17. 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)

  18. Leyes de los desplazamientos radiactivos • SERIES RADIACTIVAS NATURALES: • COMIENZAN EN UN NÚCLIDO POCO RADIACTIVO Y TERMINAN EN UN NÚCLEO ESTABLE DEL PLOMO: • SERIE DEL TORIO • SERIE DEL URANIO • SERIE DEL ACTINIO • SERIE DEL NEPTUNIO

  19. 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

  20. 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

  21. 4. LEY DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA Agrupamos variables Integramos

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

  23. 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

  24. 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

  25. 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

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

  27. 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..

  28. 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

  29. 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 • 2. QUE EN TODAS LAS ÉPOCAS LA PROPORCIÓN C-12/C-14 HA SIDO CONSTANTE EN TODOS LOS SERES VIVOS • 3. QUE LA CONCENTRACIÓN DE C-14 EN LA ATMÓSFERA HA SIDO SIEMPRE CONSTANTE

  30. 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

  31. 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 • FUERZA ELECTROMAGNÉTICA • ENTRE DOS PARTÍCULAS CON CARGA ELÉCTRICA • PUEDE SER DE ATRACCIÓN O REPULSIÓN • DE MAYOR INTENSIDAD QUE LA FUERZA GRAVITATORIA

  32. 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 > 10-17 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 > 10-15 m

  33. 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

  34. 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

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

  36. 5. INTERACCIÓN FUERTE Y ESTABILIDAD NUCLEAR

  37. 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

  38. 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

  39. 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

  40. 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 = 1,007267 u • mn = masa del neutrón = 1,008665 u • me = masa del electrón = 5,48·10-4 u

  41. 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

  42. 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

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

  44. 6. REACCIONES NUCLEARES: FUSIÓN Y FISIÓN • FUSIÓN: DOS NÚCLEOS SE UNEN PARA FORMAR UN NÚCLEO MÁS PESADO, DESPRENDIENDO ENERGÍA • 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

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