Física del siglo XX: Física nuclear

EL NÚCLEO ATÓMICO
En el núcleo existen dos tipos de partículas llamadas nucleones: protones y neutrones.
El protón tiene la misma carga que el electrón pero positiva y una masa 1836 veces mayor que la masa del electrón.
El neutrón no tiene carga eléctrica y su masa es 1839 veces mayor que la del electrón, apenas mayor que la del protón.
Hay dos conceptos que caracterizan a los núcleos atómicos:

  • El número atómico (Z): indica el número de protones que hay en el núcleo del átomo. Coincide con el número de electrones si el átomo es neutro. Los átomos de un mismo elemento poseen el mismo número atómico.
  • El número másico (A): indica el número de protones y neutrones que hay en el núcleo del átomo, es decir, el número total de nucleones.

El número total de neutrones viene dado por N=A-Z
Se denominan isótopos los átomos de un mismo elemento que presentan distinto número de neutrones.

El volumen del núcleo representa una fracción muy pequeña del volumen total del átomo, pero en él se encuentra casi toda la masa del átomo por lo que su densidad es muy elevada.

ESTABILIDAD DE LOS NÚCLEOS. ENERGÍA DE ENLACE.

En los núcleos atómicos las distancias entre nucleones son del orden de 1 fermi (10-15m). A esta distancia la fuerza eléctrica de repulsión entre protones es mucho mayor que la fuerza gravitatoria atractiva entre los mismos. Debe, por tanto, existir una fuerza muy intensa, de corto alcance y atractiva que mantenga unido al núcleo, es la interacción nuclear fuerte que presenta las siguientes características:

  • Es una fuerza atractiva muy intensa.
  • Actúa entre dos nucleones con independencia de su carga eléctrica.
  • Es una fuerza de corto alcance. Sólo se pone de manifiesto a distancias del orden del fermi, a distancias mucho menores es repulsiva.

La masa del núcleo es inferior a la suma de las masas de los nucleones que lo forman. Esta diferencia se denomina “defecto de masa” y se calcula mediante la expresión:

Δm=Z∙mp+(A-Z)mn-M

Siendo mp la masa del protón, mn la masa del neutrón y M la masa del núcleo.
La energía equivalente a este defecto de masa, según la fórmula de Einstein, es:

E=Δm∙c2

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 proporcionar al núcleo para separar los nucleones que lo forman.
Dividiendo la energía de enlace entre el número de nucleones que contiene se obtiene la energía de enlace por nucleón. Cuanto mayor sea la energía de enlace por nucleón más estable será el núcleo.

RADIACTIVIDAD
La radiactividad es la propiedad que presentan determinadas sustancias, llamadas radiactivas, de emitir radiaciones (conocidas por rayos alfa, beta y gamma) capaces de penetrar en cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias.
Cuando un núcleo atómico emite radiación α, β o γ, el núcleo cambia de estado o se transforma en otro, en este último caso se dice que ha tenido lugar una desintegración.
El cuerpo que se transforma se denomina radioisótopo o radionucleido. Si existe en la naturaleza su actividad es conocida como natural. Si se obtiene por transmutación provocada su actividad es conocida como artificial.
(Actualmente se conocen en la naturaleza tres familias radiactivas constituidas por isótopos naturales: la del uranio-radio, la del uranio-actinio y la del torio)

Radiación α: son núcleos de helio (partículas α) formados por dos protones y dos neutrones. Suelen emitirlas los núcleos demasiado grandes para ser estables. Las partículas α tienen un poder de penetración muy bajo.
Radiación β: son electrones rápidos (partículas β) procedentes de neutrones que se desintegran en el núcleo dando lugar a un protón y un electrón. La emisión beta se debe a una fuerza nuclear distinta a la fuerte y de menor alcance llamada interacción nuclear débil. Las partículas β son más ligeras que las α y tienen un poder de penetración mayor.
Radiación γ: son radiaciones electromagnéticas (fotones) de mayor frecuencia que los rayos X. Se emiten cuando un núcleo que se encuentra en un estado excitado vuelve a su estado fundamental. La emisión γ acompaña generalmente a las emisiones alfa y beta y tiene un poder de penetración mucho mayor.

Leyes de los desplazamientos radiactivos

Resumen los cambios experimentados por los números atómicos y los números másicos de los núcleos que experimentan desintegraciones radiactivas.

1.-Desintegración alfa: Cuando en una transformación radiactiva se emite una partícula alfa, se obtiene un elemento cuyo número atómico es dos unidades menor y su número másico es cuatro unidades menor.

2.-Desintegración beta: Cuando en una transformación radiactiva se emite una partícula beta, se obtiene un elemento cuyo número atómico es una unidad mayor y no varía su número másico.

REACCIONES NUCLEARES

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 isótopos más utilizados son uranio 235 y plutonio 239.

Para que se produzca la fisión es necesaria una energía de activación que se obtiene de la captura de un neutrón por el núcleo. Los neutrones liberados por la fisión de un núcleo pueden fisionar otros núcleos dando lugar a una reacción nuclear en cadena.

  • Fisión nuclear en cadena controlada:

Si el número de neutrones liberados en la fisión es muy alto, se introduce un material que absorbe el exceso de neutrones y evita que la reacción prosiga de forma explosiva. Se produce en las centrales nucleares y en los generadores auxiliares de submarinos y cohetes.

  • Fisión nuclear en cadena no controlada:

No existe ningún elemento que absorba los neutrones en exceso y la reacción tiene lugar de forma explosiva. Se produce en las bombas atómicas.

Fusión 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.
Un ejemplo de reacción de fusión es la unión del deuterio y el tritio (isótopos del hidrógeno) para formar helio 4.

Para que se produzca la fusión es necesaria una energía de activación que es proporcionada por una energía térmica muy elevada (superior a 106 K)
Las reacciones de fusión tienen lugar de forma natural en el Sol y las estrellas. De forma artificial sólo se ha conseguido la fusión en cadena de forma explosiva.

  • Fusión nuclear en cadena controlada:

Aún no se ha conseguido de manera rentable debido a la dificultad térmica que supone confinar los reactivos que, a temperaturas tan elevadas , están en estado de plasma.

  • Fusión nuclear en cadena no controlada:

Se produce en la bomba atómica de hidrógeno (bomba H). Mediante una bomba atómica de fisión se alcanza la alta temperatura necesaria para llevar acabo la reacción de fusión.

 


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APLICACIONES DE LA RADIACTIVIDAD EN DIFERENTES CAMPOS

  • En medicina se utiliza para el tratamiento y el diagnóstico del cáncer, el estudio de órganos y la esterilización del material quirúrgico.
  • En la industria se emplean radiografías para examinar las planchas de acero, soldaduras y construcciones.
  • En química se emplea para estudiar mecanismos de reacción y para fabricar productos químicos.
  • En otros campos: para esterilizar especies nocivas en agricultura, para datar muestras orgánicas, fabricar relojes de precisión y generadores auxiliares para satélites.

APUNTES EN PDF

Contenidos

  • 1. Análisis de la radiactividad natural como consecuencia de la inestabilidad de los núcleos atómicos.
  • 2. Distinción de los principales tipos de radiactividad natural.
  • 3. Aplicación de la ley de desintegración radiactiva.
  • 4. Explicación de la secuencia de reacciones en cadena como la fisión y la fusión nuclear.
  • 5. Análisis y valoración de las aplicaciones e implicaciones del uso de la energía nuclear.
  • 6. Descripción de las características de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.
  • 7. Justificación de la necesidad de nuevas partículas en el marco de la unificación de las interacciones fundamentales.
  • 8. Descripción de la estructura atómica y nuclear a partir de su composición en quarks y electrones.
  • 9. Descripción de la historia y composición del Universo a partir de la teoría del Big Bang.
  • 10. Valoración y discusión de las fronteras de la Física del siglo XXI.

Estándares de aprendizaje

  • 95. Obtiene la actividad de una muestra radiactiva aplicando la ley de desintegración y valora la utilidad de los datos obtenidos para la datación de restos arqueológicos.
  • 96. Realiza cálculos sencillos relacionados con las magnitudes que intervienen en las desintegraciones radiactivas.
  • 97. Explica la secuencia de procesos de una reacción en cadena, extrayendo conclusiones acerca de la energía liberada.
  • 98. Conoce aplicaciones de la energía nuclear como la datación en arqueología y la utilización de isótopos en medicina.
  • 99. Analiza las ventajas e inconvenientes de la fisión y la fusión nuclear justificando la conveniencia de su uso.
  • 100. Compara las principales características de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza a partir de los procesos en los que éstas se manifiestan.
  • 101. Establece una comparación cuantitativa entre las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza en función de las energías involucradas.
  • 102. Compara las principales teorías de unificación estableciendo sus limitaciones y el estado en que se encuentran actualmente.
  • 103. Justifica la necesidad de la existencia de nuevas partículas elementales en el marco de la unificación de las interacciones.
  • 104. Describe la estructura atómica y nuclear a partir de su composición en quarks y electrones, empleando el vocabulario específico de la física de quarks.
  • 105. Caracteriza algunas partículas fundamentales de especial interés, como los neutrinos y el bosón de Higgs, a partir de los procesos en los que se presentan.
  • 106. Relaciona las propiedades de la materia y antimateria con la teoría del Big Bang.
  • 107. Explica la teoría del Big Bang y discute las evidencias experimentales en las que se apoya, como son la radiación de fondo y el efecto Doppler relativista.
  • 108. Presenta una cronología del universo en función de la temperatura y de las partículas que lo formaban en cada periodo, discutiendo la asimetría entre materia y antimateria.
  • 109. Realiza y defiende un informe sobre las fronteras de la física del siglo XXI.
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