Es la propiedad que presentan determinadas sustancias de emitir radiaciones muy penetrantes que pueden ionizar el aire, impresionar placas fotográficas




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fecha de publicación25.10.2015
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Dpto. Física y Química

I.E.S. Inca Garcilaso

FÍSICA NUCLEAR

Radiactividad

La radiactividad natural es la propiedad que presentan determinadas sustancias de emitir radiaciones muy penetrantes que pueden ionizar el aire, impresionar placas fotográficas, producir fluorescencia en ciertas sustancias, e incluso producir cambios químicos en la materia.

Este fenómeno fue descubierto por Becquerel en 1896, aunque el nombre de radiactividad fue propuesto por Marie Curie que junto con su marido, investigaron y descubrieron la radiactividad del torio, polonio y del radio.

Durante muchísimos años los seres vivos hemos soportado la radiactividad natural, aunque la que contribuye notablemente a la dosis de radiación que recibimos los humanos, es la radiactividad artificial, procedente de fuentes creadas por el ser humano (aparatos de radiología, elementos radiactivos en las centrales nucleares, isótopos radiactivos en medicina...)

  • ¿Cuál es el origen de la radiactividad?

Esta sería la siguiente pregunta que se realizaron los científicos tras el descubrimiento de este fenómeno. Se analizaron las radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas, a las que inicialmente se les denominó partículas alfa (), beta (), y gamma (). Las características y propiedades de dichas partículas se recogen en el cuadro del libro de Guadiel, página 344.

Se descubrió que dichas partículas provenían del interior del núcleo: “La radiactividad tiene origen nuclear”: La evidencia de esta afirmación radica en que la emisión radiactiva es independiente del estado de agregación o de combinación química de la sustancia.

  • Los átomos no son esferas macizas, poseen estructura compleja.

Tras el descubrimiento de la radiactividad se realizaron una gran cantidad de experiencias basándose en dicha propiedad y se llegó a la conclusión de que el átomo no es indivisible, sino que tiene una estructura compleja; a raíz de este hecho surgieron distintos modelos sobre la estructura del átomo, que fueron perfeccionándose según se realizaban nuevos avances científicos y técnicos, hasta llegar al modelo actual de la estructura atómica.

Núcleo atómico. ( Por libro de Guadiel, página 347)

Características de los núcleos atómicos (repasar: Z, A, N)

Relación entre uma, Kg y MeV/c2.

  • Uma: 1 uma es la doceava parte de la masa de 1 átomo de carbono 12 (isótopo de este elemento más abundante en la naturaleza)

1 mol de átomos de carbono pesa 12 gramos (1210-3Kg) y contiene NA átomos de carbono (repasar concepto de mol).

Establecemos una proporción:

= ; x= 12.10-3/NA Kg (masa de 1 átomo de C)

Masa de 1 uma= masa de 1 átomo de C


1uma = g = 1,66052 10-27 Kg



1 uma = Kg = Kg = g ;


  • Relación entre uma y MeV/c2.


La relación entre masa y energía viene dada por la ecuación de Einstein E= m c2

Energía que equivale a 1 uma

Aplicamos la ecuación de Einstein:

E=m c2 = 1 u  c2 = 1,6605210-27Kg. (3108 m)2 =

El equivalente energético de un uma es 931 MeV

1,49237510-10J= 931,46 MeV



Partícula

Carga (C)

Masa

Radio

1F=10-15m

Volumen (*)



Protón



1,6021×10-19

1,6726×10-27Kg

1,00782 u

938,26 MeV/c2


1,2 Fermis(F)


Vátomo

105 VNúcleo


neutrón


0

1,6749×10-27Kg

1,00867 u

939,55 MeV/c2


1,2 F

VNÚCLEO es proporcional al número de nucleones


electrón


-1,6021×10-19

9,1096×10-31 Kg

5,485910-4 u

0,511 MeV/c2


0

La masa de 1 uma expresada en MeV/c2 = 931 MeV/c2

(*) Forma del núcleo: Estudios sobre difracción de electrones han establecido que la mayoría de los núcleos son esféricos, su volumen es proporcional al número de nucleones (partículas que constituyen el núcleo).

El radio nuclear oscila entre 1,2 y 7,5 F.

R = r0 ; r0 = 1,2×10-15m; A = nº másico.

En la siguiente tabla se muestran algunos parámetros sobre el átomo y núcleo.





ÁTOMO

NúCLEO

Masa


Del orden del uma

1 uma = 1,6610-27Kg

MNÚCLEO0,99 MÄTOMO




Volumen





VÁTOMO= 105VNÚCLEO

Radio átomo = 10-10 m


Radio núcleo  10-15 m


Niveles

energéticos



Del orden del eV


Del orden del MeV (*)



(*) Los núcleos presentan distintos niveles de energía, al igual que los electrones en los átomos.

“ Cuando se excita un núcleo (por colisión, absorción...) un nucleón cambia de un estado de energía baja a uno de mayor energía, que devuelve cuando el núcleo vuelve a su estado fundamental. El estudio de los espectros nucleares nos informa de que los nucleones, al igual que los electrones en los átomos, están ocupando niveles de energía , aunque ésta es mucho más alta que la electrónica”.
Ejercicio.

Calcular la masa atómica relativa del carbono, sabiendo que tiene dos isótopos, cuyas características se muestran en la tabla siguiente




Masa en uma


Abundancia (%)




13,0034


1,11




12,0000


98,89



Para calcular la masa atómica relativa Ar (C) hay que tener en cuenta la existencia de isótopos y su abundancia relativa.

M = Kg


Fuerzas nucleares. Estabilidad nuclear.


Fuerza nuclear fuerte
Una vez que quedó claro que en el interior del núcleo existían los neutrones y protones, estos últimos, partículas del mismo signo, se planteó la cuestión de cómo era posible que éstas permanecieran unidas en una zona tan reducida, sin repelerse, es decir: ¿Cómo explicar la estabilidad nuclear?. El hecho de que los nucleones se mantengan unidos sólo puede explicarse admitiendo la existencia de una fuerza de atracción entre los nucleones mucho mayor que la intensa fuerza de repulsión electrostática que se produce entre protones a tan corta distancia.

Se empezó a hablar de fuerza nuclear: “Fuerza de atracción entre cualquier tipo de nucleón (protones o neutrones), responsable de la cohesión del núcleo”.

Las características fundamentales de esta interacción puede resumirse así:

  • Se manifiesta cuando la distancia entre nucleones es muy pequeña; es decir: son fuerzas de “corto alcance” (del orden de 10-15 m).

  • Alta intensidad (mayor que la electromagnética, mucho mayor que la fuerza nuclear débil y extraordinariamente superior que la interacción gravitatoria).

  • Es atractiva a las distancias normales en el núcleo, se hace repulsiva a distancias muy cortas y nula a distancias mayores de 1F (10-15m).

  • Es independiente de la carga eléctrica, por lo tanto, la intensidad es la misma en las interacciones nucleares p-p, n-n ó p-n.

  • Saturación: cada nucleón interacciona con un cierto nº de nucleones (los más próximos) independientemente del nº total de nucleones; esto explica que la energía necesaria para arrancar un nucleón de un núcleo sea la misma para núcleos de pocos nucleones (ocho o diez) que para núcleos de muchos nucleones (ochenta o cien).

  • Responsable de la cohesión del núcleo.



Fuerza nuclear débil


Esta interacción es la que encontramos con más frecuencia en los procesos de desintegración de partículas elementales.

Características:

  • Son de alcance aún más corto que la fuerza nuclear fuerte y de magnitud 1013veces menor. Nula para distancias superiores a 10-17m.

  • Se manifiesta sobre todo en partículas no sometidas a la acción de la fuerza nuclear fuerte.

  • A distancias muy cortas, donde es máxima, supera en intensidad a la fuerza gravitatoria, pero es más débil que la electromagnética.

  • Es la responsable de la desintegración  de los núcleos (la emisión  se produce cuando un núcleo tiene un exceso o defecto de neutrones en relación con los protones que contiene)


Estabilidad nuclear.
Para estudiar la estabilidad de los núcleos podemos realizar una representación gráfica de A-Z ó N (nº de neutrones) frente a Z (nº de protones).





En la gráfica se observa lo siguiente:

  • Los núcleos ligeros (salvo el ) son más estables si contienen un número igual de protones que de neutrones (N=Z).

  • En los núcleos masivos se nota que éstos son más estables si el número de neutrones excede al nº de protones ( NZ)


Estas observaciones indican que a medida que el número de protones

aumenta, también lo hace el valor de la intensidad de la fuerza repulsiva eléctrica de Coulomb, lo que hace desestabilizar el núcleo; por eso se necesitan más neutrones para mantener estable el núcleo, ya que los neutrones sólo experimentan fuerzas nucleares atractivas. A partir del


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