Física Nuclear

Cada átomo contiene en su centro un núcleo extremadamente denso con cargapositiva que es mucho mas pequeño que el tamaño general del átomo, pero quecontiene la mayor cantidad de su masa.Sears–Zemansky–Young–Freedman, F. U. Volumen 2, 2005. Editorial Pearson Addison Wesley, Undécima Edición, México, 640.

Propiedades de los núcleos

El radio del núcleo atómico es extremadamente pequeño en comparación con eltamaño medio del átomo. Es posible modelar al núcleo atómico como una esfera deradio R, cuyo valor depende del número de masa A del átomo (protones másneutrones) según:

𝑅 = 𝑅𝑜𝐴1/3

Donde 𝑅𝑜 es una constante cuyo valor es 1,2 × 10−15 𝑚.

𝐴 = 92 + 146 = 238

Este núcleo es conocido como Uranio 238

𝑅 = 1,2 × 10−15 𝑚 2381

3 = 7,44 × 10−15𝑚

1,2 × 10−15 𝑚

Núclidos e isotopos

Las partículas que constituyen el núcleo son los protones y electrones, si el átomo esneutro el número de protones coincide con el numero de electrones, como las cargaseléctricas de estas dos partículas son de igual magnitud pero signos contrarios, lacarga neta del átomo es cero.

Se llama número atómico 𝑍 a la cantidad de protones que hay en el núcleo y númeroneutrónico 𝑁 a la cantidad de neutrones en el núcleo.

𝐴 = 𝑍 + 𝑁

Carga eléctrica Masa en uma Masa en kilogramos

Protón +1,6 × 10−19 𝐶 1,007276 𝑢 1,672622 × 10−27 𝑘𝑔

Neutrón cero 1,008665 𝑢 1,674927 × 10−27 𝑘𝑔

Electrón −1,6 × 10−19 𝐶 0,000548580 𝑢 9,10938 × 10−31 𝑘𝑔

Núclidos e isotopos

A las especies nucleares quetengan valores específicosde Z y N se les llamanúclidos.A los núclidos que tienen elmismo numero atómicopero diferente numeroneutrónico se les conoce

como isotopos. Así el 36𝐿𝑖 y

37𝐿𝑖 son isotopos del litio.

Núclidos e isotopos

¿Cuántos isotopos de cadaelemento identificas en latabla?

Fuerza Nuclear

Los protones acumulados en el núcleo atómico, todos con carga positiva, serepelen eléctricamente entre si, pero aun así es posible que el núcleo semantenga estable gracias a la fuerza de interacción nuclear fuerte entreprotones y neutrones. Esta fuerza nuclear no depende de la carga eléctrica delas partículas y su alcance es comparable con las dimensiones nucleares, se diceque son de corto alcance 10−15𝑚, dentro de este alcance las fuerzas nuclearessuperan a las fuerzas eléctricas y permiten que el núcleo sea estable.

Estabilidad nuclear y radiactividad

De unos 2500 núclidos conocidos solo 300 son estables, el resto son inestables yse desintegran para dar lugar a otros núclidos, emitiendo partículas y radiaciónelectromagnética mediante un proceso llamado radiactividad.

Estabilidad nuclear y radiactividad

De unos 2500 núclidos conocidos solo 300son estables, el resto son inestables y sedesintegran para dar lugar a otros núclidos,emitiendo partículas y radiaciónelectromagnética mediante un procesollamado radiactividad.La grafica muestra como para Z < 20 y N <20 la línea de estabilidad coincide con larecta Z = N. Para núclidos más pesados Z >20 y N > 20, la curva de estabilidad se doblahacia N > Z. Evidentemente para grandesvalores de Z la repulsión eléctrica es tangrande que el numero de neutrones debeser mayor para compensar.

Decaimiento alfa, beta y gammaCuando un núcleo atómico no es estable, es decir, cuando el número de neutrones noes suficiente para estabilizar los protones entonces los neutrones que no están cercade un protón se descomponen en un protón y un electrón. Los elementos cuyo númeroatómico es mayor que 83 se desintegran y emiten algunos de los distintos rayos: 𝛼, 𝛽 o𝛾.

Decaimiento alfaEn términos generales, cuando un elemento emite una partícula , se convierte enotro cuyo número de masa es menor en 4 y cuyo número atómico es menor en 2 (unapartícula consta de 2 protones y 2 neutrones)

𝑍𝐴𝑋 → 𝑍−2

𝐴−4𝑌 + 24𝐻𝑒

94240𝑃𝑢 → 92

236𝑈 + 24𝐻𝑒

Decaimiento beta menosCuando un elemento emite una partícula 𝛽− se convierte en otro que tiene el mismonúmero de masa pero un número atómico mayor en 1 (una partícula es un electrón).La emisión de una partícula 𝛽− implica la transformación de un neutrón en un protón,un electrón y un antineutrino.

Decaimiento gammaUna emisión no afecta ni elnúmero atómico ni el de masapero cambia de un estado excitadoa uno de menor energía.

Alfa Beta GammaEfecto sobre una películafotográfica

Nº aproximado de pares de ionesproducidos en el aire (pormilímetro de viaje)

104 102 1

Material necesario para absorberla radiación

papel o aluminio de 0,01 mm

unos poco mm de aluminio

10 cm de plomo

Facilidad de penetración baja Mediana altaLongitud de viaje en el aire unos pocos cm menos de 1 m infinitaDeflexión por campos eléctricos ymagnéticos

se comporta como carga

positiva

se comporta como carga

negativano se deflecta

Velocidad

cerca de 107 m/scerca de 108 m/s

muy variable3 x 108 m/s

Propiedades de la radiación alfa, beta y gamma

Actividad y vida mediaDesde el descubrimiento de los elementos radiactivos se sabe que todos ellos sedesintegran; que el tiempo de desintegración de un elemento varía y que ladesintegración es un proceso aleatorio para átomos individuales, es decir, no se puedepredecir que átomo es el que se va a desintegrar después de otro. De modo que apartir de estas premisas y de un seguimiento del tiempo que tarda en desintegrarseuna muestra radiactiva pura, se ha podido determinar que todos los elementosradiactivos se desintegran en forma exponencial y que dicha desintegración esindependiente de cualquier cambio en las condiciones físicas (campos eléctricos,campos magnéticos, presión, temperatura, etc) y químicas (reacciones con otrassustancias).

Actividad y vida mediaLos científicos definen la vida media como el tiempo necesario para que se desintegrela mitad de los átomos radiactivos de una muestra. A partir de esta definición se sabeque una muestra de torio – 234 tiene una vida media de 25 días, una muestra de radio– 226 tiene una vida media de 1 620 años, una muestra de carbono–14, 5 730 años yuna muestra de uranio–238, 4 500 millones de años. Esto significa, por ejemplo, que sien una muestra de 1 kg de carbono tenemos un 1 g de C–14, en 5 730 años quedará1/2 g, en los siguientes 5 730 años quedará 1/4 de g y así sucesivamente, de modo quela cantidad de C–14 disminuirá, mientras que el C–12 aumentará.

Cálculo de la vida media de un núclido a partir de la curva de decaimiento

Como se sabe el tiempo que le toma ala mitad de los núclidos en convertirseen un núclido estable siempre es elmismo, sin importar de que valorempecemos, entonces bastaríaobservar el tiempo que tarda en llegar ala mitad del número de núclidosinicialmente contabilizados por undetector.

𝑁(𝑡) = 𝑁𝑜𝑒−𝜆𝑡

Donde 𝜆 se llama constante de decaimiento y 𝑁𝑜es el numero de núclidos radiactivos iniciales.

Bibliografia:• Sears–Zemansky–Young–Freedman, F. U. Volumen 2, 2005. Editorial Pearson Addison Wesley, Undécima

Edición, México, 640.• Acosta-Cowan-Graham, Curso de Física Moderna, Harla1975• Imágenes de Internet