Física Atómica,Molecular y Nuclear(I)

Felipe J. Llanes Estrada, fllanes@fis.ucm.esDepartamento de Física Teórica I, Fac. CC. Físicas

Ernest Rutherford,descubridor del núcleo atómico

106

0.01 m = 1 cm

Tamaño típico de

un insecto

0.001 m = 1 milímetro

Tamaño típico del ojo de un

insecto

0,000.1 m = 0.1 milímetros

0,000.01 m = 10 micras

Tamaño típico de

un linfocito

0,000.001 m = 1 micra Tamaño típico de un

cromosoma

Resolución típica del microscopio óptico

0,000.000.1 m =0.1 micras

Detalle de un cromosoma

0,000.000.01 m = 100 angstrom

Tamaño típico del grosor

de una molécula de DNA

0,000.000.001 m = 10 angstrom = 1 nanómetro

Tamaño típico de una

molécula

Escala de la nanotecnología

Resolución del microscopio electrónico

0,000.000.000.1 m = 1 angstrom

Tamaño típico de un

átomo

0,000.000.000.01 m = 0,1 angstrom

0,000.000.000.001 m = 1 picómetro

0,000.000.000.000.1 m = 0,1 picómetro

0,000.000.000.000.01 m = 10 fermi

Tamaño típico de un

núcleo atómico

0,000.000.000.000.001 m = 1 fermi

Tamaño típico de un

nucleón

0,000.000.000.000.000.1 m = 0,1 fermi

Comencemos

en la escala

atómica (0.1 nm)

Bohr

El modelo de Bohr del atomo de hidrógeno

(1916)

ÁTOMO DE HIDRÓGENO mediante la ecuación de Schroedinger

“Nubes de probabilidad”(se verá en la lección de mecánica cuántica)

Solamente existen soluciones para valores discretos de la energíay del momento angular (cantidad de giro)

n = 0, 1, 2, 3... l = s, p, d, f

Energías de los niveles el átomo de hidrógeno

EE = h

Espectros de absorción

EE = h

h

Indeterminación Tiempo-Energía

Espectros de emisión

Su ejercicio: construyan un espectrómetro casero con 1) un tubo o caja alargada de cartón (p.ej. una cajita de té con tapa)2) un trozo de disco CD.

Ranura para entrada de luz

Trozo de CD

Agujero visión

Trozo de CD

Observen muy brevemente la luz emitida por1) Una bombilla incandescente (o una lámpara halógena)2) Un tubo fluorescente (o una bombilla de bajo consumo)3) Un infiernillo de gas natural, propano o butano4) Una farola de sodio 5) Una luz LED6) El sol (muy brevemente y a poder ser con gafas de sol)¿En qué fuentes se observan rayas espectrales?

ORBITALES

Principio de Exclusión de Pauli

Regla de Madelung para el llenado de orbitales atómicos

TABLA PERIÓDICA DE MENDELEIEV

ENLACE QUÍMICO

Enlace covalente

Enlace iónico

BIOMOLÉCULAS: la base de la vida

Hidratos de Carbono, carbohidratos o sacáridos (griego: Sakcharón, azúcar) componentes esenciales de los organismos vivos (y clase más abundante de moléculas biológicas), Átomos: C, O, H Existen como:Monosacáridos o azúcares sencillos : (p.ej. glucosa, fructosa, galactosa) disacáridos: (p.ej. maltosa (glu-glu), sacarosa (glu-fru), lactosa (glu-gal)) polisacáridos: (p.ej. almidón ( amilosa), glicógeno (almidón animal), celulosa

Funciones:Productor de energía: como azúcar y almidón (=reserva) Reserva de energía ( Hígado y músculo) de uso rápido en organismos animales, incluyendo el hombre ( glicógeno) Estructural: pared de células vegetales (celulosa)

                                                                                  

                                                                     

                                                                     

Lípidos: grupo de sustancias no solubles en agua (se agregan: bicapa en membranas y gotas en el citoplasma) pero sí solubles en disolventes orgánicos apolares (benceno, acetona...), de tacto untuoso y manchan el papel de forma característica.

•Componentes: Glicerina (Alcohol terciario) Acidos grasos (3 unidades) Átomos: C, O, H , con menos oxígeno en relación al H y C, que los azúcares.Se presentan como: Grasas y aceites

Funciones:•Productor y reserva de energía como grasa y aceite, ( de uso más lento que los carbohidratos) •Estructural: membranas celulares forman una Bicapa (fosfolípidos) impermeable a sustancias solubles en agua. •Térmica: aislante térmico.  También importante: Algunos ácidos grasos “esenciales” no son sintetizables por el cuerpo y deben ser ingeridos. Algunas vitaminas son solubles en grasa y solo pueden ser ingeridas con ella, no se debe evitar del todo la ingestión de grasa.                                                                                                                         

Aminoácidos y unión péptica

Proteínas: Componen las estructuras celulares y son las herramientas para las reacciones químicas del metabolismo celular.

Componentes: Aminoácidos ( 20 variedades distintas) Átomos: C, O, H, N, S Se presentan como:•Dipéptidos, ( conformados por 2 aminoácidos) •Oligopéptidos ( más de 10 aminoácidos) y •Proteínas ( más de 100 aminoácidos)

Funciones:•Estructural: por ejemplo musculatura, tejido conjuntivo, membranas celulares. •Encimática: biocatalizadores en todos los procesos metabólicos. Defensa en el combate de infecciones: Inmunoglobulinas = anticuerpos. •Hormonal: (sustancias mensajeras). •Receptora: detección de estímulos en la superficie celular.                                                                                                                                       

Proteínas

Estructura de las células

Cromosomas

Genes

Ácidos nucleicos (Adenina, Citosina, Guanina y Timina, )

Watson y Crick

El átomo tiene un núcleo central muy denso,

cargado positivamente

El núcleo es un objeto extenso, detamaño 1fm=1 femtometro = 1 Fermi= 0.00001 veces el radio atómico

Acelerador de electrones de SLAC

Acelerador de electrones de Jefferson Lab

Difracción de la luz porun disco y un cuadrado

Oscilacionesen intensidad-> radio

Difracción de electrones: radio nuclear

Núcleo ligero Núcleo pesado

Radio nuclear

La probabilidad de interacción elásticacambia bruscamente: radio nuclear

(el proyectil rompeel núcleo, no rebota)

Núcleos ligeros típicos

11H

21D

31T

42He

126C

168O

Z= número de protonesA= masa respecto al hidrógeno

Núcleo más pesadoque aparece en estadonatural: 238

92U

Dos tipos de componentes nucleares

protones: carga + Masa 938 MeV

neutrones: carga 0 Masa 939 MeV

Descubrimiento del n: ChadwickEl neutrón es inestable (se desintegra en promedio tras unos trece minutos)

Armamento nuclear

100 toneladas TNT 10 kg Plutonio20 veces más

Energía

Los Álamos, Nuevo México, 1945

CráterTrinity

Cráter test100 ton

Gran cantidad de energíade ligadura: 8 MeV/nucleón

¿Qué es un MeV?

1MeV=1Millón de electrón-voltios:la energía que gana un electrón al pasarde un polo - a un polo + con 1000 000V

Amplificador de voltaje de Cockroft-Walton:hasta decenas de miles de voltios

Energía de ligadura por cada nucleón

Fisión

¿Cuántos elementos químicos hay?

Carta de Segré o Valle de Estabilidad

Fisión espontánea: muy rara

Fisión inducida por neutronesreacción en cadena

n

Para el Uranio 23892U, vida 1016 años

¿De dónde sale la energía en la fisión?

Una vez separadoslos fragmentos,

sus cargas positivasse repelen y los

aceleran.Mientras estánligados en el

núcleo, la energíaestá almacenadacomo masa inerte

E=mc2

Reactores de fisión

Reactor de agua en ebullición

Reactor deagua apresión

Fisión del Uranio:Los neutrones lentos fisionan el 235Los neutrones rápidos tambien el 238

Enriquecimiento: 0.7% 235U -> 3% 235U

Residuos radiactivos

Los fragmentos de la fisión no sonsiempre iguales

Se distribuyenentre distintas

masas

Almacenaje de residuos en España:ENRESA

Centro de almacenamientode residuos de baja y mediaactividad del Cabril, Cordoba

Protección radiológica

Actividad: 1 Becquerel = 1desintg/sDosis absorbida: 1 Gray =1 J/kg

Dosis equivalente (efecto biológico)

1 Sievert = 1 Gray x Factor tipo

e,m =1; X,g =1; n térmicos, n,p rápidos =5;n 2-20 MeV =10n 100 keV-2 MeV, a, fragmentos =20

Radiación natural: 0.4-4 mSv/añoMáximo profesional: 20 mSv/año

La radiación natural depende dela geología del terreno

Exposición al gas RadónMucho mayor en zonas graníticas

1 Año en mi domicilio=8760hr--> 175 mrem

Equivalente a 1 mes cerca de Fukushima durante el primer año

United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic

Radiation:

*Hasta 10 rem no es preocupante*No se han detectado aún efectos

de salud pública causados por Fukushima (¿cáncer a largo plazo?)

¿Y los residuos de alta actividad?Investigación en

Transmutación artificial

Energía de ligadura por cada nucleón

Fusi

ón

Conclusión por hoy: la piedra filosofal

Que convierte el plomo en oro

No puede ser obtenida por métodos químico-físicos (cortar, quemar,disolver,tratar con acidos, evaporar...)

Solamente la comprensión de la radiactividady el uso de intensos campos electromagnéticos

nos ha abierto la puerta al núcleo átomico,

y a un nuevo mundo por explorar.