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ear El átomo es una partícula semejante a una esfera con radio del orden de 10-10 m. Está

formado por un núcleo, en el que se hallan protones y neutrones, de radio del orden de

10-14 m, alrededor del cual giran los electrones, dispuestos en determinados niveles

cuánticos.

Las características de estas partículas quedan determinadas en el siguiente cuadro:

Todos los procesos en los que se ve implicado el núcleo atómico implican la absorción

o emisión de una enorme cantidad de energía (ENERGÍA NUCLEAR).

PARTÍCULAS ATÓMICAS

Eric Calvo Lorente 2º Bach Física Nuclear 1

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La identificación de un núcleo atómico viene dada por una expresión del tipo:

𝑋

𝑋 ≡ 𝑆í𝑚𝑏𝑜𝑙𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝐴 ≡ 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 (𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠 + 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠)

𝑍 ≡ 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑜 (𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠)𝑍𝐴

Cada tipo de núcleo constituye un NÚCLIDO diferente. Alguno de estos núclidos

poseen alguna característica común. En ese caso reciben distintos nombres:

• Isótopos: Núclidos con igual Z pero distinto A

𝑈, 𝑈 95238

95235

• Isótonos: Núclidos con igual nº de neutrones pero distinto de protones

𝐶, 𝐵 512

613

• Isóbaros: Núclidos con igual A pero distinto Z

𝐶, 𝑁 714

614

NÚCLEO ATÓMICO. ESTABILIDAD NUCLEAR (I)


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A excepción del hidrógeno, todos los núclidos poseen más de un protón en el núcleo.

Está claro que la repulsión entre ellos deberá ser muy grande, puesto que la densidad

de carga positiva en el núcleo es enorme. Según esto los protones deberían repelerse, lo

que implicaría que un núcleo atómico no debería formarse.

Sin embargo existe otro “pegamento” más fuerte que la interacción electrostática (la

fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidas estas partículas para formar el núcleo

atómico. Esta interacción es 105 veces mayor que la interacción electrostática.

El motivo por el que el núcleo es más estable que las partículas que lo constituyen se

desprende a partir de la equivalencia masa-energía dada por la ley de la relatividad

especial. Si sumamos la masa de las partículas que constituyen el núcleo de un átomo

se observa como este valor es superior al valor real del núcleo. Esto es debido a que

parte de la masa de las partículas se ha transformado en energía, de modo que el

núcleo formado es más estable que el estado inicial.

NÚCLEO ATÓMICO. ESTABILIDAD NUCLEAR (II)


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Esta cantidad de masa (DEFECTO DE MASA), puede ser expresada en términos

energéticos, a partir de la expresión:

𝐸 = ∆𝑚. 𝑐2

, donde ∆𝑚 = 𝑚𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑜𝑛𝑒𝑠 − 𝑚𝑎𝑠𝑎𝑛ú𝑐𝑙𝑖𝑑𝑜

La energía desprendida se denomina ENERGÍA DE ENLACE del núclido, que nos da

idea del descenso energético sufrido al constituirse un núcleo

Sin embargo, el verdadero valor de estabilidad de un núcleo lo aporta la ENERGÍA DE

ENLACE POR NUCLEÓN, que se obtiene dividiendo la energía de enlace por el número

de nucleones existentes.

NÚCLEO ATÓMICO. ESTABILIDAD NUCLEAR (III)


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Algunos núclidos son inestables.

En este caso, su tendencia es a evolucionar

para poder alcanzar un estado energético

menor (mayor estabilidad).

Para ello necesitan emitir, bien radiación,

bien determinadas partículas,

Transformándose (TRANSMUTANDO) en

otro núclido diferente.

La estabilidad de un núclido es difícil de

predecir.

RADIACTIVIDAD. DESINTEGRACIONES RADIACTIVAS


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ear Se denomina así al conjunto de procesos por los que espontáneamente,

determinados núcleos atómicos son capaces de emitir radiación, convirtiéndose en

núcleos diferentes o similares, aunque de mayor estabilidad (menor energía).

Identificado el fenómeno por primera vez por Henri Becquerel, los científicos Marie

y Pierre Curie identificaron tres tipos de radiación:

• Emisión alpha (𝛼): formada por partículas positivas 𝐻𝑒24 (núcleos de helio).

Constituyen una radiación ionizante con poco poder de penetración (piel, hoja de

papel).

• Emisión beta (𝛽): formada por electrones ( 𝑒−10 ). De mayor poder de penetración

que la emisión alpha (lámina delgada de metal).

• Emisión gamma (𝛾): radiación electromagnética de muy alta frecuencia. Mayor

poder de penetración que los rayos X (gruesos bloques de hormigón).

RADIACTIVIDAD NATURAL


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Permiten predecir en qué tipo de núclido se convertirá uno dado, en función de la

emisión producida. Son las llamadas LEYES DE SODDY.

1ªLey: (Emisión alpha)

𝑋 → 𝛼4 + 𝑌𝐴−4𝑍−22

𝐴

𝑍

2ªLey: (Emisión beta)

𝑋 → 𝛽0 + 𝑌𝐴𝑍+1−1

𝐴

𝑍 ( 𝛽0 ≡ 𝑒0 )

−1−1

3ªLey: (Emisión gamma)

𝑋𝐴𝑍

∗ → 𝑋 + 𝛾 (𝛾 ≡ 𝑓𝑜𝑡ó𝑛)𝐴𝑍

LEYES DEL DESPLAZAMIENTO RADIACTIVO


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Todos los procesos radiactivos han de cumplir el principio de conservación MASA-

ENERGÍA (en función de la radiactividad especial).

La DESINTEGRACIÓN 𝛽− supone la conversión de un neutrón en un protón:

𝑛 → 𝑝 + 𝑒 +−10

11

01 𝜈𝑒

𝜈𝑒 ≡ 𝑎𝑛𝑡𝑖𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑖𝑛𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟ó𝑛𝑖𝑐𝑜

Existe otro proceso similar, denominado DESINTEGRACIÓN 𝛽+

𝑝 → 𝑛 + 𝑒 ++10

01

11 𝜈𝑒

𝜈𝑒 ≡ 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑖𝑛𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟ó𝑛𝑖𝑐𝑜

𝑒+10 ≡ 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑟ó𝑛

Este proceso compite con otro denominado CAPTURA RADIACTIVA

𝑝 + 𝑒+10 → 𝑛 +0

111 𝜈𝑒

Desintegración 𝛽


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• Se denomina ACTIVIDAD RADIACTIVA al número de núclidos que se desintegran

en la unidad de tiempo. Depende del tipo de núclidos y del número total de

núclidos presentes (N):

𝐴 =−𝑑𝑁

𝑑𝑡= 𝜆. 𝑁 (𝜆: constante de desintegración)

La unidad de la actividad radiactiva es el Becquerel (Bq), equivalente a una

desintegración por segundo.

𝑑𝑁

𝑑𝑡= −𝜆.𝑁 →

𝑑𝑁

𝑁= −𝜆. 𝑑𝑡 →

𝑑𝑁

𝑁

𝑁

𝑁0= − 𝜆. 𝑑𝑡 → 𝑙𝑛

𝑁

𝑁0

𝑡

0= - 𝜆. 𝑡

𝑁 = 𝑁0. 𝑒− 𝜆.𝑡

CINÉTICA DE LA DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA


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Es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos iniciales.

𝑁0

2= 𝑁0. 𝑒

− 𝜆.𝑡 →1

2= 𝑒− 𝜆.𝑡

𝜆. 𝜏12 = 𝐿𝑛2

𝜏12 =

𝐿𝑛2

𝜆

PERÍODO DE DESINTEGRACIÓN


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Es el tiempo que, por término medio, dura un núclido. Es un concepto estadístico, equivalente al de “esperanza de vida”

𝜏 =1

𝜆

𝜏 =𝜏1

2

𝐿𝑛2

VIDA MEDIA


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También llamada INDUCIDA, es aquella que resulta como consecuencia del bombardeo (en laboratorio) de núclidos estables con partículas 𝛼, 𝛽, neutrones,….. Como consecuencia de este bombardeo, los núcleos estables se vuelven radiactivos.

El primer proceso radiactivo artificial fue llevado a cabo por el matrimonio Joliot-Curie:

𝐴𝑙 + 𝛼 →2

41327 𝑃 + 𝑛0

11530

𝐴𝑙 + 𝛼 →24

1327 𝑃 + 𝑛0

11530

RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL (I)


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Mediante el bombardeo con diferentes tipos de partículas a distintas energías, se han conseguido numerosos procesos radiactivos. Así se han obtenido los conocidos como ELEMENTOS ARTIFICIALES DE LA TABLA PERIÓDICA. En cualquier caso, en todo proceso radiactivo se han de cumplir las siguientes leyes de conservación: CONSERVACIÓN DEL NÚMERO DE NUCLEONES, CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA, CONSERVACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO, A-CONSERVACIÓN DE LA MASA-ENERGÍA.

RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL (II)


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Proceso radiactivo por el que un núcleo inestable se escinde en dos núcleos más ligeros, liberando energía y un determinado número de partículas elementales.

FISIÓN NUCLEAR (I)


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La fisión espontánea se produce raramente. Tan sólo el 235-U es fisible de manera natural, con un período de semidesintegración de 700 millones de años. El proceso puede inducirse bombardeando a con nucleo fusión un neutrón de energia adecuada. Bajo ese impacto, el nucleo es rompera en dos (o tres) mas de Núcleos certificados (y aun radiactivos, denominados productos de fision), eyectados a gran velocidad, hasta 7 neutrones y algunos fotones. Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos, por lo general altamente radiactivos. Consecuentemente, estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de desintegración.

FISIÓN NUCLEAR (II)


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La fisión espontánea se produce raramente. Tan sólo el 235-U es fisible de manera natural, con un período de semidesintegración de 700 millones de años. El proceso puede inducirse bombardeando a con núcleo fusión un neutrón de energía adecuada. Bajo ese impacto, el núcleo se romperá en dos (o tres) mas de Núcleos certificados (y aun radiactivos, denominados productos de fisión), eyectados a gran velocidad, hasta 7 neutrones y algunos fotones. Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos, por lo general altamente radiactivos. Consecuentemente, estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de desintegración.

FISIÓN NUCLEAR (II)


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La fisión libera una enorme cantidad de energía. Un gramo de 235-U libera tanta energía como la combustión de varias toneladas de carbón.

Si los neutrones liberados son ralentizados convenientemente, pueden servir de proyectiles para nuevos núcleos, con lo que la reacción no sólo continúa, sino que se acelera. Se trata de una reacción en cadena. En los reactores nucleares el ritmo al que se producen las reacciones de fisión es controlado. Sin embargo, si el número de neutrones presentes aumenta descontroladamente, la reacción deja de ser controlable y da lugar a una bomba atómica.

FISIÓN NUCLEAR (III)


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ear Proceso en el que dos núcleos

ligeros se unen para dar lugar a otro más pesado, liberándose en el proceso una cantidad ingente de energía. Los elementos atómicos empleados normalmente en las reacciones fusión nuclear son el Hidrógeno y sus isótopos, el Deuterio (D) y el Tritio (T). Las reacciones de fusión más importantes son:

𝐻 + 𝐻 → 𝐻𝑒 + 𝑛 + 01 17´6 MeV2

4 13

12

𝐻 + 𝐻 → 𝐻 + 𝑝 + 11 4´03 MeV1

3 12

12

4 𝐻11 → 𝐻𝑒 + 2 𝑒 +1

0 + 𝛾 + 25 MeV

FUSIÓN NUCLEAR


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Para que tengan lugar estas reacciones debe suministrarse a los núcleos la energía cinética necesaria para que se aproximen los núcleos reaccionantes, venciendo así las fuerzas de repulsión electrostáticas. Para ello se necesita calentar el gas hasta temperaturas muy elevadas (107 ó 108 K ), como las que se supone que tienen lugar en el centro de las estrellas. El gas sobrecalentado a tan elevadas temperaturas, de modo que los átomos estarán altamente ionizados, recibe el nombre de plasma. El requisito de cualquier reactor de fusión nuclear es confinar dicho plasma con la temperatura y densidad lo bastante elevadas y durante el tiempo justo, a fin de permitir que ocurran suficientes reacciones de fusión nuclear, evitando que escapen las partículas, para obtener una ganancia neta de energía. Esta ganancia energética depende de que la energía necesaria para calentar y confinar el plasma, sea menor que la energía liberada por las reacciones de fusión nuclear.

FUSIÓN NUCLEAR


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