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FÍSICA MODERNA

FÍSICA NUCLEAR Y DE PARTÍCULAS

José Luis Rodríguez Blanco

José Luis Rodríguez Blanco 2

Fenómenos radiactivos

H. Becquerel (1896): Sales de uranio emiten una radiación sumamente penetrante independiente del estado de la sal (sólida, en disolución, fundida, a alta o baja temperatura, etc.). Esta radiación es característica de los átomos de uranio.

P. Curie /M. Curie (1898):Estudian este fenómeno y sus propiedades, descubren el polonio y el radio

E. Rutherford (1903)Descubre la radiactividad α, β, y γ.


Emisiones radiactivas

La velocidad de emisión es la de la luz, su frecuencia es mayor que 1019

Hz, pueden penetrar de 5 a 15 cm en acero

00Onda

electromagnéticaγγγγ

Son emitidos a velocidades próximas a la de la luz, son detenidos por láminas de 5mm de aluminio o 1 mm de plomo de espesor

~1/1800- 1Partículas

(electrones)ββββ

Son emitidas a menos de 20000 km/s, son detenidos por una hoja de papel

4+ 2Partículas (núcleos de 4He)αααα

Otras propiedadesMasa*Carga*Naturaleza

*La carga se da en múltiplos de la carga del electrón y la masa en múltiplos de la masa del protón


El núcleo atómico

J.J. Thomson (1904) Átomo: esfera homogénea de carga positiva con electrones

incrustados Descubre los isisisisóóóótopostopostopostopos (1911)

E. Rutherford (1915) Núcleo: esfera que contiene toda la carga positiva y casi toda la

masa. Contiene protonesprotonesprotonesprotones (carga elemental positiva) y propone la existencia de una partícula neutra

J. Chadwick (1932) Descubre los neutronesneutronesneutronesneutrones ((((partícula neutra)


El núcleo atómico

Radio nuclear: ≈ 1,2 A 1/3 (fm)[A : número másico] : 10 −14 m

Interacción atractiva muy intensa y de corto alcance: InteracciInteracciInteracciInteraccióóóón fuerten fuerten fuerten fuerte....

Son sensibles protones y neutrones independientemente de la carga eléctrica

Se presenta en distintas variedades del mismo elemento: isisisisóóóótopostopostopostopos

Se explica su estabilidad por mecanismos relativistas:

Δ E = Δm c2

1

1

2

2

-2

3

3

-3

-1

4

Eléctrica

Ep×10-12 (J)

d×10-15 (m)

Nuclear fuerte


Partículas elementales del átomo

1/1823

1,00867

1,00728

Masa (u)

EstableElemental0,51– 1ElectrElectrElectrElectróóóón n n n eeee

Inestable***3 Quarks939,60NeutrNeutrNeutrNeutróóóónnnn nnnn

Estable3 Quarks938,3+ 1ProtProtProtProtóóóónnnn pppp

EstabilidadComposiciónMasa(MeV)**Carga*Partícula

* Como múltiplos enteros de la carga elemental 1 e = 1’6×10 –19 C** En MeV, 1 MeV = 1,6×10-19 Kg; 1u = 931.5 MeV/c2

*** El neutrón, inestable, se descompone (aproximadamente en 10 minutos) en un protón, un electrón y un antineutrino

Z electronesElectronesCortezaNúmero atómico Z

Z protonesA-Z neutrones

NucleonesNúcleoÁtomo

Número Másico A


Energía media de enlace por nucleón

0,0E+00

4,0E-13

8,0E-13

1,2E-12

1,6E-12

0 50 100 150 200 250

Número másico (A)

Ene

rgía

por

nu

cleó

n (J

) He

U

H


Radiactividad Mecanismo por el cual un núcleo se transforma en otro más

estable. Es un fenómeno estadístico La energía liberada lo es por transferencia de masa: Δ E = Δm c2

Se conserva la carga y el número de nucleones (además de otras leyes)

Emisión alfa (α) : Ocurre en núcleos pesados con exceso de neutrones

HeXX 42

4A2Z

AZ +′→ −

−

Emisión beta (β): Ocurre en núcleos pesados con exceso de neutrones (gobernada por la interacción débil

νepnyνeXX 00

01

11

10

00

01

A1Z

AZ ++→++′→ −−+


Radiactividad

Emisión de positrones (β+):Ocurre en núcleos con pocos neutrones (lo gobierna la interacción débil) (también emiten radiación γγγγ)

νenpyνeXX 00

01

10

11

00

01

A1Z

AZ ++→++′→ ++−

Captura eléctrónica K: Ocurre en núcleos con pocos neutrones (lo gobierna la interacción débil) (también emiten radiación γγγγ y rayos XXXX)

νnepνXeX 00

10

01

11

00

A1Z

01

AZ +→++′→+ −−−

Emisión gamma (γ): Un núcleo excitado se relaja emitiendo una OEM muy energética, sigue siendo el mismo núcleo en una situación más estable


Leyes de las desintegraciones radiactivas Es un proceso probabilístico Cumple una ley exponencial decreciente:

N = NN = NN = NN = N0000·eeee ----λλλλtttt

NNNN: átomos al cabo de tttt segundos a partir de una muestra NNNN0000

Magnitudes característicasλλλλ = constante de desintegración (s -1)AAAAcccc = Actividad : velocidad con que desaparecen los núcleos por

unidad de tiempo: Ac = dN/dtT = período de semidesintegración. El tiempo que tiene que

transcurrir para que una determinada cantidad de núcleos se reduzca a la mitad al término del mismo, se mide en segundos.

ττττ = vida media, representa el promedio de vida de los núcleos. Es la inversa de la constante de desintegración.


Serie radiactiva 232Th

Serie 232Th

204

208

212

216

220

224

228

232

236

80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91

Número de protones (Z)

Núm

ero

más

ico

(A)

Tl Pb

Pb Po

Po

β

Rn

Ra

Ra

Th

Th

α

Bi

Ac


Series radiactivas. Serie del 238U

Serie 238U

202

206

210

214

218

222

226

230

234

238

242

80 82 84 86 88 90 92 94

Número de protones (Z)

Núm

ero

más

ico

(A)

Tl

Pb

Pb

Pb Bi

Bi

Po

Po

Po At

β

Rn

Ra

Th

Th Pa

U

U

α


Reacciones nucleares

Interacción entre núcleos con una reorganización de nucleones, absorción y emisión de partículas ligeras y energía.

X + x → Y + y X(x,y)YEnergía implicada: ΔE/c2 = (m0Y + m0y) - (m0X + m0x)

[ ] OHFHeN17

8

1

1

18

9

4

2

14

7 +→→+ *E. Rutherford (1911): 14N(α,p)17O

J. Chadwick (1932): 9Be(α,n)12C [ ] nCCHeBe1

0

12

6

*13

6

4

2

9

4 +→→+

• Muchos de los productos obtenidos son radiactivos y se estabilizan emitiendo partículas o relajándose por emisión gamma


Fisión nuclear O. Hahn, F. Strassman y L. Meitner (1938), Ruptura de un núcleo

pesado en otros más ligeros por bombardeo con neutrones térmicos (1/40 eV).

[ ] UJ/kg108'25n3KrBa*UnU 2351310

9236

14156

23692

10

23592

×++→→+

n235U

• Es una reacción automantenida que puede ser explosiva

• Libera una gran cantidad de energía

• Fundamento de las centrales nucleares y de las bombas atómicas


Fusión nuclear

Fusión de núcleos ligeros en otros más pesados con una gran liberación de energía

J/kg106'6ν2e2HeH4 1400

01

42

11

×++→ +

• Reacción en varios pasos con una gran liberación de energía

• Responsable de la nucleosíntesis de elementos en las estrellas

• Es necesario alcanzar temperatura de 107 K para vencer la barrera de repulsión culombiana


Partículas elementales

Según el tipo de interacción LeptonesLeptonesLeptonesLeptones: No son sensibles a la interacción fuerte (electrón, muón,

tauón, y sus neutrinos) HadronesHadronesHadronesHadrones: Son sensibles a la interacción fuerte (protones, neutrones,

etc.) Según los productos de desintegración de los hadrones

MesonesMesonesMesonesMesones: Como producto hay leptones (fermiones) y fotones (Bosones) BarionesBarionesBarionesBariones: Como producto hay, al menos, un protón (Fermiones)

Nucleones: Existen en el núcleo: protón, neutrón Hiperiones: Tienen mayor masa que los anteriores

Según la dinámica interna: espín FermionesFermionesFermionesFermiones: Tienen espín fraccionario (cumplen el principio de Pauli)

(electrones, protones, neutrones, neutrinos, etc.) BosonesBosonesBosonesBosones: Tienes espín entero (fotones, bosones vectoriales, gravitón, ...)


Partículas elementales (leptones)

DEstable½00 (<18,2)ντ

DEstable½00 (<0,19)νµ

DEstable½00 (< 3·10 – 6 )νe

Neutrino

D, E2,9·10 – 13 s½- 11.800Tauón τ

D, E2,2·10 – 6 s½- 1105’7Muón µ

D, EEstable½- 10’51Electrón (e)

InteracciónEstabilidadEspínCarga eléctrica

Masa en reposo (MeV)Nombre


Partículas elementales (Mesones)

F, D

F, D

F, D, E

F, D

F, D, E

InteracciónVida media (s)EspínCarga eléctrica

Masa en reposo (MeV)Nombre

6,3 · 10 - 1900547ηMesón

0,9 · 10 - 1000498K 0

1,2 · 10 - 80– 1494K –Kaón

8,4 · 10 - 1700135π 0

2,6 · 10 - 80± 1140π ±

Pión


Partículas elementales (Bariones)

F, D, (E)

F, D, E

F, DF, D, E

F, DF, D, EF, D, E

F, D

F, D

F, D, E

Interacción

2,6 · 10 -103/2± 2, 1, 01.232∆Delta

0,8 · 10 -10½- 11.670Ω –Omega

2,9 · 10 -10½01.315Ξ 0

1,6 · 10 -10½±11.320Ξ ±7,4 · 10 -20½01193Σ 01,5 · 10 -10½-11197Σ -0,8 · 10 -10½+11189Σ +

Sigma

2,6 · 10 -10½01115ΛLambda

Hiperiones

866,7½0940nNeutrón

∞½+ 1938pProtón

Nucleón

Vida media (s)EspínCarga

eléctrica Masa en

reposo (MeV)Nombre


Partículas elementales (quarks)

--00½+ 1/3+ 2/3175tttt

--00½+ 1/3– 1/34,5bbbb

--10½+ 1/3+ 2/31,5cccc

--0– 1½+ 1/3– 1/30,5ssss

VioletaAnaranjado

Verde00½+ 1/3– 1/30,3dddd

AmarilloAzulRojo

00½+ 1/3+ 2/30,3uuuu

ColorEncanto (c)

Extrañeza (s)EspínNúmero

BariónicoCarga

eléctrica (e)Masa (GeV)Quark


Partículas elementales (Bosones – partículas mensajeras)

D∞1± 1, 089000Bosonesvectoriales(W ±, Z0)

F∞1080000Gluón

E∞100Fotón (γ)

G∞200Gravitón

InteracciónVida media (s)EspínCarga

eléctricaMasa en

reposo (MeV) Nombre


Aplicaciones de los isótopos radiactivos

Medicina Destrucción de células cancerígenas por radiación γ de 60Co

Cáncer de tiroides (con 131I) PET (Positron Emission Tomography) (con azucar rica en 11C,

13N, 15O que emiten positrones) en estudios de desórdenes cerebrales

Metabolismo del hierro con 59Fe Terapia hadrónica

Química Estudio de velocidades de reacción y mecanismos con

trazadores radiactivos

Datación geológica Datación con carbono-14

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