fisica nucle

Capitulo 39.- la física nuclear y el núcleo:
La tecnología nuclear se ha desarrollado enormemente desde sus inicios, a principios de la década de 1940.
“el núcleo es el centro de un átomo y la contiene la mayor parte de la masa atómica”

Capitulo 39.1 El núcleo atómico.
Todas las materias están compuestas de diferentes combinaciones de por lo menos tres partículas fundamentales: protones, neutrones y electrones.
El electrón tiene una masa de 9.1 x 10 ala -31 kg y una carga de e=-1.6 x 10ala -19.
El protón es el núcleo de un átomo de hidrogeno. Tiene una masa de 1.673 x 10 ala -27 kg y una carga positiva igual en magnitud ala carga de un electrón (+e)
El neutrón esta presente en el núcleo de todos los elementos con excepción del hidrogeno. Tiene una masa de 1.675 x 10 al -27 kg
Para comprender claramente los eventos atómicos y nucleares, es preciso adoptar una nueva forma de pensar, se puede preguntar por que se mantiene unido el núcleo. Es evidente que si la repulsión electrostática de coulomb se aplica al núcleo esta tiene que ser superada en el por una fuerza mucho mayor. A eso se le llama fuerza nuclear.

Capitulo 39.2 Los elementos.
Se han realizado múltiples intentos de organizar los diferentes elementos, de acuerdo con sus respectivas propiedades químicas o físicas. El agrupamiento moderno de los elementos se conoce como tabla periódica.
A cada elemento se le asigna un número que lo distingue de los demás. Como el hidrogeno es 1, el del helio es 4 y el del oxigeno es 8. Estos números son iguales al número de protones que hay en el núcleo de ese elemento. El número recibe el símbolo z y se llama numero atómico.
El numero atómico z de un elemento es igual al numero de protones que hay en el núcleo de un átomo de ese elemento
El número total de nucleones en un núcleo se conoce como numero de masa a.
El número de masa a de un elemento es igual al numero total de protones y neutrones que hay en su núcleo.

Capitulo 39.3 La unidad de masa atómica.
Una unidad de masa atómica (1 u) es exactamente igual a un doceavo de la masa de la forma mas abundante del átomo de carbono, la unidad de masa atómica es: 1 u= 1.6606 x 10 a la -27 kg.

39.4 isótopos.
Los isótopos son átomos que tienen el mismo número atómico z pero diferentes números de masa.

Un ejemplo es el carbono natural

12 6 c tiene 6 protones y 6 neutrones en su núcleo

13 6 c tiene 6 protones y 7 neutrones en su nucleo


Algunos elementos tienen hasta 10 isótopos.

La comprobación experimental de isotopos se realiza con un espectrómetro de masas. Este dispositivo separa los isótopos.
Funciona: átomos ionizados de una de la clase de un elemento se coloca sobre el selector de velocidades. A estos les falta un electrón por tanto tienen carga de +e son impulsados por los campos cruzados e y b.los iones tienen un velocidad suficientes para que la fuerza magnetica fm sea igual a fuerza eléctrica fe y pasan por la ranura del fondo sin desviarse entonces velocidad es:

V=e/b

Recordando que fm = ee

Fe=evb

Únicamente los iones con esta velocidad pasaran por la ranura.
Los iones positivos se mueven más rápido y pasan por la región de abajo donde otro campo b actúa sobre ellos provocando un fuerza magnética perpendicular la magnitud de esta será constante e igual a evb pero su dirección será siempre en ángulos rectos respecto a la velocidad del ion que da como resultado una trayectoria circular radio r la fm proporcionara la suriciente fuerza centrípeta.

Fm=fc ó evb=mv2/r
Donde:
M=masa de ion de carga e

Para encontrar radio la formula es r= mv/eb

en vista de que v , e ,b son constantes esto permite obtener una función de la mas a de los iones específicos. Los iones de masa distinta incidirán sobre la placa fotográfica en diferentes posiciones ya que sus trayectorias son distintas esto provoca una line obscura en la placala distancia de una línea particular con respecto a la ranura es el doble del radio en el cual se mueve ese haz de iones.

39.5 defecto de masa y energía de enlace.

Con un espectrómetro de masas podemos demostrar que la masa de un núcleo no es exactamente igual a la suma de las masas de sus nucleones.

el defecto de mas se define como la diferencia ente la masa en reposo de un núcleo y la suma de las masas en reposo de los nucleones que lo forman.

Sabemos atreves de los trabajos de einstein que la masa y la energía son equivalentes por tanto al disminuir la masa por la integración de los nucleones también disminuye la energía y como esta se conserva una disminución de energía del sistema significa que esta debe eliminarse al unirse al sistema.
La energía de enlace del núcleo es la energía requerida para romper el nucleo y separarlo en las partículas que lo integran.
La masa atómica m debe ser to,nada para un isotopo en particular del elemento no apartir de la tabla periodica.
El rermino núclido se usa para referirse a un isotopo que tiene un especifico numero de partículas nucleares y por tanto masa determinada

39.6 Radiactividad.
La fuerza nuclear mantiene a los nucleones unidos al nucleo, logra superar la fuerza de repulcion de coulom que ejercen los protones.
Todos los elementos que en su estado natural tienen números atomicos mayores a 83 son radiactivos. Esos elementos recaen poco poco hasta que desaparecen de la faz de la tierra. El uranio y el radio son dos de los ejemplos mejor conocidos de los elementos naturales radiactivos. Se han descubierto también otros elementos que se presentan en su estado natural, los cuales son mas lgeros y menos activos.
Existen tres formas principales de emison radiactiva del nucleo atomico:
1-particula alfa. Una particula alfa es el nucleo del atomo de helio y consta de dos protones y dos neutrones. Tiene una carga de +2e y una masa de 4.001506u. Debido asus cargas positivas y asus rapideces relativa mente bajas las partículas alfa no tienen gran poder de penetración.
2-particula beta.una partícula beta es un electron que sale despedido de un suceso radiactivo por la ley de fajains si un atomo emite una partícula beta, su carga electrica aumenta en una unidad positiva y el numero de masa no varía. Ello es debido a que la masa del electrón es despreciable frente a la masa total del átomo. En cambio, al ser emitida una carga negativa, el átomo queda con una carga positiva más, para compensar el total de la carga eléctrica, con lo cual el número de electrones disminuye. Este proceso es debido a la desintegración de un neutron en un protón
3- ryos gamma un rayo gamma es una onda electromagnética de alta energía semejante al calor y ala luz, pero de una frecuencia mucho mayor. Estos rayos no tienen carga o masa en reposo y representan la radiación mas penetrante emitida por elementos radiactivos.
39.7 Decaimiento radiactivo.
La emisión de una particula alfa reduce el numero de protones en el nucleo padre en 2 y el numero de nucleones en 4
El termino designado aquí como energía resulta del hecho de que la energía en reposo de los productos ess menor que la del atomo padre. La diferencia en energía es extraida principalmente como una energía cinetica impartida ala particula alfa.
39.8 Vida media.
Un material radioactivo continúa entendiendo radiación hasta que todos los átomos inestables del mismo han decaído. El número de núcleos inestables que decaen cada segundo se puede predecir, para un isótopo determinado en términos de probabilidad. Este número se conoce como actividad R y se obtiene mediante la siguiente expresión.
R=-AN
At
Donde:
N= Numero de niveles
El signo menos se incluye debido a que N decrece con el tiempo, las unidades para R son el reciproco de segundos (s-1).
Curie (Ci) es la actividad de un material radioactivo que decae con una rapidez de 3.7x10 E 10 desintegraciones por segundo.
1Ci=3.7x10 10 s-1
la gravedad de 1g de radio es ligeramente menor que Ci.
La naturaleza azarosa significa que la actividad R en cualquier instante directamente proporcional al numero de núcleos restantes. El tiempo que tarda, según la curva, en caer hasta la mitad de su valor original es diferente para cada isótopo radioactivo y se llama Vida Media.
L vida T ½ de un isótopo radioactivo es el lapso en el que decae la mitad de sus núcleo inestables.
Numero de núcleos N que se calcula por: N=No (½)n

El numero n de vidas medias en el periodo t es, por supuesto, t/T ½. Una forma de la relación anterior que se aplica con mayor frecuencia es
N=No(1/2) t/T ½
Para calcular la masa de material radioactivo que queda después de cierto numero de vidas medias.
Aplicada a la actividad R, de una muestra radioactiva nos conduce a la relación.
R=Ro (½) ) t/T ½ y m=m0(½) ) t/T ½

39.9 Reacciones nucleares.
Una reacción química los átomos de dos moléculas seccionan para formar diferentes moléculas. En una reccion nuclear, los nucleones chocan para formar diferentes núcleos, radiación y nucleones están cargados, una de las masas debe acelerarse alcanzar una velocidad alta.
Leyes de conservación:
Conservación de la carga: La carga total de un sistema no puede ni aumentar ni disminuir en una reacción nuclear.
Conservación de nucleones: El número total de nucleones en la interacción debe permanecer inalterado.
Conservación de masa-energía: La masa-energía total de un sistema debe permanecer inalterada en una reacción nuclear.

39.10 Fisión nuclear.
Antes del descubrimiento del neutro, las partículas alfa y los protones eran las partículas fundamentales para bombardear el núcleo atómico., tenían la desventaja de ser repelidas electrostaticamente por el núcleo. Requerían cantidades de energía antes.
Neutrones no tienen carga eléctrica, presentan fácilmente el núcleo de átomo la repulsión Coulomb (electrostática).
Neutrones rápidos pasan por completo al núcleo.
Neutrones lentos pueden ser capturados por el núcleo, originando un isótopo inestable que puede desintegrarse.
La absorción de un neutro que ingresa origina un núcleo se divida en dos núcleos y se denomina Fisión Nuclear y los núcleos producidos se llaman Fragmentos de Fisión.
La fisión nuclear es el proceso por el cual los núcleos pesados se dividen en dos o más núcleos de números de masa intermedios.
Los fragmentos de la fisión tienen masa menor y, como 1Me V de mayor energía de enlace por cada núcleo.
Cada fisión nuclear libera mas neutrones , pueden conducir fisión adicional, es posible una relación en cadena. Si ese tipo de reacción en cadena no se controla, puede provocar una explosión de enorme magnitud.
39.11 Reactores nucleares.
Reactor nuclear es un dispositivo que controla la fisión nuclear de material radioactivo que produce sustancias radiactivas y grandes cantidades de energía; estos se emplean para suministrar calor capaz de generar energía eléctrica, proporcionan neutrones para utilizarlos en la experimentación científica.

Diagrama esquemático de un reactor típico. Los compontes básicos son:
• Núcleo para el combustible nuclear.
• Un moderador para reducir la velocidad de los neutrones rápidos.
• Las barras de control u otros medios para regular el proceso de fusión.
• Un intercambiador de calor para extraer el calor generado en el núcleo.
• Blindaje para evitar la salida de radiación.
El ingrediente principal o esencial es el material fisionable o combustible nuclear (constituye el 0.7% de uranio natural, 99.3% es 29992).
El reactor produce más combustible del que consume.
Los neutrones rápidos liberados mediante la fisión deben reducir su velocidad por esta razón el combustible del reactor debe sumergirse en una sustancia adecuada llamada moderador, su función es volver más lentos a los neutrones sin llegar a capturarlos.
Un reactor típico está provisto de barras de control que puedan insertarse en el reactor a diferentes distancias.
39.12 Fusión nuclear.
A la unión de núcleos ligeros para formar un solo núcleo pesado se le denomina fusión nuclear,
Este es el proceso que proporciona el combustible para las estrellas como nuestro propio sol y es también el principio en el que está basado la bomba de hidrogeno.la mayoría de los físicos aun piensa que se requerían temperaturas extremadamente altas para sostener la fusión nuclear, sería necesario aplicar millones de electrón volts a los núcleos fisionables para sobrepasar su repulsión columb. En el caso de la bomba de hidrogeno la energía de esta es suministrada por una explosión atómica que dispara el proceso de fusión
Si los problemas en torno a la fusión se llega a resolver, esta fuente de energía podría proporcionar una solución al tremendo problema de los recursos no renovables.