lunes, 26 de enero de 2009

Fisica nuclear

Contenidos

Núcleo atómico
Fuerzas nucleares
Energía de enlace de un núcleo
Radioactividad natural
Leyes de desplazamiento radioactivo
Ley de desintegración radiactiva. Actividad, vida media y periodo de semidesintegración.

Características de los núcleos atómicos.

El núcleo del átomo se descubre gracias a los trabajos realizados en la Universidad de Manchester, bajo la dirección de Ernest Rutherford entre los años 1909 a 1911. El experimento utilizado consistía en dirigir un haz de partículas de cierta energía contra una plancha metálica delgada, de las probabilidades que tal barrera desviara la trayectoria de las partículas, se dedujo la distribución de la carga eléctrica al interior de los átomos



Los núcleos atómicos tienen distintas formas geométricas, con tamaños del orden de varios fermis (10-15m). Al ser de tan pequeño tamaño, la materia está muy concentrada en los núcleos, con densidades muy altas (del orden de 1018 kg/m3). Esta densidad no depende del número másico A, los cual nos indica que su volumen es proporcional a A (pues para ser constante la densidad al crecer la masa A también ha de crecer el volumen proporcionalmente), y su radio, asimilando el núcleo a una esfera, a la raíz cúbica de A. De hecho muchos experimentos indican que el radio nuclear vale:
R = R0 . A1/3

Fuerzas nucleares

Los protones y neutrones del núcleo se encuentran en un espacio muy reducido, a distancias muy cortas unos de otros. A estas distancias tan cortas es muy grande la repulsión electromagnética entre protones, que de acuerdo a la ley de Coulomb es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia y directamente proporcional a la magnitud de las cargas. La fuerza que vence a esta repulsión electromagnética y es capaz de mantener el núcleo unido es otra de las 4 interacciones fundamentales conocidas, la fuerza nuclear fuerte. Es una fuerza atractiva y muy intensa, por lo que domina a la repulsión culombiana de los protones, pero tiene un muy corto alcance, sólo del orden de poco más de un fermi. Las características de este tipo de fuerza son que es una fuerza saturada (cada partícula sólo es capaz de interaccionar con un pequeño número de otras partículas), dirigida (depende de la orientación de los espines) e independiente de la carga ( la fuerza entre dos protones es igual que la existente entre dos neutrones o entre protón y neutrón ).






Análisis energético de la formación del núcleo

Al estar compuesto el núcleo de protones y neutrones, la masa del núcleo supuestamente será la suma de las masas de sus constituyentes. Experimentalmente sabemos que las masa de los núcleos estables es siempre un poco menor que la suma de las masas de sus constituyentes. Si la masa de un núcleo es M = M ( Z, A ) y las masas de un protón y un neutrón son respectivamente mp y mn, la cantidad Dm = Z. mp + N. mn recibe el nombre de defecto másico y es una medida de la estabilidad del núcleo. Conocido es que la teoría de la relatividad equipara masa y energía, relacionándolas mediante la famosa ecuación DE = Dm . c2. Así, aplicando el Principio de Conservación de la energía, tenemos que la energía que obtengamos será la diferencia entre la energía del núcleo y la que tendrían todos los nucleones si estuviesen en reposo lo bastante separados para no sentir la fuerza nuclear fuerte entre ellos. Esta importante cantidad se conoce como energía de enlace o de ligadura, E:
E = (Z. mp + N. mn ) . c2


La Radiactividad

El fenómeno de la radiactividad fue descubierto casualmente por Henri Becquerel en 1896. Estudiaba los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia, para lo cual colocaba un cristal de Pechblenda, mineral que contiene uranio, encima de una placa fotográfica envuelta en papel negro y las exponía al sol. Cuando desenvolvía la placa la encontraba velada, hecho que atribuía a la fosforecencia del cristal. Los días siguientes no hubo sol y dejó en un cajón la placa envuelta con papel negro y con la sal de Uranio encima. Cuando sacó la placa fotográfica estaba velada, y no podía deberse a la fosforescencia ya que no había sido expuesta al sol. La única explicación era que la sal de uranio emitía una radiación muy penetrante. Sin saberlo Becquerel había descubierto lo que Marie Curie llamaría más tarde radiactividad.


Tipos de Radiactividad

Radiación alfa
Radiación beta
Radiación gamma

Radiación alfa
Es un tipo de radiación poco penetrante que puede ser detenida por una simple hoja de papel. Rutherford sugirió que los rayos alfa son iones de átomos de Helio (He2+) moviéndose rápidamente, y en 1909 lo demostró experimentalmente.


Radiación beta
Su poder de penetración es mayor que las alfa. Son frenadas por metros de aire, una lámina de aluminio o unos cm de agua. Existen varios tipos de radiación beta:

Radiación Beta menos
Radiación Beta mas

Radiación gamma
En este tipo de radiación el núcleo no pierde su identidad. Mediante esta radiación el núcleo se desprende de la energía que le sobra para pasar a otro estado de energía más baja. Emite rayos gamma, o sea fotones muy energéticos. Este tipo de emisión acompaña a las radiaciones alfa y beta.







Ley de desintegración radiactiva

En 1902 Ernest Rutherford y Frederick Soddy, sugirieron que el ritmo con que una sustancia radiactiva emitía partículas radiactivas disminuía exponencialmente con el tiempo. La desintegración de un núcleo cualquiera se produce al azar, y el número de núcleos que se desintegran en un intervalo de tiempo dt es directamente proporcional al tiempo y al número de núcleos existentes. Su expresión matemática es:
N(t).... número de núcleos radiactivos en un instante t
dN ..... número de desintegraciones en el tiempo t
-dN = l N dt
dN / N = - l dt
N = N0e-l t





Algunas webs de interes:

http://www.cchen.cl/index.php?option=com_content&task=view&id=181&Itemid=86

http://www.cchen.cl/index.php?option=com_content&task=view&id=182&Itemid=86

http://www-sen.upc.es/Docencia/EngNuclear/fisnuclearcaste.pdf



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