Física nuclear

La física nuclear es la rama de la física que estudia las propiedades de los núcleos atómicos, así como las reacciones nucleares y sus aplicaciones.

1. Componentes nucleares e interacción nuclear

Los constituyentes del núcleo atómico son los llamados nucleones, de los cuales hay dos tipos: protones y neutrones. Los protones tienen carga eléctrica positiva, los neutrones no tienen carga y ambos tienen una masa similar entre ellos, pero mucho mayor que la del electrón (alrededor de 1840 veces).

Para representar un núcleo en concreto se usa la notación:

Donde,

  • Número atómico, Z: contabiliza el número de protones y por tanto indica el elemento (X) del núcleo.
  • Número másico, A: contabiliza el número total de protones y neutrones (A=Z+N). De forma indirecta da cuenta del número de neutrones (N) y por tanto especifica el isótopo del elemento químico dado por Z.
  • La escritura del número de neutrones es opcional, puesto que se puede determinar con Z y A.

 

La interacción que se encarga de mantener los nucleones unidos se denomina interacción nuclear fuerte, la cual es un remanente de la interacción fundamental fuerte (una de las cuatro interacciones fundamentales del Universo) que tiene lugar entre los quarks que componen a los protones y neutrones.

Se caracteriza por ser más intensa que la interacción electromagnética (es por ello que los protones pueden convivir en el núcleo pese a tener la misma carga) y por tener muy corto alcance (sólo se pone de manifiesto a distancias del orden de 10-15 m).

2. Energía de enlace

En física, la estabilidad corresponde a la configuración de menor energía posible. Los núcleos están formados por partículas (nucleones) unidas debido a que, de esta forma, se gana estabilidad respecto a la situación en el que las partículas estén libres. Es decir, al formarse el núcleo se producirá una emisión de energía, denominada energía de ligadura (B). Cuanta mayor energía se libere, mayor energía de ligadura tendrá el núcleo, mayor estabilidad. Esa disminución en energía al formarse el núcleo se experimenta a través de una disminución en la masa de los nucleones, puesto que ambas magnitudes están relacionadas:

De esta forma, la energía de ligadura se escribe como:

Cuanta más masa pierdan los nucleones al formar el núcleo, mayor será la energía de enlace. La diferencia de masa entre los nucleones en estado libre y el estado ligado se denomina defecto de masa, Δm:

Por otra parte, es frecuente expresar la estabilidad en función de la energía de ligadura por nucleón: B/A. Al representar esta magnitud para los diferentes núcleos se obtiene la gráfica de la siguiente figura, cuya forma está determinada por la propia interacción nuclear. El núcleo con mayor energía de enlace por nucleón y por ello el más estable, es el hierro-56 (56Fe).  Por otra parte, a núcleos muy pesados la energía de ligadura por nucleón vuelve a bajar. Esto es muy relevante, sobretodo para las reacciones de fusión y fisión nuclear:

 

Energía de ligadura por nucleón (B/A) en función de A. Fuente de la imagen.
  • Fusión: reacción nuclear en la cual dos núcleos se fusionan para dar otro más pesado. Ocurre en núcleos ligeros, anteriores al hierro-56 puesto que hasta ese punto se gana estabilidad al aumentar el número de nucleones.
  • Fisión: reacción nuclear en la cual un núcleo pesado se rompe para dar lugar a núcleos más ligeros, pudiendo emitirse también neutrones libres, rayos gamma o radiación beta. Es energéticamente favorable en núcleos muy pesados porque los núcleos resultantes tienen más energía de ligadura por nucleón que el inicial.

 


Nota: UNIDADES. Para las energías, es habitual medir en MeV (mega electronvoltio, 106 eV), donde un eV es la energía que adquiere un electrón, con carga -1.6 10-19 C , sometido a una diferencia de potencial de 1 voltio (E=q·V). La conversión al S.I. es: 1 MeV= 1,6022 10-13 J. Las masas se suelen medir en unidades de masa atómica (u), donde: 1 u = 1,66 10-27 kg. La equivalencia de una u.m.a. a energía es: 1 u = 931,5 MeV/c2


3. Radiactividad

3.1. Definición y tipos

La radiactividad es el proceso de desintegración nuclear en el cual un núcleo inestable se transforma en otro núcleo más estable, emitiendo radiación (diferente según el tipo de desintegración):

  • Radiación α : consiste en la emisión de partículas α, que son núcleos de helio-4 (4He), constituidos por dos protones y dos neutrones. Se da en núcleos muy pesados. El proceso de desintegración que emite este tipo de radiación (desintegración α) es:

  • Radiación β : consiste en la emisión de electrones (denominados partículas β) que se emiten como resultado de la reacción de desintegración β, en la cual un neutrón del núcleo inicial se transforma en protón, emitiendo en el proceso un anti-neutrino electrónico y un electrón. Estos electrones se forman en la reacción nuclear, NO provienen del átomo. La fórmula (escrita de dos formas diferentes) correspondiente a este proceso es:

  • Radiación β+ : en este caso, en la desintegración β+ se producen positrones, que son partículas de antimateria, y en concreto la antipartícula del electrón. En el núcleo inicial, un protón se transforma en neutrón, emitiendo en el proceso un neutrino electrónico y un positrón. De nuevo, las dos expresiones del proceso son:

  • Radiación γ : ondas electromagnéticas muy energéticas (alta frecuencia) que se liberan cuando un núcleo en un nivel energético excitado se desexcita, emitiendo estas ondas. La energía de los rayos γ es superior a la de los rayos X.

3.2. Ley de decaimiento radiactivo

Los núcleos inestables se desintegran en otros más estables (emitiendo radiactividad en el proceso). Como resultado, la cantidad de núcleos inestables va disminuyendo, se produce el llamado decaimiento radiactivo. Si partimos de una cantidad inicial de núcleos radiactivos N_0, transcurrido cierto tiempo t quedará una cantidad N, según la expresión:

Es decir, la cantidad de núcleos inestables decrece de forma exponencial con el tiempo, donde λ es la constante de desintegración, que indica la probabilidad de desintegración por unidad de tiempo (se mide en s-1) y es característica de cada núcleo radiactivo. Dos magnitudes muy importantes se relacionan con la constante de desintegración:

  • Semivida, T1/2 : tiempo en el cual la cantidad de núcleos inicial se ha reducido a la mitad. Unidades de tiempo.

  • Timpo de vida medio, τ : tiempo promedio que tarda un núcleo radiactivo de la muestra en desintegrarse. Es el inverso de la constante de desintegración. Unidades de tiempo.

Por otro lado, a la velocidad de desintegración de la muestra se la denomina actividad:

La unidad del S.I. para la actividad es el Bequerel (Bq), donde:  1 Bq = 1 s-1  (una desintegración por segundo). Sin embargo, a veces se encuentra la actividad expresada en curios (Ci): 1 Ci = 3,7 1010 Bq.

 

EJERCICIOS RESUELTOS

Debido a la gran cantidad de ejercicios resueltos de física para la EVAU disponibles online, os dejamos los siguientes enunciados y su correspondiente resolución (bloque de física moderna).

 

 

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