Estrutura e Composição dos Núcleos

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Tema 7: M ateria y Radiación
O
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9
.9
%
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om
o
electrones
N úm ero m ásico: total neutrones y protones
N úm ero atóm ico: total protones o, lo que es lo m ism o, de electrones
Isótopos
Hidrógeno: H
1
1 H
2
1 H
3
1
deuterio: tritio:
O tros isótopos:
C
13
 6C
12
 6 C
14
 6
Cl
37
17
O
16
 8 O
18
 8O
17
 8
Cl
35
17
N úm ero m ásico A
N úm ero atóm ico Z
98.93% 1.07% >0.01%
99.76% 0.04% 0.20%
75.8% 24.4%
Abundancia: 98.99% 0.01% 0.00%
M asa: 1.0078 2.0141 3.0160 
M asa del protón: 1.0078 g/m ol del neutrón: 1.0092 g/mol
M asa del núcleo m enor que sum a de m asas de protones y neutrones
La m asa que falta es la energía de enlace del núcleo E=m c2
protón neutrón
N
úm
e
ro
 d
e
 n
e
ut
ro
n
e
s 
A
-Z
N úmero de protones Z
N úcleos estables Hacen falta más
neutrones que
protones para 
estabilizar los
núcleos pesados
recta de igual 
número de 
neutrones y
protones
Elementos radiactivos naturales:
con isótopos inestables que intervienen
en las series radiactivas naturales
*
* **
*
* especialmente importantes
Inestabilidad de los núcleos: radiactividad
Los isótopos inestables (naturales o artificiales) sufren 
transformaciones y emiten partículas y radiación: 
rayos alfa, beta, gamma, X, neutrones, neutrinos, y otros
Alfa
Beta
Rayos X
Gam m a
N eutrones
Alum inio Plom o Horm igón
N eutrinos
Tipos básicos de decaimiento radiactivo
Decaimiento alfa: un núcleo pierde una partícula alfa
+
He
4
2
partícula 
alfa
Ejemplo de decaimiento alfa
236
 92 U
240
 94 Pu
 He
4
2partícula α =
Una partícula α 
es un núcleo de Helio
2
Tipos básicos de decaimiento radiactivo
Decaimiento beta positivo: 
un protón del núcleo se convierte en neutrón
Protón neutrón + positrón + neutrino
230
 91 Pa
230
 90 Th
Ejemplo de decaimiento β+
partícula β+ (o positrón e+)
El positrón tiene
la m ism a m asa que
el electrón pero
carga opuesta
neutrino
Tipos básicos de decaimiento radiactivo
neutrón protón + electrón + antineutrino
Decaimiento beta negativo: 
un neutrón del núcleo se convierte en protón
Ejemplo de decaimiento β−
partícula β− (o electrón e−)
Una partícula β− 
es un electrón
228
 88 Ra
228
 89 Ac
antineutrino
Tipos básicos de decaimiento radiactivo
Decaimiento gamma: 
un núcleo excitado emite un fotón gamma y 
vuelve a su estado fundamental o basal
Una partícula γ 
es un fotón
Ejemplo de decaimiento γ
240
 94 Pu*
240
 94 Pu
partícula γ : radiación electromagnética
 de alta energía
γγ
EJERCICIO
Indicar el tipo de decaimiento que tiene lugar en 
los siguientes procesos radiactivos e indicar 
las partículas que se emiten en cada caso
263
106 Sg
259
104 Rf
14
 6 C
14
 7 N
18
 9 F
18
 8 O
222
 86 Rn
218
 84 Po
214
 83 Bi
214
 84 Po
El decaimiento radiactivo es exponencial
caracterizado por la vida media del elemento
N = N 0 e-k t
Vida media: τ = ln 2
 k
N
úm
e
ro
 d
e
 á
to
m
os
 d
e
l 
e
le
m
e
nt
o 
ra
d
ia
ct
iv
o
N 0
N 0
 2
τ tiempo
Tiempo en que la mitad 
de los átomos han decaído
Las series radiactivas naturales
Serie del Uranio-235:
238
 92 U
207
 82 Pb
239
 94 Pu
decaimientos
intermedios
Serie del Torio-232:
228
 88 Ra
208
 82 Pb
232
 90 Th
decaimientos 
intermedios
Serie del Uranio-238:
206
 82 Pb
234
 90 Th
decaimientos 
intermedios
235
 92 U
237
 93 N p
Serie del N eptunio-237:
209
 83 Bi
233
 91 Pa
decaimientos 
intermedios
3
Serie del Torio-232: Serie del Uranio-238:
Serie del Uranio-235 (poco abundante): Serie del N eptunio-237 (ya inexistente en la Tierra):
Radiactividad natural: el problema de gas Radón
222
 86 Rn
218
 84 PoSerie del Uranio-238: + partícula α
222
 86 Rn es un GAS con una vida media de unos 4 días que 
difunde a la atmósfera y se almacena en los 
espacios cerrados (por ej. en las viviendas)
N o es peligroso salvo si se respira, ya que se 
almacena en los pulmones donde libera partículas α
Se estima que la irradiación por Radón constituye
el 50% de la total a la que está expuesto el ser 
humano a lo largo de su vida.
Se piensa que es la segunda cusa de cáncer de pulmón
tras el tabaco.
Irradiaciones radiactivas: unidades y dosis tolerables 
Cantidad de radiación producida: 
1 Becquerel: radiación producida por 1 decaim iento/segundo
Ejem plo: 
234
 92 U
230
 90 Th
α , γ 1 Becquerel = 
1 partículas α y γ /segundo
Dosis efectiva de energía acum ulada por unidad de m asa: D 
1 Gray: irradiación de 1 Julio por kilogram o de m asa
Dosis biológica equivalente: H = D W T W R
1 Sievert: dosis efectiva (J/kg) m ultiplicada por factores de 
ponderación según la radiación producida W R y el tejido u 
órgano afectado W T (se sum an todos los tejidos y radiaciones).
El lím ite de exposición perm itido es de 0.001 Sv/año.
1 rem : 0.01 Sievert (unidad no S.I., pero que se usa a menudo)
W R = 20 (partícula α), 5-20 (neutrones), 1 (rayos X, γ, part. β)
W T = 0.2 (glándulas sexuales), 0.12 (m édula ósea, colon, pulm ón, 
 estóm ago), 0.01 (piel, huesos), 0.05 (resto de tejidos)
4
Reacciones nucleares para la producción de energía:
Fisión nuclear y Fusión nuclear 
E
n
e
rg
ía
 d
e
 e
n
la
ce
 p
or
 n
uc
le
ón
 (
M
e
V
)
 N úmero másico 
 62
N i
58
Fe
235
U
56
Fe
Zona de fisión exotérmica
Zona de fusión 
 exotérmica
El núm ero m ásico
típico de los 
fragm entos de 
fusión es 118
Los núcleos
m ás estables
E
n
e
rg
ía
 d
e
 f
us
ió
n
 
 D
 +
 T
 
 
 
 H
e
Energía 
de fisión
Energía nuclear
Centrales nucleares: La fisión nuclear
235
 92 UFisión del por un neutrón
Ejem plo de una de las
reacciones que tienen 
lugar en un reactor nuclear
235
 92 U
236
 92 U
Im pacto de 
un neutrón
 
elemento
inestable
 
Kr
89
36
rayo γ
rayo γ
neutrón 
neutrón 
Ba
144
 56
Se liberan 
unos 215 M eV
de energía
 
235
 UFisión del por un neutrón
Reacción de 
fisión en cadena
Los neutrones liberados producen nuevas fisiones de uranio Funcionamiento de un reactor
1. Com bustible: Isótopo fisionable (235U, 239Pu) o isótopo fértil 
 (238U, 232Th, que form an 239Pu y 235U al colisionar con neutrones). 
 El com bustible típico en la actualidad: M ezcla de óxidos de U y Pu 
2. M oderador: Agua, agua pesada, grafito, sodio m etálico: Frenan 
 la velocidad de los neutrones para optim izar reacción en cadena. 
3. Refrigerante: Agua, agua pesada, CO 2, grafito, sodio m etálico: 
 Captan el calor generado, que se transm ite a la turbina de 
 generación eléctrica o de propulsión. 
4. M aterial de control: Cadm io o Boro. Son m uy buenos absorbentes 
 de neutrones. Controlan el ritm o de la reacción en cadena o la paran. 
5. Blindaje: Horm igón, plom o, acero, agua: evitan la fuga de 
 radicación gam m a y de neutrones rápidos. 
6. Seguridad: Elem entos de control activos (electrónicos) y 
 pasivos (arquitectónicos)
5
Funcionamiento de un reactor nuclear de fisión típico
 C
o
m
b
u
st
ib
le
 n
u
cl
e
ar
 Reactor
Barras de control
 Arm adura de horm igón 
 vapor 
 Turbina 
 Generador
 Agua 
 fría 
 Bomba de agua
 línea
 eléctrica
Refrigerante
Residuos radiactivos
a) Residuos de alta actividad: Em iten altas dosis de radiación. 
Formados por los restos que quedan de las varillas del uranio que se usa 
com o com bustible en las centrales nucleares y otras sustancias que 
están en el reactor y por residuos de la fabricación de armas atóm icas.
Tam bién algunas sustancias que quedan en el proceso m inero de 
purificación del uranio. 
plutonio 239 (vida media de 24 400 años), 
neptuno 237 (vida m edia de 2 130 000 años)
plutonio 240 (vida media de 6 600 años).Se almacenan en contenedores resistentes, en zonas geológicas estables
b) Residuos de m edia o baja actividad: 
Em iten cantidades pequeñas de radiación. Herram ientas, ropas, piezas 
de repuesto, lodos, etc. de las centrales nucleares, Hospitales, 
laboratorios de investigación, industrias, etc.
Se almacenan cerca de la superficie. En España, en El Cabril (Córdoba)
Fusión nuclear: 
conversión de dos núcleos de Hidrógeno en uno de Helio
4
2 He
2
 1H
3
 1H
neutrón
Deuterio
Tritio
4
2 He +
3
 1H
6
3 Li + neutrón
El tritio se
produce
a partir de
Diagrama de un reactor de Fusión
Plasma 
gas cargado 
con núcleos de 
Deuterio y Tritio
 y electrones a
≈ 50 000 000 K
plasma
Plasma confinado
magnéticamente
Reactor de Fusión 
Europeo: JET
cam po polar
electroim anes polares 
internos y externos
electroim anes 
toroidales
cam po 
m agnético
toroidal
cam po 
neto
Confinamiento magnético
en un Reactor de Fusión
Tam año de una persona
6
Comportamiento ondulatorio de la materia
v
v
Interferencia de ondas electromagnéticas:
El experimento de la doble rendija (Young, 1801)
lá
m
p
ar
a
rendija
colim adora
doble
rendija
patrón de 
Interferencia
 constructiva (m áxim os) 
 y destructiva (m ínim os)
Interferencia de ondas materiales:
El experimento de la doble rendija ¡con electrones!
experimento con luz experimento con electrones
¡Las partículas presentan propiedades ondulatorias!
Interferencia con átomos de helio 
Descripción ondulatoria de las partículas (M ecánica Cuántica)
Longitud de onda de 
una partícula m aterial
(de Broglie, 
prem io N obel 1919)
λ h
m v
=
Constante de 
 Planck
M om ento lineal
(m asa x velocidad)
∂ ψ(x, t) ηη2 ∂2 ψ(x, t)
 ∂ t 2m ∂ x 
2 i ηη = - + V(x,t) ψ(x, t)
Ecuación de Schrödinger para ondas m ateriales (en una dim ensión)
(com parar con la ecuación de ondas clásica, considerando V(x,t)=0)
i número im aginario, ηη = h/2π, V(x,t): energía potencial
ψ(x, t)
am plitud de 
probabilidad
de la partícula
|ψ(x, t)|2
probabilidad
de encontrar 
la partícula
Significado de la
función de onda