Post on 15-Mar-2020
FÍSICA MODERNA
FÍSICA NUCLEAR Y DE PARTÍCULAS
José Luis Rodríguez Blanco
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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.
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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
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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)
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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
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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
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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
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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 ++→++′→ −−+
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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, ...)
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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
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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
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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
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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
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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
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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