FISICA NUCLEAR Y NÚCLEO ATÓMICO

FÍSICA NUCLEAR

LAURA DANIELA GÓMEZ CARDOZO

HERNAN CÓRDOBA

JOHN FREDY SALAS RODRÍGUEZ 

UNIVERSIDAD COLEGIO MAYOR DE CUNDINAMARCA

BIOFÍSICA

FACULTAD CIENCIAS DE LA SALUD

BACTERIOLOGÍA Y LABORATORIO CLÍNICO

BOGOTÁ, D.C

2016

   

     Para empezar a hablar del tema, primero optaremos por entender que es lo que en realidad estudia la física nuclear. La física nuclear es la ciencia que estudia los núcleos atómicos, su estructura, los modos en que se desintegran, como interactúa con sus constituyentes elementales y a su vez como interactúan con otros núcleos. 

Teniendo claro de que se encarga la física nuclear, podemos proceder a hablar a fondo del núcleo atómico.

Empezaremos por describir que conforma el núcleo atómico y algunas terminologías que derivan de éste.

El núcleo es una de las partes del átomo, en donde se encuentran los neutrones (no tienen carga) y los protones (+) quienes son llamados nucleones.

http://rinconeducativo.org/contenidoextra/radiacio/657374727563747572615f64656c5fc3a1746f6d6f5f5245544f4341444f.GIF 

El número atómico esta dado por el número de protones que se hallan en el núcleo, este número coincide con el número de electrones que se hallan en la corteza (la otra parte del átomo), el número atómico se representa con la letra Z.

En cuanto se hace referencia a la masa atómica de un átomo, se dice que es igual a la suma de neutrones y protones que forman el mismo. Se representa mediante la letra A.

A= Neutrones + Protones

Teniendo esto presente, decimos que un elemento está formado por átomos que tienen un mismo número atómico. En un átomo el número de neutrones puede variar, a veces hay mas neutrones que protones, es por esto que se presenta el mismo número atómico (Z) pero diferente número másico o masa atómica (A) y se dice que es un isótopo.

Representación gráfica de un isótopo.

http://www.ehu.eus/biomoleculas/isotopos/jpg/c2f11.gif

Para medir la masa atómica de un átomo se utiliza la unidad de masa atómica (u).

1 u = 1,6605 x 10^-27 Kg

Ejemplo: 

El cloro natural está formado por un 75% de un isótopo con A=35 y Z=17 de Cl y en un 25% de un isótopo con A=37 y Z=17 de Cl. Calcula la masa atómica del cloro natural.

Solución: En cien partes de cloro natural hay 75 de el isótopo A=35, Z=17 de Cl y 25 del isótopo A=37, Z=17 de Cl. Como las masas atómicas de los isótopos son 35 y 37 u respectivamente, la masa de esas cien partes de cloro natural será 75 . 35 u + 25 . 37 u. Por tanto, la masa de una parte vendrá dada por

75 . 35 u + 25 . 37 u / 100 = 35.5 u

FUERZA NUCLEAR

La fuerza nuclear es una fuerza atractiva que permite junto con la fuerza eléctrica el equilibrio en el núcleo atómico, si esta no existiera las fuerzas repulsivas entre las cargas de los protones harían el núcleo inestable.

Esta fuerza presenta tres características:

• Es una fuerza de corto alcance. Su radio de acción es de unos 10^-15m. Esta longitud se le conoce como femtómetro.
• Es atractiva y no depende de la carga. Se ejerce entre los protones, entre los neutrones y entre estos dos de igual manera.
• Su intensidad es muy elevada, incluso más que la de la fuerza electromagnética.

ENERGÍA DE ENLACE

Para poder hablar de energía de enlace, debemos tener presente otros conceptos que nos llevaran a éste.

Defecto de masa: El defecto de masa es la diferencia entre la masa del núcleo y el total de las masas de los nucleones (Protones u y Neutrones u). El equivalente en energía del defecto de masa, que se libera cuando se forma el núcleo, recibe el nombre de energía de enlace.

La energía de enlace de un núcleo es la energía liberada en la formación de este a partir de los nucleones libres, o la necesaria para disgregar un núcleo y separar sus nucleones.

Estabilidad nuclear: Esta estabilidad se da cuando en el núcleo hay mayor presencia de neutrones que de protones, ya que disminuye la repulsión eléctrica de los protones, al intercalarse entre ellos.

Energía de enlace por nucleón: Esta energía se obtiene de dividir la energía nuclear por la masa atómica, y se denomina como la energía que se libera cuando se añade al núcleo uno de sus nucleones constituyentes.

Eb/A

Eb: Energía Nuclear.

A: Masa Atómica.

DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA

El concepto de radiactividad aparece cuando Marie Curie comprobó que algunos elementos pesados, como el radio y el polonio, presentaban una desintegración.

La radiactividad es la desintegración espontánea d núcleos pesados inestables.

Clases de Radiaciones: En la desintegración radiactiva se emiten tres tipos de rayos alfa, beta y gamma. Tienen dos características la primera es la de penetración en la materia y la segunda de ionización del aire, la penetración está relacionada con la masa y la ionización con la carga eléctrica.

Los rayos alfa son núcleos de Helio, los rayos beta están formados por electrones y los rayos gamma son ondas electromagnéticas de frecuencia muy alta.

En la desintegración alfa se encuentran los núcleos de elementos que presentan un número atómico elevado.

La desintegración beta se presenta en los núcleos que presentan muchos nucleones.

La desintegración gamma se da en un núcleo excitado que pasa al estado fundamental emitiendo radiación electromagnética.

En las reacciones nucleares se debe presentar tres cosas:

 1.Conservación del número de nucleones
 2.Conservación de la carga.
 3.Conservación masa-energía y cantidad de movimiento.

DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA: LEYES DE SODDY

Estas leyes aparecen debido a la conservación de nucleones y de la carga que se cumple en las reacciones nucleares, diciendo que en la desintegración de un núcleo se emiten rayos y se convierte en otro núcleo diferente del original. Estas leyes permiten deducir el núcleo formado.

Desintegración Alfa:

Cuando un núcleo se desintegra en partículas alfa, el núcleo que se forma tiene una masa atómica cuatro unidades menor a la del núcleo original y el número atómico es dos unidades menor a la del núcleo original.

http://apuntesmedicina.thinkingspain.com/wp-content/uploads/2010/06/desintegraci%C3%B3n-alfa.jpg 

Esta desintegración emite una cantidad energía que se da por el defecto de masa, y se reparte en forma de energía cinética entre el núcleo formado y la partícula alfa (Helio 4 (A) – 2 (Z)).

Desintegración Beta: La emisión de partículas beta producen un núcleo nuevo en donde la masa atómica no cambia pero su número atómico es superior al del núcleo original, además producen electrones. La producción de electrones se da debido a la inestabilidad que presenta el núcleo debido al exceso de neutrones que se encuentran en él, esta producción permite una estabilidad al núcleo.  

http://apuntesmedicina.thinkingspain.com/wp-content/uploads/2010/06/desintegracion-beta.jpg 

Desintegración gamma: Cuando un núcleo se desintegra en rayos gamma, su número atómico y su masa atómica no cambian, lo que sucede es que el núcleo pasa de un estado de excitación a un estado fundamental o normal. Los rayos gamma son fotones de una energía que es igual a la diferencia de energía del núcleo excitado y del núcleo estable.

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FAMILIAS RADIACTIVAS

En la desintegración de un núcleo se produce otro núcleo, esto ocurre repetitivamente hasta llegar a un núcleo estable. El conjunto de núcleos que se forman partiendo de uno inicial a otro núcleo más estable, se llaman familia o serie radiactiva.

Existen tres familias radiactivas:

Familia del uranio-238 : Esta parte de un núcleo de uranio U con A=238 y Z= 92 y termina en el núcleo de plomo Pb con A=206 y Z= 82.

Familia del actinio (uranio-235): Parte de un núcleo de uranio U con A=235 y Z=92 y termina en el núcleo de plomo Pb con A=207 y Z=82.

Familia del torio: Parte del núcleo de torio Th con A=232 y Z=90 y termina en el núcleo de plomo Pb con A=208 y Z=82.

LEY DE LA DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA

Cuando se dice que un material esta formado por N0 núcleos y después de un tiempo t, quedan N núcleos sin desintegrar, se demuestra que se cumple

https://fisica-atomica-nuclear-2.wikispaces.com/file/view/formula%201.gif/513877366/formula%201.gif

En esta fórmula la variable lambda hace referencia a la constante de desintegración radiactiva, que en cada sustancia es diferente.

PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN:

Esto hace referencia al tiempo que tarda cierta cantidad de núcleos presentes en una muestra en desintegrase a la mitad. 

http://facilitamos.catedu.es/previo/secundariabiologiaygeologia/BIOyGEO_U5_1_tierracambianteZIP/ecuacion02.png 

REACCIONES NUCLEARES

Las reacciones nucleares son procesos en donde intervienen directamente los núcleos atómicos en donde se transforman otros distintos.

Como ya se había mencionado anteriormente, en estas desintegraciones de los núcleos se debe conservar 4 cosas:

- Conservación de nucleones : A de los Reactivos = A de los Productos
- Conservación de la carga eléctrica: Z de los Reactivos = Z de los Productos.
--  Conservación de la cantidad de movimiento: Movimiento total de os Reactivos =              Movimiento total de los Productos.
-Conservación de la masa-energía: Diferencia masa de los Reactivos y masa de los Productos, produce energía que puede ser à Exoenergética cuando la diferencia en masa es mayor a 0 y Endoenergética cuando la diferencia en masa es menor a 0.

Existen dos tipos de reacciones: Reacciones de Fusión y Reacciones de Fisión.

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     REACCIONES DE FUSIÓN: En este tipo de reacción los núcleos más ligeros se combinan y dan origen a núcleos más estables y pesados, en este tipo de reacciones la energía liberada alta.

·      REACCIONES DE FISIÓN: Este es el caso opuesto de las reacciones de fusión, en este tipo de reacciones nucleares los núcleos más pesados se desintegran para dar origen a otros más ligeros, en este tipo de reacción la energía que se libera es muy alta y para controlarla se debe tener una sustancia llamada moderador, que regula el incremento de neutrones que se presentan en esta reacción, las bombas nucleares se basan en este tipo de reacciones.

APLICACIONES A LA SALUD

- Las radiaciones ionizantes se llevan empleando de manera habitual en la medicina desde principios del siglo XX.

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     - Diagnóstico: Equipos de rayos X, gammagrafías, TAC (Tomografía Axial Computarizada),     PET (Tomografía por emisión de positrones), RMN (Resonancia Magnética Nuclear).

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      - Radioterapia: Usando las radiaciones ionizantes para destruir células y tejidos malignos.

·         

     - Medicina Nuclear: Administración de sustancias radiactivas en el ser humano para seguir su curso desde el exterior, con un detector de radiación.

FUNCIONAMIENTO DE LA GAMMAGRAFÍA OSEA: Se inyecta en la sangre una sustancia radiactiva que se fija a los huesos, con un detector (gammacámara) se puede detectar la radiactividad que emite el hueso, lo que refleja la cantidad de sustancia que se ha fijado en este.

Ejemplo: Cuando un hueso presenta infección o algún tumor, la sustancia radiactiva se fija más y es esto lo que detecta la gammacámara.

VIDEOS

https://www.youtube.com/watch?v=Ow43eYvPy_A

https://www.youtube.com/watch?v=aQRJ-CQlCWY

https://www.youtube.com/watch?v=RP2Rgv1S3Dk

ACTIVIDADES

1). Resolver el crucigrama de acuerdo a los conceptos dados.

VERTICALES:

 1.Equivalente en energía del defecto de masa.

 2.Se encuentran en la corteza del átomo.

      3.Se dividen en reacciones de fisión y fusión.

      4.Parte externa del átomo.

     HORIZONTALES:

    1.Forman el núcleo del átomo.

    2.Tipo de reacción nuclear que se presentan en las bombas nucleares.

    3.Número de protones de un núcleo.  

    4.Suma de protones y neutrones de un núcleo.

   2). Resolver el siguiente ejercicio teniendo en cuenta las formulas y las leyes de conservación para los isotopos.

Sabiendo que el oxígeno 16 tiene 8 protones en su núcleo y su masa atómica es 15,994 u, calcula:
 A)    Su defecto masa.
 B)    La energía de enlace.
 C)    La energía de enlace por nucleón.

Datos: masa del protón=1,0073 u; masa del neutrón= 1,0087 u; 1 u=1,6606 x 10^-27 Kg; c= 3 x 10^8 m/s.

3). En la reacción del A=3 y Z=6  de Li con un neutrón se obtiene un núclido X y una partícula alfa. Escriba la reacción nuclear y determine las características del núclido X resultante.