Conceptos de Física Nuclear

1. Conceptos de Física Nuclear Ing. Jorge O. Odetto

2. Modelo atómico 1803 De Dalton (1776–1844) Ya en los siglos VI y V a. C. los filósofos griegos sostenían que la materia estaba constituida por pequeñas partículas indestructibles a las que llamaron átomos. Dalton los define como partículas muy pequeñas, indivisibles e indestructibles.

3. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + Modelo atómico 1897 De Thompson (1856–1940) Demostró la existencia de los electrones, cargados negativamente. Los supuso colocados dentro de una distribución uniforme de carga positiva, la cual ocupa una esfera cuyo radio sería de unos 10-8cm.

4. Con sus discípulos, Geiger y Marsden, bombardearon láminas muy delgadas de oro con un haz de partículas alfa. Comprobando que, la mayoría de las partículas la atravesaban sin desviarse, algunas se desviaban un poco y unas pocas rebotaban. Concluyeron que los átomos estaban constituidos por un núcleo pequeño de carga positiva rodeado de un espacio + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ vacío mucho mayor con cargas negativas. Modelo atómico 1909 De Rutherford (1871–1937)

5. Modelo atómico 1913 De Bohr (1885-1962) Combinó la teoría cuántica de Planck con el modelo atómico de Rutherford. Estableció un núcleo muy pequeño en el centro con cargas positivas, rodeado por los electrones distribuidos en orbitas o niveles de energía.

6. Modelo atómico 1950 De la mecánica cuántica Sostiene que los electrones son partículas muy pequeñas (cuánticas). No es posible determinar exactamente su posición y velocidad. Se puede encontrar una probabilidad de ubicarlo en una dada región de la órbita, por lo que se los representa como una “especie de nube” alrededor del núcleo.

7. Representaciónmasusual de un átomo

8. Número Atómico – Número Másico • Número Atómico :Es el número de protones ( Z ) que tiene el núcleo. Ej. : Uranio Z= 92 • Número Másico :Es la suma de los protones y ( A ) de los neutrónes que tiene el núcleo. Ej. : Iodo I-131 (Z= 53) 53 protones y 78 neutrónes 53 + 78 = 131

9. Símbolo : H A Z Ej. : Calcio 40 Ca 40 20 Nucleidos

10. El hidrógeno Es el mas liviano de todos los elementos. Esta formado por un protón (núcleo) y un electrón N0 atómico Z = 1 (1 protones) N0 másico A = 1 (1 protones)

11. No Atómico (no varía) No de Masa (aumenta) ISÓTOPOS El hidrógeno H1(hidrógeno)Z= 1A= 1(1 protón) H2(deuterio)Z= 1A= 2(1 protón + 1 neutro) H3(tritio)Z= 1A= 3(1 protón + 2 neutro)

12. El uranio En estado natural el uranio está compuesto por el 238 (97,3%), el 235 (0.7%) y el 234 (0.005%) Artificialmente se pueden obtener 13 isótopos mas, del 226 al 242 (no se forma el 241). N0 atómico Z= 92 (92 protones) N0 másico A=238 (92 protones +146 neutrones)

13. Equivalencia entre Masa y Energía Para la determinación de la unidad de masa atómica (uma), se toma como referencia la masa del Carbono 12. Masa del 12C= 12 uma (unidad de masa atómica) 1 uma = 1,660559 x 10-27 Kg Masa del protón = 1,007276 uma Masa del neutrón = 1,008665 uma Masa del electrón = 0,0005486 uma

14. Energía de Enlace ΔM = [ Z (mp + me) + (A-Z) mn ] – M> 0 ΔM = Defecto másico ΔM = Z . 1,007825 + (A-Z) 1,008665 – M ΔM = Z . mH + N . Mn – M Eu Eu: Energía para separar el núcleo en sus nucleones constitutivos.

15. Equivalencia entre Masa y Energía E = mc2 Si la masa (m), se expresa en Kg y la velocidad de la luz (c), en m/seg, obtenemos la energía en kg.m2/seg2 = Joule (J). Considerando que 1J=6.24x1018eV (electrón volt), obtenemos la siguiente equivalencia 1 uma Ξ931,5x106 eV= 931,5 MeV (1Mega = 106) E (MeV) = 931,5 x m (uma)

16. Ejemplo de cálculo NÚCLEO DE 2He4 = 2 neutrones + 2 prot. Masa = 2 1H1 = 2,01628 uma + 2 0n1 = 2,01796 uma 4,03424 uma Masa exacta del 2He4 4,00387 uma Δm = 0,003037 uma !!! E = Δm c2 = 0,003037 x 931,5 = 2,83 MeV

17. DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA

18. Existen núcleos: Estables :No cambian a través del tiempo Naturales: Artificiales: Inestables:Se transforman a través del tiempo en otras especies

19. SÍNTESIS LA RADIACTIVIDAD ES: • UN PROCESO PURAMENTE NUCLEAR • UN PROCESO ESPONTÁNEO • UNA REACCIÓN OPUESTA A LA ESTABILIDAD • UNA REACCIÓN EXOENERGÉTICA • UN PROCESO PROBABILÍSTICO • UN PROCESO DE EMISIÓN DE PARTÍCULAS O RADIACIONES

20. b- (electrón) b+ (positrón) RADIACIONES a g NÚCLEO n b

21. Desintegración ALFA()

22. Ej.: Desintegración ALFA() (núcleo madre) (núcleo hija)

23. - + b b Desintegración BETA ()

24. Ej.: Desintegración BETA neg. (-) (núcleo madre) (núcleo hija)

25. Ej.: Desintegración BETA pos.(+) (núcleo madre) (núcleo hija)

26. Desintegración Gamma ()

27. Desintegración Gamma () En la desintegración  y  el nucleido hija puede quedar momentáneamente en un estado excitado (energía mayor que la correspondiente al nivel de la hija). Ese exceso de energía rápidamente lo emite como radiación gamma. La radiación gamma (γ) (o rayos gamma) es un tipo de radiación electromagnética, y por tanto formada por fotones

28. Ej. Desintegración Gamma ()

29. H2O H2O* molécula de agua molécula de agua excitada 2 H2O H2O2 + H2 2 moléculas de molécula de agua molécula de agua excitadas oxigenada hidrógeno Radiaciones Ionizantes (Interacciones de partículas y ) Excitación: Laenergía no alcanza para arrancar un electrón

30. O2 + O2 + e- molécula de oxígeno molécula de oxígeno ionizada N2+N2 + e- molécula de nitrógeno molécula de nitrógeno ionizada número de pares iónicos Ionización específica = cm de trayectória Radiaciones Ionizantes (Interacciones de partículas y  Ionización: La energía alcanza para arrancar un electrón y producir una ionización. P.Ej. en el aire: Ej. Aire :  ( 4 uma) : 50.000 a 100.000 pares iónicos/cm  ( 0,00055 uma) : 30 a 300

31. IONIZACION ESPECIFICA R DISTANCIA DESDE LA FUENTE Pérdidas en el aire : ~ 34 eV por par iónico Ej:  de 5 Mev  5 x 104 pares/cm  alcance 3 cm Interacción de las Radiaciones Las partículas alfa son todas monoenergéticas (o como máximo 3 o 4 niveles de energía), por lo tanto todas las de igual energía tienen el mismo alcance en un material, como se observa en la gráfica

32. Interacción de las Radiaciones  alcance de  en el aire • PODER DE FRENADO = (relativo) alcance de  en el material absorbente Agua = 1000 Aluminio = 1600 Plomo = 5000: 1000R x  (mg/cm) Ej: aire 5 cm papel ó tejido vivo 0,005 cm

33. Nº de Partículas  Energia Emax. Interacción de las Radiaciones • Pérdidas en el aire : ~ 34 eV por par • Tienen distribución continua de energía

34. Interacción de las Radiaciones  • Experimentan gran dispersión • Absorción N(x) = N0 . e-x • Radiacion de frenado (bremsstrahlung) • Radiación de aniquilamiento ( + )

35. Interacción de los rayos X y  • Interacción de rayos X y Gamma con electrones : • Efecto fotoeléctrico • Efecto COMPTON • Interacción de rayos Gamma con núcleos : • Creación de pares

36.  Proceso :Interacción entre un rayo y un electrón interno del material que penetran • Consecuencias : • El rayo cede toda su energía al electrón • Si h. > Eenlace el electrón sale despedido con Ec = h._- Eenlace • Probabilidad de interac. Fotoeléctrica  Cte. x Zn/ E3  Efecto Fotoeléctrico Fotolectrón e- Fotón incidente

37.  Proceso :Interacción entre un rayo y un electrón externo • Consecuencias : • El rayo cede parte de su energía al electrón y es dispersado. • El fotón dispersado prosigue con energía reducida • El electrón dispersado recibe la diferencia de energía entre la del • fotón incidente y el dispersado Ec = h - h´ • Probabilidad de interac. Compton  Cte. x Z / E  Efecto COMPTON Electrón COMPTON Fotón incidente Fotón dispersado

38.  Proceso :Interacción entre un rayo en las proximidades del núcleo atómico ( E  1,02 Mev ) Formación de Pares e+ Fotón incidente e- • Consecuencias : • El fotón se convierte en un electrón y un positrón • Ec + Ec´ = h._- 2 m c2 • Probabilidad de producción de pares  Cte. x Z 2 .( E- 1,02)

39. Atenuación de los rayos Ley exponencial de atenuación : Ix = I0 . e -  x : coeficiente de atenuación lineal X : espesor del material

40. RADIACION Alcance aprox Se originan en Aire Agua Alfa 2-8 cm 20-40  Núcleos pesados Beta negativa 0-10 m 0-1 mm Núcleos con alta relación n/p Beta positiva 0-10 m 0-1 mm Núcleos con baja relación n/p Partículas Neutrón 0-100 m 0-1 m Reacciones nucleares Rayos X mm- 10 cm - cm Transiciones entre electrones orbitales Ondas electrom. Rayos Gamma cm-100 m mm-10 cm Transiciones nucleares Alcance de la Radiaciones

41.  no tiene carga eléctrica • No interacciona con electrones • Materia vista por • c) No tiene repulsión del núcleo Partículas cargadas Neutrones Partículas cargadas Neutrones Interacción de Neutrones con la materia

42. RADIACIONES NUCLEARES

43. LEYES DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA

44. Ley de Desintegración DN= -lN Dt

45. Ley de Desintegración l:Constante de desintegración Probabilidad por unidad de tiempo de que un núcleo cualquiera se desintegre. N0:número de átomos de un radionucleido en el instante t=0 N:número de átomos de un radionucleido en el instante t

46. Unidades :1 Becquerel (Bq) = 1 desintegración/segundo 1 Curie (Ci) = 3,7 x1010 Bq Actividad (A): Es el número de desintegraciones que se producen por unidad de tiempo

47. PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN: Tiempo necesario para que un número estadísticamente significativo de átomos se reduzca a la mitad

48. Ej.: VIDA MEDIA: Tiempo promedio que viven los átomos de una fuente

49. Equivalencias entre unidades de Radiactividad

50. Curva de Decaimiento