Física Nuclear
Y DE PARTÍCULAS
LOS PIONEROS
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>Wilhelm C. RÖNTGEN:
Descubre los Rayos X
(1896).
Nobel de Física 1901.
>Henry BECQUEREL, Pierre
CURIE, Marie CURIE(Sklodowska)
Nobel de Física 1903 por el
descubrimiento de la
radiactividad en minerales
de Uranio (1896-1898).
•
> Ernest RUTHERFORD:
Rayos alfa.
Nobel de Química 1908
•
> Marie CURIE: El Radio y el
Polonio. Nobel de Química
1911
Radiactividad
• El fenómeno de la radiactividad fue
descubierto casualmente por Henri
Becquerel(a la izquierda) en 1896. Estudiaba
los fenómenos de fluorescencia y
fosforescencia, para lo cual colocaba un
cristal de Pechblenda, mineral que contiene
uranio, encima de una placa fotográfica
envuelta en papel negro y las exponía al sol.
Cuando desenvolvía la placa la encontraba
velada, hecho que atribuía a la fosforecencia
del cristal. Los días siguientes no hubo sol y
dejó en un cajón la placa envuelta con papel
negro y con la sal de Uranio encima. Cuando
sacó la placa fotográfica estaba velada, y no
podía deberse a la fosforescencia ya que no
había sido expuesta al sol. La única
explicación era que la sal de uranio emitía
una radiación muy penetrante. Sin saberlo
Becquerel había descubierto lo que Marie
Curie llamaría más tarde radiactividad.
Mme. Curie junto a su esposo Pierre Curie, empezaron a
estudiar el raro fenómeno que había descubierto Becquerel.
Estudiaron diversos minerales y se dieron cuenta de que otra
sustancia el torio, era "radiactiva", término de su invención.
Demostraron que la radiactividad no era resultado de una
reacción química, sino una propiedad elemental del átomo. El
fenómeno de la radiactividad era característico de los núcleos
de los átomos. En 1898 descubren dos nuevas sutancias
radiactivas: el radio y el polonio, mucho más activas que el
uranio. Pierre estudiaba las propiedades de la radiación, y
Marie intentaba obtener de los minerales las sustancias
radiactivas con el mayor grado de pureza posible. Pierre
probó el radio sobre su piel, y el resultado fue una quemadura
y una herida, pronto el radio serviría para tratar tumores
malignos. Era el comienzo de las aplicaciones médicas que
Mme. Curie daría a la radiactividad. En 1903 recibieron el
premio Nobel de física junto con Becquerel por el
descubrimiento de la radiactividad natural.
Al poco tiempo murió Pierre Curie en un accidente debilitado
como estaba por el radio. Mme. Curie siguió trabajando y fue
la primera mujer que ocupó un puesto en la Universidad de la
Sorbona en Paris. Siguió investigando junto a Ernest
Rutherford, quien encontró que la radiación que emitían las
sustancias radiactivas, tenía tres componentes que
denominó:alfa, beta y gamma.
Mme. Curie siguió estudiando el fenómeno de la radiactividad
durante toda su vida, prestando especial atención a las
aplicaciones médicas de la radiactividad junto con los rayos
X, recien descubiertos. Agotada, casi ciega, los dedos
quemados y marcados por su querido radio, Mme Curie murió
a los 60 años de leucemia en 1934. Su hija Irene continuó su
trabajo con la misma pasión junto a su marido, con el que
descubrió la radiactividad artificial y por lo que recibieron el
premio Nobel.
Clases de radiación
Se comprobó que la radiación puede ser de tres clases
diferentes:
Radiación alfa: Son flujos de partículas cargadas positivamente
compuestas por dos neutrones y dos protones (núcleos de
Helio). Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son
poco penetrantes aunque muy ionizantes.
Radiación beta: Son flujos de electrones (beta menos) o
positrones (beta más) resultantes de la desintegración de los
neutrones o protones del núcleo cuando este se encuentra en
un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos. Es
más penetrante aunque su poder de ionización no es tan
elevado como el de las partículas alfa. Por lo tanto cuando un
átomo expulsa una partícula beta aumenta o disminuye su
número atómico una unidad (debido al protón ganado o
perdido).
Radiación gamma: Son ondas electromagnéticas. Es el tipo más
penetrante de radiación. Al no tener carga, los campos
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Clases de radiaciones
Al estudiar el fenómeno de la radiactividad, Rutherford descubrió que la radiación
emitida por una desintegración radiactiva podía ser de tres clases:alfa, beta y
gamma; además también hay que considerar la emisión de neutrones.
La radiación alfa (a):
Está formada por núcleos del isótopo 4 del helio, es decir, está constituida por una
radiación corpuscular, en la que cada corpúsculo está formado por dos protones y
dos neutrones. Ello significa que tiene una masa atómica de 4 u. y una carga
eléctrica de 2 unidades positivas. Estos protones y neutrones formaban antes parte
del núcleo que se ha desintegrado.
La radiación beta (b):
Está constituida por electrones, lo que significa que es también de naturaleza
corpuscular, en la que cada corpúsculo tiene una masa atómica 1/1800,
aproximadamente, y una carga de 1 unidad negativa. A diferencia del caso anterior,
el electrón emergente no existía anteriormente en el núcleo sino que procede de la
transformación de un neutrón en un protón, que queda dentro del núcleo, y el
electrón que es eyectado.
Posteriormente, se descubrió la radiación beta positiva, semejante a la beta pero
con carga positiva. Está formada por positrones procedentes de la transformación
de un protón en un neutrón.
La radiación gamma (g):
Es de naturaleza electromagnética, semejante a la luz ordinaria o a la radiación X,
pero con mucho menor longitud de onda. Es, por lo tanto, de naturaleza
ondulatoria, carente de masa en reposo y de carga. Esta radiación tampoco existía
antes en el núcleo, sino que es energía que se emite como consecuencia de un
reajuste enrgético del núcleo.
Neutrones:
En la fisión espontánea, así como en la fisión inducida y en otras reacciones
nucleares, se produce una radiación de neutrones, formada por estas partículas,
con masa, por lo tanto, de 1 u. y sin carga.
¿CÓMO CAMBIAN LOS NÚCLEOS AL EMITIR
ALFA, BETA , GAMMA O NEUTRONES?
Masa Atómica
A=N+Z
Número
Atómico
Z
Número de
Neutrones
N
EL ÁTOMO
Las partículas ALFA son núcleos de HELIO
(dos protones y dos neutrones).
TIENEN MUCHA MASA (4) Y TAMBIEN CARGA (2)
EL NÚCLEO CAMBIA por efecto de la EMISIÓN ALFA
Las partículas BETA son ELECTRONES o POSITRONES
MUY POCA MASA Y UNA UNIDAD DE CARGA (1)
También se emiten NEUTRINOS
EL NÚCLEO CAMBIA AL EMITIR una BETA
Las partículas GAMMA son FOTONES
NO TIENEN MASA NI CARGA
SON RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA como la LUZ
VISIBLE
pero de mucha MAYOR ENERGÍA
EL NÚCLEO NO CAMBIA
Los NEUTRONES
TIENEN MASA (1) PERO NO TIENEN CARGA (0)
SON MUY PENETRANTES Y DIFÍCILES DE
DETECTAR
EL NÚCLEO CAMBIA
REACCIONES NUCLEARES QUE PRODUCEN
NEUTRONES
Series Radiactivas
•
•
Cuando un núcleo se va desintegrando, emite radiación y da lugar a otro
núcleo distinto también radiactivo, que emite nuevas radiaciones. El
proceso continuará hasta que aparezca un núcleo estable, no radiactivo.
Todos los núcleos que proceden del inicial(núcleo padre) forman una serie
o cadena radiactiva. Se conocen cuatro series o familias radiactivas, tres
de las cuales existen en la naturaleza ya que proceden de los radionúclidos
primigenios. Se llaman radionúclidos primigenios a aquellos que sobreviven
en la Tierra desde su formación. Esto se debe a que su semivida es
comparable a la edad de la Tierra.
Las tres series que existen en la naturaleza son la del Th-232, U-238 y Ac227, la otra serie radiactiva es laa del Np-297, que debería haberse
extinguido, pero las pruebas nucleares relizadas han liberado estos núcleos
y por lo tanto ha vuelto aparecer esta cadena radiactiva. En cada serie
todos los núcleos están relacionados, en la del Th-232, por ejemplo, todos
los núcleos de la serie tienen números másicos iguales a 4n, siendo n un
número entero cualquiera. En la tabla siguiente están las distintas series
radiactivas.
NºMásico
Cadena del
Padre Semivida (años) Producto final
4n
Torio
Th-232
1.41 1010
Pb-208
4n+1
Neptunio
Np-237
2.14 106
Pb-209
4n+2
Uranio-Radio
U-238
4.51 109
Pb-206
4n+3
Uranio-Actinio
U-235
7.18 108
Pb-208
Serie radiactiva U 238
Los RAYOS X : son como los RAYOS GAMMA
NO TIENE MASA NI CARGA pero
1000 veces MENOS ENERGÉTICOS
SE PRODUCEN EN LA CORTEZA ELECTRÓNICA DEL
ÁTOMO
PRODUCCIÓN DE RAYOS X
Las radiaciones ALFA, BETA, GAMMA y los Rayos X comunican su energía
principalmente a los ELECTRONES que hay en todos los materiales. Se dice
que son RADIACIONES IONIZANTES porque ARRANCAN electrones de los
átomos y las moléculas, modificando su comportamiento.
¿Y los NEUTRONES? Esa es otra historia… (¡ no tienen carga!).
GRACIAS A ESTAS INTERACCIONES PODEMOS CONSTRUIR DETECTORES
Este experimento muestra cómo
se desvían en un campo
magnético. Es el que aparece en
el escudo de la Real Sociedad
Española de Física RSEF
Este es uno de los EXPERIMENTOS. Podemos distinguir el
TIPO de RADIACIÓN
emitida por una muestra estudiando sólo su ATENUACIÓN.
También podemos saber si un RECIPIENTE está LLENO o VACÍO
¿sabrías cómo hacerlo? (sin pesarlo, claro)
ATENUACIÓN AL ATRAVESAR UN MATERIAL
LA ENERGÍA DE LAS ESTRELLAS
Hans BETHE
Nobel de Física en 1967
LAS ESTRELLAS “QUEMAN” HIDRÓGENO
Las altas temperaturas facilitan que CUATRO PROTONES se
transformen en una partícula ALFA, liberando mucha ENERGÍA
CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS: La irradiación GAMMA (
Co-60) destruye muchas bacterias causantes de enfermedades, y
evita también que los alimentos se pudran, pero sin modificar la
calidad, el sabor o la textura. Además, los alimentos NUNCA
están en contacto con las fuentes radiactivas, y no hay riesgo de
que se transformen en radiactivos.
METABOLISMO DEL FÓSFORO
Se incluye en los fosfatos de los abonos Fósforo-32, (P-32) que
es radiactivo. El Fósforo radiactivo se comporta
químicamente igual que el no-radiactivo, así que con un
contador Geiger
podemos seguir el movimiento del P-32 en las plantas y
entender
cómo utilizan el Fósforo en su crecimiento.
DETECCIÓN DE AGUA
La nave de la NASA Mars Odyssey 2001 proporcionó esta
vista del Polo Sur de Marte detectando neutrones. La zona
azul indica la presencia de HIDRÓGENO bajo la superficie del
planeta, asociadacon baja intensidad de neutrones de energía
intermedia (Febrero 2002).
Gammagrafías
Función renal
Tiroides
Inyectar moléculas con elemento radiactivo
PET
Tomografía de Emisión de Positrones
Moléculas con isótopo radiactivo
PET radioisótopos
T 1/2
C carbono-11 20.3 minutos
O oxígeno-15
2.03 minutos
F fluor-18
109.8 minutos
Br bromo-75
98.0 minutos
TAC
Tomografía Axial Computerizada
Usa Rayos X
Neutrones
James Chadwick, Cambridge, 1932
Nobel 1935
Enrico Fermi, Roma, Chicago,
Nobel 1938
Director del
grupo de
físicos teóricos
del proyecto
Manhattan
DATACIÓN CON
14C
(RADIOCARBONO)
El 14C se forma por el choque de rayos cósmicos con el N de la atmósfera; se forma CO2
radiactivo. Hoy: 1 14C/(1012) 12C. El Radiocarbono es absorbido por las plantas (fotosíntesis)
y pasa a la cadena alimentaria. La concentración de 14C en los tejidos vivos se fija al
formarse éstos, y esa cantidad de 14C va decreciendo continuamente.
A la muerte del ser vivo cesa el intercambio de Carbono y podemos DATAR midiendo la
proporción 14C / 12C. El método se combina con la dendrocronología (anillos de los árboles).
Leyes de la Radiactividad
• Radiactividad: Transformación espontánea de un
elemento en otro. Rutherford y Sodd (1902)
establecieron que:
– Cada nucleido inestable tiene una probabilidad fija de
decaer que es independiente de la T, P, C, etc...
– Esto quiere decir que el número de decaimientos por unidad
de tiempo debe ser proporcional al número de átomos
radiactivos presentes:
– Por lo tanto, la tasa de decaimiento en un sistema cerrado
es:
ó
dN
dN

N
dt
 N
dt
– N = número de átomos radiactivos presentes al tiempo t
–  = constante de decaimiento = probabilidad de que un
átomo radiactivo decaiga por unidad de tiempo (unidades: s–1)
Leyes de la Radiactividad
dN
 N
Arreglando e integrando
N  Noe
 t
dt
– N = número de átomos radiactivos presentes al tiempo t
–  = constante de decaimiento = probabilidad de que un
átomo decaiga por unidad de tiempo (unidades: s–1)
– No= número de átomos radiactivos iniciales (t=0)
¿Y si quisiéramos saber el tiempo transcurrido para que
el número de átomos radiactivos se redujera en la
mitad?
t1 / 2 
Definición de Vida Media (t½)
ln 2

Algunas constantes de la emisión
radiactiva
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•
•
•
Periodo de semidesintegración radiactiva
Se llama constante de desintegración radiactiva (λ) a la constante de
proporcionalidad entre el número de desintegraciones por segundo y el
número de átomos radiactivos (λ = A / N).
Se llama vida media de un radioisótopo al tiempo promedio de vida de un
átomo radiactivo antes de desintegrarse. Es igual a la inversa de la
constante de desintegración radiactiva (τ = 1 / λ).
Al tiempo que transcurre hasta que la cantidad de núcleos radiactivos de un
isótopo radiactivo se reduzca a la mitad de la cantidad inicial, se lo llama
periodo de semidesintegración, simplemente período, semiperiodo,
semivida o vida mitad (T1 / 2 = ln(2) / λ). Al fin de cada período la
radiactividad se reduce a la mitad de la radiactividad inicial. Cada
radioisótopo tiene un semiperiodo característico, en general diferente del de
otros isótopos.
Ejemplos:
IsótopoPeriodoEmisiónUranio-2384510 millones de añosAlfaCarbono145730 añosBetaCobalto-605,271 añosGammaRadón-2223,82 díasAlfa
• 147N + 42He ® 178O + 11H
Velocidad de desintegración
La velocidad de desintegración o actividad radiactiva
se mide en becquerels, Bq, en el SI. Un becquerel
vale 1 desintegración por segundo. También existen
otras unidades como el rutherford, que equivale a
106 desintegraciones por segundo, o el curio, que
equivale idénticamente a 3,7 · 1010 desintegraciones
por segundo (unidad basada en la actividad de 1g de
Radio que es cercana a esa cantidad).
La actividad radiactiva decrece exponencialmente de
acuerdo con la siguiente ecuación:
Notación:
At es la actividad radiactiva en el instante t
A0 es la actividad radiactiva inicial (cuando t = 0)
e es la base de los logaritmos neperianos
t es el tiempo transcurrido
λ es la constante de desintegración radiactiva, que
es propia de cada radioisótopo
Ley de la radiosensibilidad
La ley de la radiosensibilidad dice que los tejidos y órganos más sensibles a
las radiaciones son los menos diferenciados y los que exhiben alta
actividad reproductiva. Como ejemplo, tenemos:
Tejidos altamente radiosensibles: epitelio intestinal, órganos reproductivos
(ovarios, testículos), médula ósea
Tejidos medianamente radiosensibles: tejido conectivo
Tejidos altamente radioresistentes: neuronas, hueso
Consecuencias para la salud de la exposición a las radiaciones
ionizantes
Los efectos de la radiactividad sobre la salud son complejos. Dependen de la
dosis absorbida por el organismo. Como no todas las radiaciones tienen
la misma nocividad, se multiplica cada radiación absorbida por un
coeficiente de ponderación, para tener en cuenta las diferencias. Esto se
llama dosis equivalente, que se mide en sieverts, ya que el becquerel mide
mal la peligrosidad de un elemento puesto que considera como idénticas
los tres tipos de radiaciones (alfa, beta y gamma). Una radiación alfa o
beta es relativamente poco peligrosa fuera del cuerpo. En cambio, es
extremadamente peligrosa cuando se inhala. Por otro lado, las radiaciones
gamma son siempre dañinas puesto que se las neutraliza con dificultad.
Ver artículo: Radiación ionizante
Dosis aceptable de irradiación
En general se considera que el medio ambiente natural (alejado de
cualquier fuente radiactiva) es inofensivo: emite una radiación inferior
a 0,00012 mSv/h o 0,012 mrem/h.
Si se tiene que poner un umbral mínimo de inocuidad, la dosis se
vuelve “peligrosa” a corto plazo a partir de los 0,002 mSv/h o 0,2
mrem/h.
Pero esto es en teoría. Como en el caso de las radiografías, todo
depende del tiempo durante el cual se expone a la persona a las
radiaciones. Las palabras clave son: “Tiempo, Blindaje, Distancia”.
Puede estar bajo una radiación con una dosis de 50 mSv/h sin
arriesgar su vida si no está más de 5 s expuesto a la fuente, puesto
que la dosis recibida es muy débil.
Por ejemplo, aquí se muestran las dosis actualmente toleradas en los
diferentes sectores de una central nuclear:
Zona
Dosis
Zona azul
de 0,0025 a 0,0075 mSv/h
Zona verde
de 0,0075 a 0,02 mSv/h
Zona amarilla
de 0,02 a 2 mSv/h
Zona naranja
de 2 a 100 mSv/h
Zona roja
> 100 mSv/h
Principales isótopos radiactivos
Plutonio 239Pu y 241Pu
Uranio 235U y 238U
Curio 242Cm y 244Cm
Americio 241Am
Torio 234Th
Radio 226Ra y 228Ra
Cesio 134Cs, 135Cs y 137Cs
Yodo 129I, 131I y 133I
Antimonio 125Sb
Rutenio 106Ru
Estroncio 90Sr
Criptón 85Kr y 89Kr
Selenio 75Se
Cobalto 60Co
Cloro 36Cl
Carbono 14C
Tritio 3H
Fisión nuclear
animación fisión.htm
Fusión nuclear
animación
fusión.htm
Reactor nuclear de fisión
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Un reactor nuclear de fisión consta de las siguientes partes esenciales:
Combustible.-Isótopo fisionable (divisible) o fertil (puede convertirse en fisionable por activación
neutrónica): Uranio-235, Uranio-238, Plutonio-239, Torio-232, o mezclas de estos (MOX, Mezcla
de Óxidos de Uranio y Plutonio). El combustible habitual en las centrales refrigeradas por agua
ligera es el dióxido de uranio enriquecido, en el que alrededor del 3% de los núcleos de uranio
son de U-235 y el resto de U-238. La proporción de U-235 en el uranio natural es sólo de 0.71%,
por lo que es necesario someterlo a un proceso de enriquecimiento en este nucleido.
Moderador.- Agua, agua pesada, helio, grafito, sodio metálico: Cumplen con la función de frenar
la velocidad de los neutrones producidos por la fisión, para que tengan la oportunidad de
interactuar con otros átomos fisionables y mantener la reacción.
Refrigerante.- Agua, agua pesada, anhídrido carbónico, helio, sodio metálico: Conduce el calor
generado hasta un intercambiador de calor, o bien directamente a la turbina generadora de
electricidad o propulsión.
Reflector.- Agua, agua pesada, grafito, uranio: Reduce el escape de neutrones y aumenta la
eficiencia del reactor.
Blindaje.- Hormigón, plomo, acero, agua: Evita la fuga de radiación gamma y neutrones rápidos.
Material de control.- Cadmio o Boro: Hace que la reacción en cadena se pare. Son muy buenos
absorbentes de neutrones. Generalmente se usan en forma de barras (de acero borado por
ejemplo) o bien disuelto en el refrigerante.
Elementos de Seguridad.- Todas las centrales nucleares de fisión, constan en la actualidad de
múltiples sistemas, activos (responden a señales eléctricas), o pasivos (actúan de forma natural,
por gravedad, por ejemplo). La contención de hormigón que rodea a los reactores es la principal
de ellas. Evitan que se produzcan accidentes, o que, en caso de producirse, haya una liberación
de radiactividad al exterior del reactor.
Central nuclear
Fisión nuclear
•
• nº bariónico: 1+235 = 140+93+3·1 = 236 (Se
conserva)
Energía: +200MeV
Ocurre cuando una párticula rompe un núcleo pesado. Pueden ser controladas o
descontroladas.
Controlada: Se da sólo en las centrales nucleares. Recientemente se han
descubierto algunos yacimientos de uranio natural que en el pasado, cuando la
proporción de U-235 era mayor pudieron padecer procesos naturales de fisión
nuclear a modo de reactores naturales. Particularmente curioso y único parece
ser el caso de las minas de Oklo en África.
Descontrolada: Se da en las llamadas bombas A y requieren determinado tipo
de átomos llamados fisibles o físiles. Lo son el 235U y el 239Pu
Fusión nuclear
• nºbariónico: 2+3 = 4+1 = 5 (Se conserva)
Ocurre cuando dos núcleos se unen para formar uno mayor. Una vez más,
estas reacciones pueden producirse de forma controlada o descontrolada.
Controlada: Se da de forma natural en los núcleos de las estrellas. En
cambio, no se ha obtenido aún ningún método capaz de sostener una
reacción de fusión automantenida de la misma forma que se hace en las
centrales nucleares de fisión. Solo se ha conseguido la fusión en
aceleradores de partículas y generadores toroidales tipo tokamak o
mediante intensíssimas descargas eléctricas. En todos los casos se ha
obtenido menos energía de la que se ha tenido que aportar al sistema.
Descontrolada: Ocurre en las últimas fases de la evolución estelar
produciendo los objetos astrofísicos más brillantes. Las supernovas.
También sucede en nuestras bombas termonucleares, también llamadas
bombas H.
Los Rayos Cósmicos vienen
del espacio con gran energía
y dan lugar en la atmósfera a
una cascada de partículas de
los más variado. Pueden
llegar a atravesar la tierra de
lado a lado sin detenerse
Partículas elementales
• Bosones: Partículas de espín entero (0, 1, 2...). Lo son los fotones.
• Fermiones: Partículas de espín semientero (1/2 , 3/2...).
– Hadrones: Partículas formadas por quarks. Lo son los mesones y los
bariones.
• Mesones: Hadrones formados por dos quarks. (muones y piones)
• Bariones: Hadrones formados por tres quarks. Lo son los protones y los
neutrónes.
– Leptones: Partícula fundamental en principio indivisible que no
experimenta interacción fuerte. Lo son los electrones, los muones, el
tau y los neutrinos.
• Quark: Partícula fundamental en principio indivisible que
necesariamente ha de aparecer ligada a otros quarks para formar
hadrones. Experimenta interacción fuerte.
• Antipartículas: Cada partícula tiene su propia antipartícula
asociada. Estas tienen igual masa pero carga opuesta
GRAVITACIONAL
Todos los procesos
que ocurren en la
naturaleza
pueden
ser
descritos
mediante las cuatro
interacciones
que
tienen lugar en la
naturaleza.
Los
físicos actualmente
están tratando de
encontrar una teoría
que sea capaz de
unificarlas.
NUCLEAR DÉBIL
?
¿
Masa
Gravitón
Intensidad : 10–38
Alcance : Infitnito
Bosón Z
Neutrino Electrón
Intensidad : 10–13 - 10–13
Alcance : 2 · 10 –18 m
ELECTROMAGNÉTICA
NUCLEAR FUERTE
Fotón
Electrón Electrón
Gluón
Quark Quark
Intensidad : 10 –2
Alcance : Infinito
Intensidad : 1
Alcance : 1.5 · 10 –15 m
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