Facultad de Regional C. del
Uruguay
Taller de Física
“De lo clásico a lo
moderno”
Lic. Norma Y. Haudemand
Ing. Jorge Gianera
OBJETIVOS
► Analizar
los fundamentos de los procesos
involucrados en una emisión radiactiva y la
ley que verifican
► Conocer las aplicaciones más importantes
derivadas de la radiactividad.
► Introducir las teorías actuales sobre
partículas elementales.
CONTENIDOS
► Estructura
del núcleo. Energía de enlace y fuerzas
nucleares.
► Radiactividad. Decaimientos alfa, beta, gamma.
► Estabilidad.
► Ley de decaimiento. Vida media.
► Fechado radiactivo.
► Fisión nuclear. Fusión nuclear
► Partículas elementales.
ENERGÍA DE ENLACE DEL NÚCLEO:
• La energía equivalente a la masa de un núcleo atómico es menor
que la suma de la masa de sus nucleones separados:
7Li
7Li
masa en reposo del 7Li
m(7Li) = 7.016003 u
3 protones y 4 neutrones
m = (3·mH+ 4·mn)- m(7Li) =0.042132 u =6.9981·10-29 kg
E = mc2 = 6.2983·10-12 J = 39.364 MeV
• La mayor energía asociada a los componentes nucleares
separados es la energía de enlace del núcleo.
ENERGÍA DE ENLACE POR NUCLEÓN:
Energía de enlace por nucleón (MeV)
región de gran estabilidad
Número de masa, A
FISIÓN Y FUSIÓN:
• FISIÓN NUCLEAR = obtención de núcleos más ligeros a
partir de núcleos más pesados.
Eenlace por nucleón (MeV)
• FUSIÓN NUCLEAR = unión de núcleos ligeros para
obtener núcleos pesados, de mayor masa.
FISIÓN
FUSIÓN
Número de masa, A
FISIÓN NUCLEAR INDUCIDA:
 Reacción en cadena:
235
92 U

1
0n

137
52 Te

142
56 Ba
97
40 Zr
91
1
 2. 0 n
1
 36 Kr  3 . 0 n
EL CICLO NUCLEAR: ENERGÍA DE FISIÓN.
REACTOR NUCLEAR: ELEMENTOS.
1.
COMBUSTIBLE:
- Óxidos de uranio  99,2745% 238U, 0,72% 235U, 0,0055%
- Enriquecimiento en 235U hasta 3-4% (separación )
- Barras de combustible (aleación zirconio)
- Otros núcleos fisionables: 241Pu, 243Pu.
2.
234U
MODERADOR:
- Refrigerante/almacenamiento de E  producción neutrones lentos y
producción de vapor de agua.
- Agua ligera o a presión. Agua pesada o deuterada.
3.
BARRAS DE CONTROL:
113
48 Cd

10
5B
1
0n

1
0n


114
48 Cd
7
3 Li

 γ
4
2 He
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
REACCIONES NUCLEARES DE FUSIÓN:
• Ejemplo de fusión natural  proceso en las estrellas:
SOL:
1
4 1H 
4
2 He
1
1H
 1H 
2
1H
 1H 
3
2 He
2
1
2
1H
1
3
2 He
1
 1H 
0
1e

4
2 He
0
1e

0
1e
La cámara de niebla es
un dispositivo que nos
permite
detectar
partículas elementales
y otras radiaciones
ionizantes
como
partículas alfa, beta y
electrones resultantes
de
la
ionización
producida por rayos
gamma.
El
funcionamiento
consiste
en
la
condensación
de
alcohol en torno a iones
formados por el paso
de dichas partículas.
Las distintas radiaciones tienen distinta capacidad de penetración en
los medios materiales debido a las interacciones que intervienen en
el proceso de frenado de las partículas y propiedades de las mismas
partículas como masa, carga, ...
ALFA α
BETA β
GAMMA γ
NEUTRÓN
Papel
Cobre
Plomo
Hormigón
La radiación natural a
la que está expuesta
la población proviene
de la desintegración
de
isótopos
radiactivos
en
la
corteza terrestre, de
la radiación cósmica
y de los isótopos
radiactivos
que
forman parte de los
seres vivos, también
llamada
radiación
interna
Rayos
Cósmicos
12%
Radón 40%
Radiación
Gamma 15%
Radiación
Interna 15%
Tratamientos
Médicos 17%
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
Principales Radionucleidos
Los
elementos
radiactivos naturales
se
encuentran
distribuidos en forma
bastante uniforme en
las rocas y suelos de la
corteza terrestre, la
cual está constituida
principalmente
por
basalto y granito
Núcleo
Símbolo
Vida Media
Uranio-235
235U
7.04 x 108 años
Uranio-238
238U
4.47 x 109 años
Torio-232
232Th
1.41 x 1010 años
Radio-226
226Ra
1.60 x 103 años
Radón-222
222Rn
3.82 días
Potasio-40
40K
1.28 x 109 años
Radiactividad Natural en la Comida
La radiación interna
proviene
de
las
sustancias radiactivas
presentes
en
los
alimentos, en el agua
y en el aire, las cuales,
al ser ingeridas o
inhaladas,
se
absorben
en
los
tejidos
vivos.
Los
principales isótopos
radiactivos
que
contiene el cuerpo
humano
son
el
potasio-40,
el
carbono-14 y el tritio
Comida
40K
226Ra
pCi/kg
pCi/kg
Plátano
3,520
1
Nueces
5,600
1,000-7,000
Zanahorias
3,400
0.6-2
Patatas
3,400
1-2.5
Cerveza
390
---
Carne Roja
3,000
0.5
Limón
4,640
2-5
---
0-0.17
Agua del Grifo
Radiactividad Natural en tu Cuerpo
Masa Total del
Núcleo Dentro del
Cuerpo
90 µg
Actividad Total del
Núcleo Dentro del
Cuerpo
30 pCi (1.1 Bq)
Torio
30 µg
3 pCi (0.11 Bq)
3 µg
Potasio 40
17 mg
120 nCi (4.4 kBq)
0.39 mg
Radio
31 pg
30 pCi (1.1 Bq)
2.3 pg
Carbón 14
95 µg
0.4 µCi (15 kBq)
1.8 µg
Tritio
0.06 pg
0.6 nCi (23 Bq)
0.003 pg
Polonio
0.2 pg
1 nCi (37 Bq)
~0.6 µg
Núcleo
Uranio
Consumo Diario de
Núcleos
1.9 µg
El
radón
que
emana
continuamente
de
la
superficie
terrestre.
El
radón es un gas y por tanto
es respirado por los seres
vivos.
Cuando
este
elemento queda atrapado
en
algún
recinto
su
concentración
puede
aumentar
considerablemente y causar
daño en los seres vivos
Uranio
Material
La gran mayoría de
los materiales que el
hombre utiliza en la
construcción
de
casas
habitación
proceden
de
elementos
que
existen en la corteza
terrestre, los cuales
serán radiactivos en
mayor
o
menor
grado, dependiendo
de su naturaleza y
procedencia
Torio
Potasio
pp
m
mBq/g
(pCi/g)
pp
m
mBq/g
(pCi/g)
pp
m
mBq/g
(pCi/g)
Granito
4.7
63 (1.7)
2
8 (0.22)
4.0
1184 (32)
Arenisca
0.4
5
6 (0.2)
1.7
7 (0.19)
1.4
414 (11.2)
Cemento
3.4
46 (1.2)
5.1
21 (0.57)
0.8
237 (6.4)
Hormigón Calizo
2.3
31 (0.8)
2.1
8.5 (0.23)
0.3
89 (2.4)
Hormigón Arenisca
0.8
11 (0.3)
2.1
8.5 (0.23)
1.3
385 (10.4)
Dry wallboard
1.0
14 (0.4)
3
12 (0.32)
0.3
89 (2.4)
Derivados del Yeso
13.
7
186 (5.0)
16.
1
66 (1.78)
0.0
2
5.9 (0.2)
Yeso Natural
1.1
15 (0.4)
1.8
7.4 (0.2)
0.5
148 (4)
-
-
-
-
11.
3
3330 (90)
8.2
111 (3)
10.
8
44 (1.2)
2.3
666 (18)
Madera
Ladrillo de Arcilla
El uso de la radiación en el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades se
ha convertido en una herramienta básica en medicina. Con ella se ha podido
realizar exploraciones del cerebro y los huesos, tratar el cáncer y usar
elementos radiactivos para dar seguimiento a hormonas y otros compuestos
químicos de los organismos.
Diagnóstico
Radiológico (Rayos X)
Medicina Nuclear
Radioterapia
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.
La materia está formada por átomos y moléculas que se unen para
formar los sólidos. Cada átomo está compuesto de un núcleo con
carga positiva y unos electrones que orbitan a su alrededor. El
núcleo, a su vez, está formado por protones (+) y neutrones, que se
denominan nucleones. Éstos nucleones están formados por quarks.
MATERIA ~ 10-9 m
Átomo
ÁTOMO ~ 10-10 m
Electrón
NUCLEO ~ 10-14 m NUCLEÓN ~ 10-15 m
Protón
Neutrón
Quarks
►U
quark- hacia arriba
► (up-quark) m= 300 MeV carga +2/3
►c
quark- encanto
► (charm-quark)
m=1.500 Mev
► carga= +2/3
►T
quark- arriba
► (top-quark) m= 175 Gev
► carga= +2/3
►d
quark- hacia abajo (down-quark)
► m= 300 MeV
► carga = -1/3
►S
quark- extraño (strange-quark)
► m= 500 MeV
► carga = -1/3
►B
quark- abajo (bottom-quark)
► m= 4.500 MeV carga = -1/3
►e
electrón m = 0,5 MeV carga = -1
►m
►t
muón m = 106.7 MeV carga = -1
tau-leptón m = 1.780 MeV carga = -1
► e
neutrino del electrón m = < 10 eV
► carga = 0
► m neutrino del muón m = < 150 KeV
► carga = 0
► t neutrino del tau m = < 90 MeV carga = 0
REGLAS GENERALES ACERCA DE
LAS PARTICULAS
► Por cada
► Entonces
partícula hay una antipartícula
para todos los leptones y quarks hay
también seis antiquarks y seis antileptones
► Los doce fermiones no interactúan con todas las
fuerza entre ellos mismos, solamente los quarks
interactúan a través de las cuatro fuerzas; los leptones
cargados: electrón, muón y tau, interactúan a través
de tres fuerzas: electromagnética, débil y
gravitacional. Debido a que no sabemos si los
neutrinos tienen masa, hay una incertidumbre, ellos
podrían o no interactuar gravitacionalmente. Por el
momento decimos que interactúan débilmente y
gravitacionalmente.
► Nosotros
estamos familiarizados con dos de las
cuatro fuerzas, la gravitacional: "dos masas se
atraen entre ellas proporcionalmente a sus masas
e inversamente proporcional al cuadrado de sus
distancias"; en símbolos:
►
►
►
► Y la electromagnética
► "dos cargas se atraen o repelen
con una fuerza
que es directamente proporcional al producto de
ellas e inversamente proporcional al cuadrado de
las distancias que la separan; en símbolos"
►
►
►
►
►
Nótese la diferencia: hay dos clases de cargas y solamente
una clase de masa. La gravedad tiene solamente una
carga, esta es la masa.
La electromagnética tiene dos: carga positiva y carga
negativa. ¿ Cuáles son las reglas de la fuerza fuerte?.
Diremos que hay tres clases de cargas de la fuerza fuerte.
Pero tenemos dos problemas:¿ como nombrarlas ? y
¿ decidir cuáles combinaciones se atraen y cuáles se
repelen?.
Las tres cargas son llamadas: ROJA, VERDE Y AZUL.
REGLA: "Los quarks se atraerán para formar un neto
color blanco".
►¿
Cuál es el color de los antiquarks?. Los
antiquarks tienen el anticolor, es decir los colores
complementarios del rojo, verde y azul:
ANTIROJO, ANTIVERDE Y ANTIAZUL.
► Entonces los sistemas de quarks, se forman de
tres quarks o se forman de un quarks y un
antiquarks.
► A las combinaciones de tres quarks se las llama
BARIONES o si son hechas de tres antiquarks,
ANTIBARIONES. Estas podrían ser estructuras que
conocemos: protones, neutrones, antiprotones y
antineutrones.
► Las estructuras de dos quarks, son llamadas
MESONES.
¿ Cómo construir el protón y el
neutrón? :
u +2/3
u +2/3
d -1/3
PROTON
d -1/3
d -1/3
u +2/3
NEUTRON
¿ Cómo construir algunos mesones?.
►u
-2/3
► d -1/3
+2/3
► s +1/3
PION carga -1
►u
KAON carga +1
DINAMICA DE LAS FUERZAS
► Dos
electrones que se repelen entre sí. Los
dos electrones empiezan de alguna manera
apartados, experimentan repulsión y se
distancian
► Pero
las fuerzas están cuantizadas`1 , por lo
tanto, en la región de interacción solamente
un "empujón" podría ocurrir. Imaginamos
que este empujón fue intercambiado por
medio de un portador de fuerza llamado
fotón. Pensamos esto como electrón 1,
emitiendo un fotón y el elecrón 2
absorbiendo el fotón un poco más tarde.
►
► El
nombre general de todos los portadores
de fuerzas es BOSONES. Los nombres de los
cuatro portadores de fuerzas son:
► Fuerza
fuerte
► Fuerza
Electromagnética FOTÓN
► Fuerza
► Fuerza
Débil
GLUON
W+, W-, Zº
Gravitacional
GRAVITÓN
► Si
en un sistema de ejes cartesianos
representamos, sobre el eje de ordenadas la
intensidad de la fuerza y sobre el eje de
abscisas la inversa de la distancia,
observamos que la fuerza electromagnética
crece a medida que nos acercamos y la
fuerza fuerte decrece. La fuerza débil
decrece lentamente. A una distancia de
► 10 -30 cm las tres fuerzas tendrían una
misma intensidad. Este es el dominio de la
TEORÍA DE LA GRAN UNIFICACIÓN. Las
energías de las partículas tendrían que ser
del orden de 10 15 Gev.
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
REACTOR NUCLEAR DE FUSIÓN:
CONFINAMIENTO INERCIAL (LÁSER)
CONFINAMIENTO MAGNÉTICO
(TOKAMAK)
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).
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
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PRETENDEMOS GENERAR UNA ACTITUD PARTICIPATIVA …