interacción nuclear - IES Dolmen de Soto

INTERACCIÓN NUCLEAR
La física nuclear es la parte de la Física que estudia el comportamiento de los
núcleos atómicos. Fue el físico francés H. Becquerel (1852-1908) en 1896, quien inició
el estudio, encontrando como sales de uranio emitían radiaciones invisibles y
penetrantes, capaces de velar placas fotográficas, ionizar gases y atravesar cuerpos
opacos; fenómeno que fue bautizado como radiactividad. Dos años más tarde, Pierre y
Marie Curie, descubrieron dos nuevos elementos radiactivos: polonio y radio. Muy
pronto se estableció que la radiactividad era de origen nuclear, abriéndose paso la
idea de que el núcleo atómico poseía una estructura interna y podía ser modificado.
El núcleo atómico.
En 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) propone que el átomo está formado
por un núcleo, donde está concentrada la casi totalidad de la masa del átomo y toda la
carga positiva, y por una corteza constituida por los electrones. El tamaño del núcleo
(10-10 m) es muy reducido frente al tamaño del átomo (10-14 m) y la densidad del
núcleo es del orden de 1017 kg.
La experiencia que llevó a Rutherford y sus colaboradores proponer el modelo
nuclear, consistió en lanzar partículas α (núcleos de helio) sobre láminas delgada de
metal (oro); así, es conocida como experiencia de la “lámina de oro”. En esta
experiencia, Rutherford, observó como la mayoría de las partículas α lanzadas
atravesaban la lámina sin desviarse, pero un número muy reducido, del orden de una
de cada 10000 ó 100000, sufrían grandes desviaciones que incluso le hacían salir
rebotadas hacia atrás.
El mismo Rutherford descubrió la existencia de los protones en el núcleo y,
posteriormente en 1932, Chadwick descubrió el neutrón.
Así pues, en el átomo hay dos tipos de partículas: protones y neutrotes. Ambas
son llamadas también nucleones. Las carga y masa de ambas partículas se muestran
en la tabla siguiente:
partícula
q (C)
m (kg)
masa atómica (u)
protón ( 11p )
1.6·10-19
1.673·10-27
1.007276
Neutrón ( 01n )
0
1.675·10-27
1.008665
1
Caracterización de los núcleos
El número de protones y neutrones caracterizan cada núcleo, de manera que
se definen dos números:
-
Número atómico: se denomina número atómico al número de protones del
núcleo. Si el átomo se encuentra en estado eléctricamente neutro, coincide con
el de electrones. Se representa por Z.
-
Número másico: se denomina número másico al número de nucleones, es
decir al de protones más neutrotes, que hay en el núcleo. Se representa por A.
A y Z caracterizan cada especie nuclear, la cual se representa mediante el
símbolo del elemento y con ambos números de la siguiente manera:
A
Z
X
Se suele utilizar la palabra núclido para denominar una especie nuclear
caracterizada por el número de protones, Z, y de neutrones, N, que contiene.
El número de neutrones se calcula restando ambos números: N = A − Z
Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones y, por
tanto, de electrones, pero pueden diferir en el número de neutrones.
Isótopos.
Se denominan isótopos a los átomos de un mismo elemento que tienen distinto
número de neutrones. Es decir, los isótopos de un elemento tienen el mismo número
atómico, pero distinto número másico.
La existencia de los isótopos se conoció primeramente en los elementos
radiactivos, pero todos pueden tener isótopos.
De los elementos químicos, veinte poseen un único isótopo natural estable. Por
el contrario, otros poseen gran cantidad de isótopos. En general, la proporción en que
se encuentran en la naturaleza los isótopos de un elemento químico es siempre la
misma. Esa proporción es llamada abundancia isotópica natural. La existencia de los
isótopos es la causa de que las masas atómicas relativas de los elementos sean
números no enteros.
Por ejemplo, el hidrógeno tiene tres isótopos característicos: hidrógeno,
deuterio y tritio: 11H , 21H y 31H .
Un isótopo del carbono, el
12
6
C , se utiliza para definir la unidad de masa
atómica (u). La unidad de masa atómica se define como un doceavo de la masa de un
átomo del isótopo de carbono-12.
2
Estabilidad nuclear.
Una vez que se determinó que el núcleo estaba constituido por protones y
neutrones, se planteó el problema de la estabilidad nuclear. Era evidente que los
núcleos atómicos eran estables en los elementos que existían en la naturaleza, pero
no se podía explicar la unión de los nucleones en un volumen tan pequeño como es el
núcleo atómico, donde la distancia entre los nucleones es del orden de 10-15 m (1
fermi). A estas distancias, mientras las fuerzas gravitatorias atractivas entre los
nucleones son despreciables, las fuerzas repulsivas electrostáticas entre los protones
serían muy importantes. Por ello, sólo considerando la existencia de una fuerza de
atracción entre los nucleones mucho mayor que la electrostática de repulsión se puede
explicar que los protones y neutrones se mantengan unidos. Esta fuerza se denomina
interacción nuclear fuerte, sólo se manifiesta en el núcleo y sus principales
características son:
-
su radio de acción es muy corto, del orden de 10-15 m, es decir del tamaño de
los nucleones; por ello sólo se manifiesta en el núcleo.
-
actúa sólo entre nucleones que están en contacto. Este hecho la diferencia
claramente de los otros tipos de interacciones estudiadas.
-
actúa entre dos nucleones con independencia de su carga eléctrica, ya que se
presenta entre dos neutrones, entre dos protones o entre neutrón y protón.
-
es
una
fuerza
atractiva
de
gran
intensidad,
mayor
que
la
fuerza
electromagnética que, a su vez, es mayor que la gravitatoria. Por ello, no sólo
contrarresta la repulsión entre los protones, sino que da una gran estabilidad al
núcleo.
Cuando se forma un núcleo, a partir de protones y neutrones, se libera una
gran cantidad de energía. Por tanto, se necesita una gran cantidad de energía para
romper un núcleo atómico.
Defecto de masa y energía de enlace.
La cantidad de energía intercambiada en una transformación nuclear es tan
grande que se produce una variación apreciable de masa. Por ello, hay que tener en
cuenta la relación de equivalencia de Einstein entre la masa y la energía:
E = m ⋅ c2
Experimentalmente se comprueba que la masa del núcleo es inferior a la masa
de protones y neutrones que lo forman. Esta diferencia de masa se denomina defecto
de masa y se calcula a partir de la expresión:
∆m = Z ⋅ mp + ( A − Z ) ⋅ mn − mnúcleo
3
Esta disminución de la masa se convierte en energía que se libera cuando se
forma el átomo, y que una vez formado, hay que suministrarle para fragmentarlo en
sus componentes. Esta energía recibe el nombre de energía de enlace del núcleo.
Energía de enlace = ∆E = ∆m ⋅ c 2
Evidentemente, el defecto de masa y la energía de enlace es mayor para los
núcleos que contienen más partículas, de forma que, para comparar la estabilidad
relativa de unos núcleos con otros, se utiliza la energía de enlace por nucleón, es
decir:
Energía de enlace por nucleón =
∆E
A
=
∆m ⋅ c 2
A
Cuanto mayor sea la energía de enlace por nucleón, mayor es la estabilidad
nuclear, ya que esa energía es la que hay que suministrar a cada nucleón para
separarlo del núcleo. A la vez, es la energía que se desprende por cada nucleón que
se agrupa para formar el núcleo.
Cuando se representan los valores
de esta energía frente al número másico
(A), se obtiene una curva que representa
un máximo de energía (mayor estabilidad)
para el hierro-56,
56
26
Fe ; próximos a él se
encuentran núcleos de los elementos Mn,
Co, Cu, etc. El hierro-56 tiene una energía
de enlace por nucleón de 8.79 MeV, uno
de los más estables de acuerdo con la
abundancia en la corteza terrestre y el
cosmos.
La disminución progresiva de la estabilidad nuclear al aumentar el número
másico se puede interpretar teniendo en cuenta el pequeño radio de acción de las
fuerzas nucleares, lo que supone que, en los núcleos pesados, cada nucleón sólo
puede estar unido a los más próximos, de manera que no es posible tener una “unión
global” de todos los nucleones, sino una especie de “unión en cadena”.
Además hay que tener en cuenta que, al aumentar el número atómico,
aumentan las fuerzas de repulsión entres los protones, por lo que los núcleos también
resultan menos estables y son necesarios muchos más neutrones para contrarrestar
estas fuerzas.
4
Esto explica que los núcleos más pesados, como el
238
92
U , tiendan a dividirse,
dada su menor estabilidad, liberando energía en el proceso. Dicho proceso se
denomina fisión nuclear.
Del mismo modo, los núcleos más ligeros, que también son menos estables,
liberan energía al unirse entre ellos, en un proceso que se denomina fusión nuclear.
Radiactividad.
Poco después de que se descubriera los rayos X, en 1895; Antoine Henri
Becquerel (1852-1908) mostró un fenómeno que no era explicable de acuerdo con el
modelo inmutable que se tenía de los átomos. Había observado repetidas veces que
unas placas fotográficas envueltas en papel negro junto a un cierto mineral (que luego
sería denominado pecblenda), se habían ennegrecido (se habían velado). Esto
sucedía de un día para otro, es decir en un tiempo relativamente cortos, lo que hacía
suponer que el cambio se debía a un agente externo. No podía entrar luz a las placas,
y éstas no habían sido calentadas. Tampoco podían haber sido afectadas por algún
agente químico. Al revelar la placa apareció que algún rayo emitido por el mineral
debía haber penetrado a través del papel.
Pero, ¿cómo había sucedido esto? El peso de la evidencia, tras mucho repetir
la operación, llevó a la conclusión que existía "algo" producido o emitido por la
pecblenda, que atravesaba la gruesa protección de las placas fotográficas de la época
y las impresionaba igual que cuando se sacaba una fotografía exponiéndolas a la luz
visible común. De este modo Becquerel descubrió la radiactividad. Posteriormente,
mostraría que los rayos provenientes del uranio podían ionizar el aire y también eran
capaces de penetrar a través de láminas metálicas delgadas.
En 1898, Marie Sklodowska Curie (1867-1934), con su esposo Pierre Curie
(1859-1906), dirigió sus investigaciones a la radiactividad. En poco tiempo el
matrimonio Curie descubrieron dos elementos nuevos, el polonio y el radio, ambos
radiactivos. Para confirmar su trabajo sobre el radio, procesaron una tonelada de
residuos de pecblenda, para obtener 0.1 g de cloruro de radio puro, que usaron para
efectuar más estudios sobre las propiedades del radio y determinar su masa atómica.
Marie Curie, dos años después de el descubrimiento de Becquerel, en 1898, le dio a
este fenómeno el nombre de radiactividad.
Por todas sus investigaciones sobre la radiactividad, Henri Becquerel junto con
Marie y Pierre Curie, fueron galardonados con el premio Nobel de física en 1903.
5
Así pues, este fenómeno consiste en la emisión de partículas o radiación
electromagnética por el núcleo de un átomo de forma espontánea (radiactividad
natural) o de forma provocada (radiactividad artificial). Esta propiedad se debe a la
existencia de una descompensación entre el número de neutrones y de protones del
núcleo del átomo, que provoca una inestabilidad y una liberación de la energía
acumulada en forma de partículas u ondas. La radiactividad natural se debe a
elementos que emiten radiaciones espontáneamente, como es el caso del uranio, el
torio, el radón, etc. La artificial procede de fuentes creadas por el ser humano:
aparatos de rayos X, la fabricación de elementos radiactivos artificiales en las
centrales nucleares, etc.
Se comprobó que las radiaciones pueden ser de tres tipos:
Los cambios experimentados por los números atómicos y másicos de los
núcleos que experimentan desintegraciones radiactivas se resumen en las leyes que
fueron enunciadas por Soddy y Fajans, y se conocen como leyes del desplazamiento
radiactivo.
Desintegración α.
Cuando un núcleo radiactivo se desintegra emitiendo una partícula α (núcleo de
helio, 42 He ), transmuta, se convierte en otro núcleo diferente cuyo número másico es 4
unidades menor y cuyo número atómico es 2 unidades menor que el núcleo de partida.
Esta ley se puede expresar esquemáticamente como:
A
Z
X
→
4
2
He
+
A−4
Z −2
Y
Por tanto, el elemento se transmuta en el que está situado dos lugares antes
en la tabla periódica.
La masa y el tamaño de las partículas α son relativamente grandes. Al ser,
además, partículas cargadas, interaccionan electrostáticamente con el medio y, por
6
tanto, su poder de penetración es pequeño. De hecho, las partículas α son detenidas
por una pequeña lámina de cartón o por algunos centímetros de aire, y ni siquiera son
capaces de atravesar la piel de nuestro cuerpo.
Ejemplos:
226
88
Ra
→
4
2
+
He
222
86
238
92
Rn ;
U
→
234
90
Th
+
4
2
He
Desintegración β−.
La desintegración beta (−) es un proceso en el que un núcleo radiactivo emite
un electrón, cuyo número másico es 0, siendo su número atómico –1. Se representa
por
0
-1
e.
El electrón que se emite en este proceso no es un electrón de la corteza
atómica; es emitido por el núcleo. La emisión β− procede de la transformación de un
neutrón en un protón, expulsando en el proceso un electrón.
1
0
n
→
+
1
1
p
0
−1
e
+ ν
La desintegración del neutrón produce, además un antineutrino, ν (partícula
neutra y de masa extremadamente pequeña y difícil de medir).
Cuando un núcleo radiactivo emite una partícula β−, se obtiene otro núcleo que
contiene un protón más y un neutrón menos que el núcleo original. Este proceso se
puede esquematizar como:
A
Z
→
X
+
0
−1
e
A
Z +1
Y
+ ν
Por tanto, el elemento se transmuta en el que está situado un lugar adelante
del núcleo original en el sistema periódico.
La masa de las partículas β− (electrones) es mucho menor que la de las
partículas α y se emiten con velocidades muy altas, debido a ello, tienen mayor poder
de penetración. Se frenan tras recorrer algunos metros por el aire, varios centímetros
por el agua o al chocar contra una lámina de aluminio de unos dos milímetros de
espesor.
Ejemplos:
14
6
C
→
14
7
N
+
0
−1
e;
214
83
Bi
→
214
84
Po
+
0
−1
e
Desintegración β+.
La desintegración beta (+) es un proceso en el que un núcleo radiactivo emite
un positrón, una partícula con número másico 0, y cuyo número atómico es +1. Se
representa por 01e . El positrón es la antipartícula del electrón; por tanto, tiene la misma
masa en reposo que el electrón y cuya carga es contraria a la de éste e igual a la del
protón.
7
La emisión β+ procede de la transformación de un protón en un neutrón,
expulsando en el proceso un positrón.
→
1
1
p
1
0
n
+
0
1
e
+ ν
La desintegración del protón produce, además un neutrino, ν (partícula neutra
y de masa extremadamente pequeña y difícil de medir).
Cuando un núcleo radiactivo emite una partícula β+, se obtiene otro núcleo que
contiene un protón menos y un neutrón más que el núcleo original. Este proceso se
puede esquematizar como:
A
Z
→
X
0
1
e
+
A
Z −1
Y
+ ν
Por tanto, el elemento se transmuta en el que está situado un lugar para atrás
del núcleo original en el sistema periódico.
Las características de penetración de las partículas β+ son similares de las β−.
Ejemplo:
11
6
C
→
+
11
5
B
0
1
e
Emisión γ.
Frecuentemente el núcleo que se forma en una desintegración α o β queda en
estado excitado y libera el exceso de energía en forma de radiación electromagnética
de alta frecuencia (rayos λ).
El estado excitado de un núcleo se representa simbólicamente por un asterisco
como superíndice a la derecha.
Los rayos λ tienen un gran poder de penetración en la materia; atraviesan con
facilidad el cuerpo humano y, para frenarlos, se necesitan varias láminas de plomo o
gruesas paredes de hormigón.
Ejemplo: El proceso de desexcitación del carbono-12 sería:
12
6
C*
→
12
6
C
+
γ ( 4.4 MeV )
Las leyes de Soddy-Fajans permiten establecer una nueva ley de
conservación: la ley de conservación del número de nucleones. De acuerdo con
esta ley, en cualquier desintegración nuclear permanece constante el número de
nucleones, A, aunque en dicho proceso varíe el número de protones y de electrones.
8
Características de la desintegración radiactiva.
El estudio de los procesos de desintegración radiactiva de los núclidos
inestables se hace atendiendo a consideraciones estadísticas; ya que no se puede
predecir cuando se desintegrará un determinado núclido.
Con el objeto de estudiar cuantitativamente los procesos de desintegración
radiactiva, se define una nueva magnitud llamada actividad, A.
La actividad mide la rapidez de desintegración de la muestra radiactiva; es
decir, el número de átomos que se desintegran en la unidad de tiempo:
A=−
dN
dt
En esta expresión, N representa el número de átomos radiactivos que quedan
por desintegrarse y el signo negativo indica que el número de átomos disminuye con el
tiempo.
En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad con que se mide la
actividad es el becquerel, de símbolo Bq. Un becquerel es la actividad de una muestra
radiactiva en la que se produce una desintegración nuclear por segundo.
Como la actividad de una muestra depende del número de átomos presentes
en ella: cuanto mayor sea éste número, mayor será su actividad; además la actividad
dependerá del elemento considerado. Por ello, se puede escribir:
A=−
dN
= λ ⋅N
dt
→
d N = −λ ⋅ N ⋅ d t
La constante de proporcionalidad, λ, que es característica para cada núclido,
se denomina constante radiactiva o constante de desintegración y nos da una
referencia de la probabilidad de que un determinado núcleo radiactivo se desintegre.
Así, cuanto mayor sea el valor de λ más rápida será la desintegración del material.
La expresión anterior puede integrarse separando previamente las variables:
dN
= −λ ⋅ d t
N
o bien:
N
= e − λ ⋅t
No
→
→
∫
N
No
t
dN
= −λ ⋅ ∫ d t
0
N
→
Ln
N
= −λ ⋅ t
No
N = No ⋅ e − λ ⋅t
Esta expresión es la ley de la desintegración radiactiva y nos permite
calcular el número de núclidos radiactivos N que permanecen sin desintegrar al cabo
del tiempo t.
9
Periodo de semidesintegración, T
Se denomina periodo de semidesintegración al tiempo que tarda una muestra
en reducirse a la mitad; es decir, el tiempo para el que los núcleos presentes en una
determinada muestra se reduce a la mitad.
Así, si inicialmente tenemos No átomos en una muestra radiactiva, cuando
transcurra un tiempo t = T, quedarán la mitad, o sea, No/2. Por tanto, sustituyendo en
la ley de la desintegración radiactiva:
No
Ln
2 = −λ ⋅ T 1
No
→
1
= −λ ⋅ T 1
2
2
Ln
2
→
Ln 2 = λ ⋅ T1
⇒
2
T1 =
2
Ln 2
λ
El periodo de semidesintegración oscila mucho de unos radionúclidos a otros.
Por ejemplo, el del
232
90
Th es de 1.39·1010 años, mientras que el del
212
84
Po es, tan solo,
de 3.0·10-7 segundos.
Vida media, τ.
Se define la vida media, τ, de una especie radiactiva como el valor promedio
de la vida de un radionúclido; es decir, el tiempo que por término medio tardará un
núcleo en desintegrarse.
Su valor coincide con el inverso de la constante radiactiva, ya que ésta
representa la relación entre el número de desintegraciones que se producen en la
unidad de tiempo y el número de radionúclidos presentes inicialmente.
Por ejemplo, si una especie radiactiva tiene una constante λ = 3 s-1, en cada
segundo se desintegran 3 átomos de dicha especie. Por tanto el tiempo de vida medio
(la vida media) de los núclidos de esta especie radiactiva será:
τ =
En general: τ =
1
λ
=
1
λ
=
T1
2
Ln 2
10
1
s
3
Reacciones nucleares.
Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen núcleos
atómicos. Generalmente, en este proceso, un núcleo es golpeado por otro núcleo o
por otra partícula más simple, como un fotón, un electrón o un neutrón y, como
resultado de ello se produce una interacción entre ambos.
Para que una reacción nuclear se produzca es necesario dotar a la partícula
que ha de chocar contra el núcleo de una energía suficiente para vencer las fuerzas
electrostáticas repulsivas que aparecen cuando se acerca a él. Este gasto, a veces,
puede ser incluso superior a la energía liberada en la transmutación.
En las reacciones nucleares, el número atómico y el número másico se
conservan, como se observa en los siguientes ejemplo:
27
13
7
3
Al
4
2
+
Li
27
13
+
Al
→
1
1
H
+
→
He
1
0
n
30
15
4
2
→
+
He
27
12
+
P
1
0
n
4
2
+
Mg
He
1
1
H
Fusión nuclear.
Se denomina fusión nuclear al proceso de formación de núcleos pesados
uniendo núcleos más ligeros. También se denomina así, a la unión de protones y
neutrones individuales para formar un núcleo.
Cuando se unen dos núcleos ligeros, se obtiene un núcleo más estable, con
mayor energía de enlace por nucleón y, por tanto, produciéndose una gran liberación de
energía.
Las reacciones de fusión son muy difíciles de conseguir con la tecnología
actual. Para unir dos núcleos hay que aproximarlos lo suficiente, de modo que la
fuerza nuclear fuerte supere a la fuerza electrostática repulsiva y sea posible la fusión.
Para ello, los núcleos deben moverse a gran velocidad y, por tanto, deben encontrarse
a elevada temperatura, del orden de millones de grados; por ello, a los dispositivos de
fusión se le denominan termonucleares. Esas elevadas temperaturas existen en el
interior de las estrellas y también pueden conseguirse mediante la explosión de una
bomba atómica. También puede conseguirse puntualmente un proceso de fusión
mediante un acelerador de partículas.
Ejemplos:
2
1
H
+
3
1
H
H
+
H
+
2
1
2
1
→
H
→
H
→
2
1
2
1
4
2
He
H
+
He
+
3
1
3
2
+
11
1
0
n
1
1
H
1
0
n
(17.59 MeV)
(4.03 MeV)
(3.27 MeV)
Fisión nuclear.
Se denomina así al proceso que experimenta un núcleo pesado cuando se
divide en dos núcleos más ligeros; éstos son más estables al tener en conjunto mayor
energía de enlace y, por tanto, se libera energía.
Los primeros científicos en conseguirlo fueron los alemanes Otto Hahn y Frizt
Strassmann. Observaron que al bombardear uranio con neutrones obtenían, en
ocasiones, núcleos de menor tamaño, en los que el número de nucleones era,
aproximadamente, la mitad de los que contenía el núcleo original.
Lo que ocurría es que el
235
92
U absorbe un electrón, transmutándose en
236
92
U,
que inmediatamente se divide en dos fragmentos de números atómicos comprendidos
entre 34 y 57, y números másicos comprendidos entre 72 y 149, liberándose una
enorme cantidad de energía y nuevos neutrones.
Una de las formas en que se produce la fisión del
235
92
U
+
1
0
n
→
236
92
U
→
141
56
Ba
+
92
36
Kr
235
92
+
U es:
3 01n
+
energía
La energía liberada se debe a la diferencia de masa entre los productos
iniciales y finales. En esta reacción la energía liberada es de 200 MeV por cada núcleo
fisionado.
Además, los neutrones emitidos pueden, en condiciones adecuadas, servir de
proyectiles y provocar nuevas fisiones que liberarán nuevos neutrones, y así
sucesivamente, efecto que se denomina reacción en cadena. Si la población de
neutrones se controla de manera que el número de fisiones por unidad de tiempo se
mantenga constante, se dice que la reacción está controlada. En este principio se
basan los reactores nucleares, que son fuentes de energía nuclear de fisión.
El torio y protactinio son también fisionables utilizando neutrones. Los
neutrones pueden penetrar más fácilmente en el núcleo, al carecer de carga eléctrica,
que los protones y partículas α.
12