1

Tema 7: M ateria y Radiación

Orbitales electrónicos

diámetro 10

-10 metros

Núcleo atómico

diámetro 10

-15 metros

99.9% de la masa del átom

o

electrones

N úm ero m ásico: total neutrones y protones

N úm ero atóm ico: total protones o, lo que es lo m ism o, de electrones

Isótopos

Hidrógeno: H11 H

21 H

31

deuterio: tritio:

O tros isótopos:C

13 6C

12 6 C

14 6

Cl3717

O16 8 O

18 8O

17 8

Cl3517

N úm ero m ásico A

N úm ero atóm ico Z

98.93% 1.07% >0.01%

99.76% 0.04% 0.20%

75.8% 24.4%

Abundancia: 98.99% 0.01% 0.00%M asa: 1.0078 2.0141 3.0160 M asa del protón: 1.0078 g/m ol del neutrón: 1.0092 g/molM asa del núcleo m enor que sum a de m asas de protones y neutronesLa m asa que falta es la energía de enlace del núcleo E=m c2

protón neutrón

Núm

ero de neutrones A-Z

N úmero de protones Z

N úcleos estables Hacen falta másneutrones queprotones para estabilizar losnúcleos pesados

recta de igual número de neutrones yprotones

Elementos radiactivos naturales:con isótopos inestables que intervienenen las series radiactivas naturales

*

* **

*

* especialmente importantes

Inestabilidad de los núcleos: radiactividad

Los isótopos inestables (naturales o artificiales) sufren transformaciones y emiten partículas y radiación:

rayos alfa, beta, gamma, X, neutrones, neutrinos, y otros

Alfa

Beta

Rayos X

Gam m a

N eutrones

Alum inio Plom o Horm igón

N eutrinos

Tipos básicos de decaimiento radiactivo

Decaimiento alfa: un núcleo pierde una partícula alfa

+He42

partícula alfa

Ejemplo de decaimiento alfa236 92 U

240 94 Pu

He42partícula α =

Una partícula α

es un núcleo de Helio

2

Tipos básicos de decaimiento radiactivo

Decaimiento beta positivo: un protón del núcleo se convierte en neutrón

Protón neutrón + positrón + neutrino

230 91 Pa

230 90 Th

Ejemplo de decaimiento β+

partícula β+ (o positrón e+)

El positrón tienela m ism a m asa queel electrón perocarga opuesta

neutrino

Tipos básicos de decaimiento radiactivo

neutrón protón + electrón + antineutrino

Decaimiento beta negativo: un neutrón del núcleo se convierte en protón

Ejemplo de decaimiento β−

partícula β− (o electrón e−)

Una partícula β−

es un electrón

228 88 Ra

228 89 Ac

antineutrino

Tipos básicos de decaimiento radiactivo

Decaimiento gamma: un núcleo excitado emite un fotón gamma y vuelve a su estado fundamental o basal

Una partícula γ

es un fotón

Ejemplo de decaimiento γ

240 94 Pu*

240 94 Pu

partícula γ : radiación electromagnética de alta energía

γγ

EJERCICIOIndicar el tipo de decaimiento que tiene lugar en los siguientes procesos radiactivos e indicar las partículas que se emiten en cada caso

263106 Sg

259104 Rf

14 6 C

14 7 N

18 9 F

18 8 O

222 86 Rn

218 84 Po

214 83 Bi

214 84 Po

El decaimiento radiactivo es exponencialcaracterizado por la vida media del elemento

N = N 0 e-k t

Vida media: τ = ln 2 k

Núm

ero de átomos del

elemento radiactivo

N 0

N 0

2

τ tiempo

Tiempo en que la mitad de los átomos han decaído

Las series radiactivas naturales

Serie del Uranio-235:

238 92 U

207 82 Pb

239 94 Pu

decaimientosintermedios

Serie del Torio-232:

228 88 Ra

208 82 Pb

232 90 Th

decaimientos intermedios

Serie del Uranio-238:

206 82 Pb

234 90 Th

decaimientos intermedios

235 92 U

237 93 N p

Serie del N eptunio-237:

209 83 Bi

233 91 Pa

decaimientos intermedios

3

Serie del Torio-232: Serie del Uranio-238:

Serie del Uranio-235 (poco abundante): Serie del N eptunio-237 (ya inexistente en la Tierra):

Radiactividad natural: el problema de gas Radón

222 86 Rn

218 84 PoSerie del Uranio-238: + partícula α

222 86 Rn es un GAS con una vida media de unos 4 días que

difunde a la atmósfera y se almacena en los espacios cerrados (por ej. en las viviendas)N o es peligroso salvo si se respira, ya que se

almacena en los pulmones donde libera partículas α

Se estima que la irradiación por Radón constituyeel 50% de la total a la que está expuesto el ser humano a lo largo de su vida.Se piensa que es la segunda cusa de cáncer de pulmóntras el tabaco.

Irradiaciones radiactivas: unidades y dosis tolerables

Cantidad de radiación producida: 1 Becquerel: radiación producida por 1 decaim iento/segundo

Ejem plo: 234 92 U

230 90 Th

α , γ 1 Becquerel =

1 partículas α y γ /segundo

Dosis efectiva de energía acum ulada por unidad de m asa: D 1 Gray: irradiación de 1 Julio por kilogram o de m asa

Dosis biológica equivalente: H = D W T W R

1 Sievert: dosis efectiva (J/kg) m ultiplicada por factores de ponderación según la radiación producida W R y el tejido u órgano afectado W T (se sum an todos los tejidos y radiaciones).El lím ite de exposición perm itido es de 0.001 Sv/año.1 rem : 0.01 Sievert (unidad no S.I., pero que se usa a menudo)

W R = 20 (partícula α), 5-20 (neutrones), 1 (rayos X, γ, part. β)W T = 0.2 (glándulas sexuales), 0.12 (m édula ósea, colon, pulm ón, estóm ago), 0.01 (piel, huesos), 0.05 (resto de tejidos)

4

Reacciones nucleares para la producción de energía:Fisión nuclear y Fusión nuclear

Energía de enlace por nucleón (MeV)

N úmero másico

62N i

58Fe

235U

56Fe

Zona de fisión exotérmicaZona de fusión exotérmica

El núm ero m ásicotípico de los fragm entos de fusión es 118

Los núcleosm ás estables

Energía de fusión

D + T He

Energía de fisión

Energía nuclear

Centrales nucleares: La fisión nuclear

235 92 UFisión del por un neutrón

Ejem plo de una de lasreacciones que tienen lugar en un reactor nuclear

235 92 U

236 92 U

Im pacto de un neutrón

elementoinestable

Kr8936

rayo γ

rayo γ

neutrón

neutrón

Ba144 56

Se liberan unos 215 M eVde energía

235 UFisión del por un neutrón

Reacción de fisión en cadena

Los neutrones liberados producen nuevas fisiones de uranio Funcionamiento de un reactor

1. Com bustible: Isótopo fisionable (235U, 239Pu) o isótopo fértil (238U, 232Th, que form an 239Pu y 235U al colisionar con neutrones). El com bustible típico en la actualidad: M ezcla de óxidos de U y Pu

2. M oderador: Agua, agua pesada, grafito, sodio m etálico: Frenan la velocidad de los neutrones para optim izar reacción en cadena.

3. Refrigerante: Agua, agua pesada, CO 2, grafito, sodio m etálico: Captan el calor generado, que se transm ite a la turbina de generación eléctrica o de propulsión.

4. M aterial de control: Cadm io o Boro. Son m uy buenos absorbentes de neutrones. Controlan el ritm o de la reacción en cadena o la paran.

5. Blindaje: Horm igón, plom o, acero, agua: evitan la fuga de radicación gam m a y de neutrones rápidos.

6. Seguridad: Elem entos de control activos (electrónicos) y pasivos (arquitectónicos)

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Funcionamiento de un reactor nuclear de fisión típico

Combustible nuclear

Reactor

Barras de control

Arm adura de horm igón

vapor

Turbina

Generador

Agua fría

Bomba de agua

línea eléctrica

Refrigerante

Residuos radiactivos

a) Residuos de alta actividad: Em iten altas dosis de radiación. Formados por los restos que quedan de las varillas del uranio que se usa com o com bustible en las centrales nucleares y otras sustancias que están en el reactor y por residuos de la fabricación de armas atóm icas.Tam bién algunas sustancias que quedan en el proceso m inero de purificación del uranio. plutonio 239 (vida media de 24 400 años), neptuno 237 (vida m edia de 2 130 000 años)plutonio 240 (vida media de 6 600 años). Se almacenan en contenedores resistentes, en zonas geológicas estables

b) Residuos de m edia o baja actividad: Em iten cantidades pequeñas de radiación. Herram ientas, ropas, piezas de repuesto, lodos, etc. de las centrales nucleares, Hospitales, laboratorios de investigación, industrias, etc.Se almacenan cerca de la superficie. En España, en El Cabril (Córdoba)

Fusión nuclear: conversión de dos núcleos de Hidrógeno en uno de Helio

42 He

2 1H

3 1H

neutrónDeuterio

Tritio

42 He +

3 1H

63 Li + neutrón

El tritio seproduce

a partir de

Diagrama de un reactor de Fusión

Plasma gas cargado con núcleos de Deuterio y Tritio y electrones a

≈ 50 000 000 K

plasmaPlasma confinadomagnéticamente

Reactor de Fusión Europeo: JET

cam po polar

electroim anes polares internos y externos

electroim anes toroidales

cam po m agnéticotoroidal

cam po neto

Confinamiento magnéticoen un Reactor de Fusión

Tam año de una persona

6

Comportamiento ondulatorio de la materia

v

v

Interferencia de ondas electromagnéticas:El experimento de la doble rendija (Young, 1801)

lámpara

rendijacolim adora

doblerendija

patrón de Interferencia

constructiva (m áxim os) y destructiva (m ínim os)

Interferencia de ondas materiales:El experimento de la doble rendija ¡con electrones!

experimento con luz experimento con electrones

¡Las partículas presentan propiedades ondulatorias!

Interferencia con átomos de helio

Descripción ondulatoria de las partículas (M ecánica Cuántica)

Longitud de onda de una partícula m aterial(de Broglie, prem io N obel 1919)

λ hm v

=Constante de Planck

M om ento lineal(m asa x velocidad)

∂ ψ(x, t) ηη2 ∂2 ψ(x, t) ∂ t 2m ∂ x

2 i ηη = - + V(x,t) ψ(x, t)

Ecuación de Schrödinger para ondas m ateriales (en una dim ensión)(com parar con la ecuación de ondas clásica, considerando V(x,t)=0)

i número im aginario, ηη = h/2π, V(x,t): energía potencial

ψ(x, t)am plitud de probabilidadde la partícula

|ψ(x, t)|2probabilidadde encontrar la partícula

Significado de lafunción de onda