Introducción a la Física Nuclear

Estructura Atómica

El átomo es una partícula similar a una esfera cuyo radio es del orden de 10^-10 m. Tiene un núcleo, de un radio aproximado de 10^-14 m, en el que se encuentran los protones y los neutrones; los electrones giran alrededor del núcleo en determinadas regiones del espacio denominadas orbitales.

Estabilidad del Núcleo

Para identificar el núcleo de un átomo se utiliza la simbología ^A_ZX:

• X es el símbolo del elemento químico al que corresponde el átomo.
• Z es el número atómico. Coincide con el número de protones del núcleo.
• A es el número másico. Coincide con el número de nucleones del núcleo.

Cada tipo de núcleo diferente constituye un nucleido.

• Isótopos: Tienen el mismo número atómico y distinto número másico.
• Isóbaros: Tienen el mismo número másico y diferente número atómico.
• Isotomos: Tienen el mismo número de neutrones, aunque se diferencian en el número atómico y el número másico.

Con la excepción del H, todos los átomos tienen varias cargas positivas en un espacio muy reducido, el núcleo, lo que parece contradecir la ley electrostática de repulsión entre cargas del mismo signo. Esto nos lleva a pensar que en el núcleo de los átomos debe existir otro tipo de fuerza distinta a la electrostática, que mantenga la unión entre las partículas que allí se encuentran. Esta fuerza es la fuerza nuclear fuerte.

Energía de Enlace

Podríamos considerar que la masa de un núcleo es la masa de sus nucleones. Sin embargo, si medimos la masa de un núcleo concreto, vemos que es inferior a la que resulta de sumar la masa de sus protones y neutrones. Se puede considerar que esta diferencia, llamada defecto de masa, se convierte en energía en el proceso de constitución del núcleo a partir de sus nucleones. Esta energía se denomina energía de enlace del nucleido.

Radiactividad Natural

La radiactividad natural es el proceso por el cual los núcleos atómicos de ciertas sustancias emiten radiación de manera espontánea y se transforman en núcleos de elementos diferentes o bien en núcleos del mismo elemento en un estado de menor energía.

Tipos de Radiación

• Rayos α: Son partículas positivas formadas por 2 protones y 2 neutrones. Su poder de penetración es muy pequeño, un papel o la piel humana la pueden detener.
• Rayos β: Son partículas negativas idénticas a los electrones. Su poder de penetración es mayor que el de las partículas anteriores, pero son contenidas por una lámina de metal.
• Rayos γ: Es radiación electromagnética; por eso no se desvía al atravesar un cuerpo eléctrico. Tiene gran poder de penetración, para detenerla es preciso utilizar gruesas capas de hormigón.

Leyes de Soddy-Fajans

1. Cuando un nucleido emite una partícula α se transforma en otro nucleido cuyo número atómico desciende en 2 unidades y su número de masa, en 4.
2. Cuando un nucleido emite una partícula β se transforma en otro nucleido cuyo número atómico aumenta en una unidad y su número de masa no varía.
3. Cuando un nucleido emite radiación γ sigue siendo el mismo nucleido, pero en un estado energético diferente.

Mecanismo de la Desintegración β

En los procesos radiactivos debe cumplirse la conservación de la masa-energía que se estableció en la teoría de la relatividad espacial. Aplicado a la desintegración beta, este principio obligó a Wolfgang Pauli a postular la existencia de una nueva partícula de masa despreciable llamada neutrino, que fue detectada en 1957.

La desintegración beta que se produce en algunos procesos radiactivos supone la conversión de un neutrón en un protón. Es consecuencia de la interacción nuclear débil, pero que sí afecta a los neutrinos.

El electrón liberado procede del núcleo del átomo como resultado de la desintegración de un neutrón; su origen no está relacionado con los electrones que existen en los orbitales atómicos.

Algunos nucleidos pueden desintegrarse de una manera similar a la anterior, liberando una partícula idéntica al electrón pero de carga positiva, llamada positrón, que resulta del proceso en el que un protón se desintegra dando, además de ella, un neutrón y un neutrino electrónico. A este proceso se le llama desintegración β⁺.

Actividad Radiactiva

Llamamos actividad radiactiva al número de nucleidos que se desintegran por unidad de tiempo. Su valor depende del tipo de nucleido y del número de nucleidos presentes.

El número de nucleidos presentes en un instante t: N=No*e^-λt.

Periodo de Semidesintegración

Es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos que había en la muestra.

Vida Media

La vida media de un nucleido al tiempo que dura un nucleido por término medio. Es un concepto estadístico comparable a lo que conocemos como esperanza de vida en las poblaciones humanas. Se relaciona con el periodo de semidesintegración.