UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MÉXICO

ESCUELA NACIONAL PREPARATORIA

PLANTEL 1

“GABINO BARREDA”

FÍSICA NUCLEAR

PROFRESOR

JOSÉ LUIS AYALA ORTIZ

1

1.- ESTRUCTURA ATÓMICA DE LA MATERIA O DE UNA SUSTANCIA

En la época de Daltón se conocía la Ley de la conservación de la materia y la ley de las proporciones definidas, las cuales fueron la base de su teoría atómica.Daltón considero que los átomos eras esferas sólidas e indivisibles, idea que en la actualidad se rechaza, pero demostró puntos de vista importantes acerca de la naturaleza de la materia y sus interacciones.

En ese tiempo algunos de sus postulados no pudieron verificarse (o refutarse) experimentalmente, ya que se basaban en limitadas observaciones experimentales de su época. Aún con sus limitaciones, los postulados de Daltón constituyen un marco de referencia que posteriormente los científicos pudieron modificar o ampliar.

Por esta razón a John Daltón se le considera el padre de la Teoría Atómica.

La partícula más pequeña de un elemento que mantiene su identidad química a través de todos los cambios químicos y físicos se le llama átomo. E n la filosofía de la antigua Grecia la palabra “átomo” significa “no divisible”. Esa “partícula fundamental” se consideraba indestructible.

4

LAS PRIMERAS CONTRIBUCIONES DE LA QUÍMICA Y EVIDENCIAS FÍSICAS QUE CONDUJERON AL

ESTABLECIMIENTO DE LA “TEORIA ATÓMICA”

Desde que comenzó el estudio de la química el ser humano ha logrado cambiar su calidad de vida y su entorno, la química ha aportado mucho a esto y algunos ejemplos de estas aportaciones son:

* Medicamentos: La revolución química en cuanto a medicinas, vacunas y antibióticos.

*Alimentación: No solo porque nos nutrimos de átomos y moléculas, sino porque esta materia interviene de forma crucial en la generación de alimentos proporcionando cosechas abundantes, protegiéndolas de agentes nocivos, cuidando la salud del ganado, o fabricando todo tipo de aditivos y envases para mantener las propiedades nutritivas intactas.

*Deporte: En la elaboración de bebidas energéticas, con sustancias y medidas especialmente para deportistas de alto y de bajo rendimiento, para mantener en buen estado el cuerpo y evitar deshidratación y otros problemas

*Tecnología: Esta también ha ido cambiando por ejemplo, ahora ya se tienen objetos muy comunes que tienen que ver como la televisión de plasma y el microondas

5*Nuevas sustancias: el estudio de la química también ha ayudado al descubrimiento de nuevas sustancias provenientes algunas del espacio, y como se pueden aprovechase.

Algunas de las evidencias químicas a favor de la existencia del átomo fueron resultado de una combinación de trabajos experimentales y teóricos. A estas evidencias se les clasifica como físicas, porque lo9s experimentos en los que se basan involucran cantidades como presión, temperatura y volumen y no tienen que ver con reacciones químicas entre dos o mas elementos.

Estas evidencias físicas a favor de la existencia de átomo son

*El movimiento browniano: El movimiento browniano es el movimiento aleatorio que se observa en algunas partículas nanoscópicas que se hallan en un medio fluido.

*Teoría cinética de los gases: es una teoría física que explica el comportamiento y propiedades macroscópicas de los gases a partir de una descripción estadística de los procesos moleculares microscópicos.

62.- TEORÍA ATÓMICA DE DALTÓN

En el periodo 1803-1808, John Daltón, utilizo las 2 leyes fundamentales de las combinaciones químicas, “Ley de la conservación de la masa” (la masa total de las sustancias presentes después de una reacción química es la misma que antes de la reacción) y la “Ley de composición constante” (todas la muestras de un compuesto tienen la misma composición) como bases de la teoría atómica.

La teoría atómica de Daltón se resume en 3 postulados:

*Cada elemento químico se compone de partículas pequeñas he indestructibles denominadas átomos.

*Todos los átomos de un elemento son semejantes en masa y (peso) y otras propiedades, pero los átomos de un elemento son diferentes a los del resto de los elementos.

*En cada uno de sus compuestos, los diferentes elementos se combinan en una proporción numérica sencilla: átomo A con un átomo B (AB), o un átomo de A con 2 átomos de B (AB2)

7

LEY DE GAY LUSSAC

A volumen constante, la presión ejercida por una determinada masa de gas es directamente proporcional a la temperatura.

La ley de Gay Luzca o de Charles es una de las más importantes leyes acerca del comportamiento de los gases, y ha sido usada de muchas formas diferentes, desde globos de aire caliente hasta acuarios. Se expresa por la fórmula:

V KT donde: *V es el volumen

*T es la temperatura absoluta (es decir, medida en Kelvin)

*k es la constante de proporcionalidad

Además se obtiene despejada que:

P1= T1/T2 * P2

T1= V1/V2 * T2

P2= T2/T1 * P1

T2= V2/V1 * T1

HIPÓTESIS DE AVOGADROAmadeo Avogadro en 1811 aventuró la hipótesis de que en estas circunstancias los recipientes deberían de contener el mismo número de partículas. En otras palabras, la hipótesis de Avogadro se puede enunciar:

"Volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de partículas, a la misma presión y temperatura"

Desde Avogadro hasta nuestros días, la palabra partícula se emplea para designar tanto átomos como moléculas.

Avogadro estableció un numero que es el cálculo promedio de átomos en una medida llamada mol: 6.023x1023 8

PESO MOLECULAR

El cálculo del peso molecular es sencillo. Tomamos la fórmula molecular de un compuesto, tomamos los pesos atómicos de los elementos que lo componen y multiplicamos cada peso atómico por el subíndice que corresponde al elemento según la fórmula molecular. Por ejemplo: NaCl esta fórmula es de la sal de mesa

Na= 23 23+35= 58g/mol

Cl = 35

CALOR CEDIDO Y CALOR ABSORBIDO

Se refiere a cuando existen dos cuerpo, pero con la condición de que uno de ellos tenga una mayor temperatura que el otro.

Calor cedido es el que el cuerpo de menor temperatura recibe del que tiene mayor temperatura. Es la diferencia de la temperatura inicial y la final del cuerpo que tenia en un PRINCIPIO la temperatura MAYOR.

El calor absorbido es el que el cuerpo con mayor temperatura cedió al de menor temperatura. Es la diferencia entre la temperatura inicial y la final del cuerpo con la MENOR temperatura inicial.

9

MENDELEYEV Y SU TABLA PERIÓDICA

Mendeleyev fue un químico ruso, creador de la tabla periódica de los elementos. Su investigación principal fue la que dio origen a la enunciación de la ley periódica de los elementos base del sistema periódico que lleva su nombre. En 1869 publico su libro “Principio de la química”, en el que desarrollaba la teoría de la tabla periódica de los elementos. La tabla periódica fue propuesta por Mendeleyev y Meyer quienes, trabajando por separado, prepararon una ordenación de los 64 elementos conocidos,

basándose en la variación de las propiedades químicas y físicas con la variación de sus masas atómicas.

103.-EVIDENCIA FÍSICA

*MOVIMIENTO BROWNIANO

El movimiento browniano es el movimiento aleatorio que se observa en algunas partículas nanoscópicas que se hallan en un medio fluido. Recibe su nombre en honor a Robert Brown quien lo describe en 1827. En 1785, el mismo fenómeno había sido descrito por4 Jan Ingenuos sobre las partículas de carbón y alcohol. El movimiento aleatorio de

estas partículas se debe a que su superficie es bombardeada incesantemente por las moléculas de fluido sometidas a una agitación térmica.

*LEYES DE LOS GASES Y TEORIA CINÉTICA

Se denomina gas al estado de la materia que no tiene forma propia. Su principal son moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, haciendo que no tenga forma definida, provocando que este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene, con respecto a los gases las fuerzas gravitatorias y de atracción entre partículas resultan insignificantes.*Existen diferentes leyes que relacionan la presión, el volumen y la temperatura de los gases:

LEY DE BOYLE-MARIOTTECuando el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas es mantenida a temperatura constante, el volumen será inversamente proporcional a la presión.

LEY DE AVOGADRO

Es aquella en el que las constantes son presión y temperatura, siendo el volumen directamente proporcional al numero de moles.

LEY DE CHARLES

A una presión dada, el volumen ocupado por un gas es directamente proporcional a su temperatura.

11LEY DE GAY-LUSSAC

La presión de un gas que se mantiene a un volumen constante, es directamente proporcional a la temperatura:

LEY DE LOS GASES IDEALES

La ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y que chocan con

choques perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética). Los gases reales que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura.

Empíricamente, se observan una serie de relaciones entre la temperatura, la presión y el volumen que dan lugar a la ley de los gases ideales, deducida por primera vez por Émile Clapeyron en 1834.

La ecuación que describe normalmente la relación entre la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad de un gas ideal es:

Donde:

* = Presión

* = Volumen

* = Moles de gas

* = Constante del gas ideal

* = Temperatura en Kelvin

12

LEY DE ELECTRÓLISIS DE FARADAY

Faraday nació en una familia pobre y religiosa. En la Iglesia aprendió una profunda reverencia hacia el Creador de todas las cosas. Estas convicciones religiosas influyeron profundamente en su trabajo, ya que Dios era una fuerza de importancia fundamental en su vida personal y en su trabajo investigador.

Su aprendizaje en las escuelas fue mínimo, y tuvo que trabajar en el oficio de encuadernador de libros. Escuchaba las conferencias de Davy en la Royal Institution, y en 1813 le invitó a trabajar en dicha institución como ayudante de laboratorio.

Durante una década trabajó a su lado y recibió una completa educación en Química, leyendo cuidadosamente los trabajos más recientes, y consiguió una gran habilidad y destreza en la manipulación de los materiales y de los instrumentos de laboratorio que tendrían una importancia decisiva en sus investigaciones a lo largo de su vida científica.

Hacia 1820 se independizó, y comenzó su larga y fecunda carrera científica. La contribución de Faraday fue desde entonces inmensa, hizo del orden de 30.000 experimentos, que describía cuidadosamente en sus diarios, y anotaciones.

ESTRUCTURA CRISTALINA

La mayoría de los materiales sólidos no metálicos con los que uno a diario esta en contacto, encuentra que no hay diferencia característica entre su forma externa y la de casi todos los objetos metálicos. De aquí que resulte bastante sorprendente para la mayoría de la gente saber que los materiales metálicos poseen una estructura cristalina, mientras que materiales como la madera, plásticos, papel, vidrio y otros no la poseen, éste tipo de materiales tienen un arreglo al azar en sus partículas de manera que logran rigidez a la temperatura ambiente.

Los sólidos se pueden clasificar teniendo en cuenta el arreglo interno de sus partículas, en amorfos y cristalinos.

Se puede decir que un sólido es un material que posee forma y volumen definidos y que es una sustancia constituida por átomos metálicos, átomos no metálicos, iones ó moléculas. 13

FORMACION DE IMÁGENES EN EL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO

Un microscopio electrónico es aquél que utiliza electrones en lugar de fotones o luz visible para formar imágenes de objetos diminutos. Los microscopios electrónicos permiten alcanzar una capacidad de aumento muy superior a los microscopios convencionales (hasta 500.000 aumentos comparados con los 1000 de los mejores microscopios ópticos) debido a que la longitud de onda de los electrones es mucho menor que la de los fotones.

Un microscopio electrónico funciona con un haz de electrones generados por un cañón electrónico, acelerados por un alto voltaje y focalizados por medio de lentes magnéticas (todo ello al alto vacío ya que los electrones son absorbidos por el aire). Los electrones atraviesan la muestra (debidamente deshidratada) y la amplificación se produce por un conjunto de lentes magnéticas que forman una imagen sobre una placa fotográfica o sobre una pantalla sensible al impacto de los electrones que transfiere la imagen formada a la pantalla de un ordenador. Los microscópios electrónicos sólo se pueden ver en blanco y negro, puesto que no utilizan la luz, pero se le pueden dar colores en el ordenador. Como se puede apreciar, su funcionamiento es semejante a un monitor monocromático.

14

4.-TEORIA ATOMICA DE LA ELECTRICIDAD

Todos los cuerpos del Universo están formados por materia, ya sean sólidos, líquidos y gaseosos. Por ejemplo, una barra de acero, un trozo de madera, un litro de agua, el aire que respiramos, etc.

El átomo es la porción más pequeña en que se puede dividir la materia conservando sus propiedades como elemento químico. A su vez, los átomos están compuestos por ciertas partículas subatómicas: electrones, protones y neutrones.

La parte central del àtomo se denomina “núcleo atómico” y las partículas que se encuentran en esta zona se llaman “nucleones”. Los nucleones fundamentales son el protón y el neutrón.

La región que rodea al núcleo atómico se denomina “nube electrónica” o “envoltura electrónica” y contiene a los electrones.

15TUBOS DE DESCARGA

El cuerpo o tubo de descarga de las lámparas fluorescentes se fabrica de vidrio, con diferentes longitudes y diámetros. La longitud depende, fundamentalmente, de la potencia en watt (W) que desarrolle la lámpara. El diámetro, por su parte, se ha estandarizado a una pulgada en la mayoría de los tubos. Los más comunes y de uso más generalizado tienen forma recta, aunque también se pueden encontrar con forma circular.

La pared interior del tubo se encuentra recubierta con una capa de sustancia fosforescente o fluorescente, cuya misión es convertir los rayos de luz ultravioleta (que se generan dentro y que no son visibles para el ojo humano), en radiaciones de luz visible. Para que eso ocurra, su interior se encuentra relleno con un gas inerte, generalmente argón y una pequeña cantidad de mercurio líquido. El gas argón se encarga de facilitar el surgimiento del arco eléctrico que posibilita el encendido de la lámpara, así como de controlar también la intensidad del flujo de electrones que atraviesa el tubo.

EXPERIMENTO DE THOMPSON

Consiste en el sometimiento de hidrogeno en un tubo de rayos catódicos y puestos a un voltaje de 1000 volts se producían rayos que contenían partículas negativas y con masa. A esto se le conoce como modelo atómico de Tompson. El creía que los electrones se encontraban incrustados en un esfera de carga positiva.

El aparato consistía en un tubo de vidrio en el que se hacía un vacío elevado, disponiendo en su interior de varios electrodos metálicos:

*C = cátodo de donde parten los electrones.

*A, A1= ánodos con orificio, mantenidos a un potencial positivo elevado.

*P, P1= láminas desviadoras separadas una distancia conocida, que originan una diferencia de potencial y, en consecuencia, un campo eléctrico conocido, E, que se

supone uniforme a lo largo de L. 16

*S = placa fluorescente donde se impresiona el impacto del electrón.

Del cátodo C parten los electrones; la mayor parte golpean en A, pero algunos atraviesan el orificio. Este número de electrones se reduce al pasar por el electrodo A', quedando un pequeño haz de electrones que es el que es desviado por los campos Ey B durante la distancia a.

EXPERIMENTO DE MILLIKAN

Se denomina experimento de la gota de aceite al experimento clásico realizado en 1909 por el físico estadounidense Robert Millikan y que le permitió medir la carga del electrón. El experimento consiste en introducir en un gas, gotitas de aceite de un radio del orden de un micrómetro. Estas gotitas caen muy lentamente, con movimiento uniforme, con su peso compensado por la viscosidad del medio. Este tipo de movimiento viene regido por la ley de Stokes. Ahora bien, las gotas se cargan electrostáticamente al salir del atomizador por lo que su movimiento de caída se altera fuertemente si se hace actuar un campo eléctrico vertical. Ajustando convenientemente el campo, puede lograrse que la gota permanezca en suspensión. Conociendo el valor m de la masa de la gota, la intensidad E del campo eléctrico y el valor g de la gravedad, puede calcularse la carga q de la gota en equilibrio:

mg = qE

Millikan comprobó que las variaciones de esta carga eran siempre múltiplos de una carga elemental, indudablemente la del electrón. Por consiguiente pudo medir la carga eléctrica que posee un electrón. Este valor es:

e = 1,602 × 10-19 culombios.

Millikan recibió el premio Nóbel de Física en 1923 en parte por este experimento. 17

5.-TEORIA ATOMICA DE LA RADIACIÓN

Cada sustancia del universo, las piedras, el mar, nosotros mismos, los planetas y hasta las estrellas más lejanas, están enteramente formada por pequeñas partículas llamadas átomos.

Son tan pequeñas que no son posibles de fotografiarlas. Para hacernos una idea de su tamaño, un punto de esta línea puede contener dos mil millones de átomos.

Estas pequeñas partículas son estudiadas por la química, ciencia que surgió en la edad media y que estudia la materia.

Pero si nos adentramos en la materia nos damos cuenta de que está formada por átomos. Para comprender estos átomos a lo largo de la historia diferentes científicos han enunciado una serie de teorías que nos ayudan a comprender la complejidad de estas partículas. Estas teorías significan el asentamiento de la química moderna.

RADIACTIVIDAD

La radiactividad o radioactividad es un fenómeno físico natural, por el cual algunos cuerpos o elementos químicos llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, etc. Debido a esa capacidad se las suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas en forma de rayos X o rayos gamma, o bien partículas, como pueden ser núcleos de Helio, electrones o positrones, protones u otras. La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables". Es decir que se mantienen en un estado excitado en sus capas

electrónicas o nucleares, con lo que para alcanzar su estado fundamental deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética. Esto se produce variando la energía de sus electrones (emitiendo rayos X), sus nucleones (rayo gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones,

18

neutrones, protones o partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el Uranio que con el transcurrir de los siglos acaba convirtiéndose en plomo.

Es aprovechada para la obtención de energía, usada en medicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y densidades entre otras).La radiactividad puede ser:

*Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza.

*Artificial o inducida: manifestada por los radioisótopos producidos en transformaciones artificiales.

Se comprobó que la radiación puede ser de tres clases diferentes:

1.-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. Y son muy energéticos.

2.-Radiación beta: son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas) 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).

3.-Radiación gamma: son ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlos.

19RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo.

HIPOTESIS CUANTICA DE PLANK

Aunque en un principio fue ignorado por la comunidad científica, profundizó en el estudio de la teoría del calor y descubrió, uno tras otro, los mismos principios que ya había enunciado Josiah Willard Gibbs (sin conocerlos previamente, pues no habían sido divulgados). Las ideas de Clausius sobre la entropía ocuparon un espacio central en sus pensamientos.

En 1899, descubrió una constante fundamental, la denominada Constante de Planck, usada para calcular la energía de un fotón. Se basa en que el máximo de incertidumbre de la masa de una partícula multiplicada por el máximo de incertidumbre de la velocidad de una partícula multiplicada por el máximo de incertidumbre de su volumen nunca puede ser menor que una determinada cantidad, que es la constante. Ese mismo año describió su propio grupo de unidades de medida basadas en las constantes físicas fundamentales. Un año después descubrió la ley de radiación del calor, denominada Ley de Planck, que explica el espectro de emisión de un cuerpo negro. Esta ley se convirtió en una de las bases de la teoría cuántica, que emergió unos años más tarde con la colaboración de Albert Einstein y Niels Bohr. 20

EFECTO FOTOELECTRICO

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluye en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:

*Fotoconductividad: es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo XIX.

*Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.

El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887. La explicación teórica solo fue hecha por Albert Einstein en 1905 quien basó su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck y Leonad. Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta... y demostró que sí lo era. Eso permitió que

Einstein y Millikan compartiesen el premio Nobel en 1921 y 1923 respectivamente.

21

6.-MODELOS ATÓMICOS

22

DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD

El fenómeno de la radiactividad fue descubierto casualmente por Henri Becquerel 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.

23

EXPERIMENTO DE RUTHERFORD

El experimento de Rutherford ", fue un experimento realizado por Hans Geiger y Ernest Marsden en 1909, bajo la dirección de Ernest Rutherford en los Laboratorios de Física de la Universidad de Manchester. Los resultados obtenidos y el posterior análisis tuvieron como consecuencia la rectificación del modelo atómico de Thomson (modelo atómico del panqué con pasas) y la propuesta de un modelo nuclear para el átomo.

El experimento consistió en "bombardear" con un haz de partículas alfa una fina lámina de metal y observar cómo las láminas de diferentes metales afectaban a la trayectoria de dichos rayos.

Las partículas alfa se obtenían de la desintegración de una sustancia radiactiva, el polonio. Para obtener un fino haz se colocó el polonio en una caja de plomo, el plomo detiene todas las partículas, menos las que salen por un pequeño orificio practicado en la caja. Perpendicular a la trayectoria del haz se interponía la lámina de metal. Y, para la detección de trayectoria de las partículas, se empleó una pantalla con sulfuro de zinc que produce pequeños destellos cada vez que una partícula alfa choca con él.

24ESPECTROSCOPIA

La espectroscopia es el estudio del espectro luminoso de los cuerpos, con aplicaciones en química, física y astronomía, entre otras disciplinas científicas. El análisis espectral en el cual se basa, permite detectar la absorción o emisión de radiación electromagnética de ciertas energías, y relacionar estas energías con los niveles de energía implicados en una transición cuántica. Por analogía con otras palabras que designan ramas de la ciencia.Existe diferentes tipos de espectroscopia:

*Espectroscopia astronómica

*Espectroscopia de absorción atómica

*Espectroscopia de fluorescencia

*Espectroscopia de rayos X

*Espectroscopia de resonancia magnética nuclear

*Espectroscopia infrarroja

*Espectroscopia ultravioleta-visible

257.-FISICA NUCLEAR

La física nuclear es una rama de la física que estudia las propiedades y el comportamiento de los núcleos atómicos. La física nuclear es conocida mayoritariamente por la sociedad en su papel en la energía nuclear en centrales nucleares y en el desarrollo de armas nucleares, tanto de fisión como de fusión nuclear. En un contexto más amplio, se define la física nuclear y física de partículas como la rama de la física que estudia la estructura fundamental de la materia y las interacciones entre las partículas subatómicas.

DECAIMIENTO RADIOACTIVO

Existe una relación entre la estabilidad del núcleo atómico y la relación del número de protones/número de neutrones. Para nucleidos con masas atómicas bajas, la mayor estabilidad se logra cuando N ≈ Z, pero conforme seincrementa la masa atómica, la relación estable se aproxima a N/Z ≈ 1.5. La trayectoria de estabilidad es un "valle"de energía en el cual los núclidos inestables de los alrededores tienden a caer, emitiendo partículas de energía,constituyendo así el fenómeno de decaimiento radioactivo.

La naturaleza de las partículas emitidas depende de lalocalización del núclido inestable relativo al valle de energía. Los núclidos inestables en cada lado del valleusualmente decaen por procesos isobáricos, esto es, un protón nuclear es convertido a un neutrón o viceversa, pero lamasa del núclido no cambia significativamente.

En contraste, los núclidos inestables en la parte alta del valle deenergía frecuentemente decaen por emisión de una partícula pesada , reduciendo la masa total delnúclido.

26PARTÍCULAS ALFA, BETA Y GAMMA

PARTÍCULAS ALFA

Las partículas o rayos alfa son núcleos totalmente ionizados de Helio-4. Es decir, sin su envoltura de electrones correspondiente. Estos núcleos están formados por dos protones y dos neutrones. Al carecer de electrones, su carga eléctrica es positiva, de +2qe de carga, mientras que su masa es de 4 uma.

Se generan habitualmente en reacciones nucleares o desintegración radiactiva de otros núclidos que se transmutan en elementos más ligeros mediante la emisión de dichas partículas.

PARTÍCULAS BETAUna partícula beta es un electrón que sale despedido de un suceso radiactivo. Por la ley de Fajans, si un átomo emite una partícula beta, su carga eléctrica aumenta en una unidad positiva y el número de masa no varía. Ello es debido a que la masa del electrón es despreciable frente a la masa total del átomo. En cambio, al ser emitida una carga negativa, el átomo queda con una carga positiva más, para compensar el total de la carga eléctrica, con lo cual el número de electrones disminuye. Este proceso es debido a la desintegración de un neutrón en un protón y un electrón (desintegración beta).

27PARTÍCULAS GAMMA

La radiación gamma (γ) es un tipo de radiación electromagnética producida generalmente por elementos radioactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida en fenómenos astrofísicos de gran violencia.

Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos.

28TRANSMUTACIÓN

En la Alquimia, física y química es la conversión de un elemento químico en otro.

Desde los tiempos de la Alquimia se creía que esto era posible a base de reacciones químicas. Sobre todo desde que se conocía que la densidad del oro y el plomo eran muy semejantes (ver: Piedra filosofal).

Desde el descubrimiento del átomo se sabe que esto no es posible químicamente ya que la transmutación implica la alteración de los núcleos atómicos y éstos se encuentran fuertemente unidos.

Sin embargo, dicho fenómeno aparece en la naturaleza de forma espontánea cuando ciertos elementos químicos e isótopos tienen núcleos inestables. En dichos elementos, se producen fenómenos de radiación (alpha y beta) y de fisión nuclear en donde los elementos van transmutándose en elementos de peso atómico inferior hasta que su núcleo se vuelve estable (normalmente en plomo).

El fenómeno contrario, la transmutación en elementos de mayor peso atómico, se da también a altas temperaturas como las que se registran en el sol, denominándose a dicho proceso fusión nuclear.

RADIOISOTOPOS COMUNES

Los radioisótopos son variantes de un elemento, que difieren en el número de neutrones que poseen, manteniendo igual el número de protones. Un isótopo radiactivo de un elemento se caracteriza por tener un

núcleo atómico inestable (por el balance entre neutrones y protones) y emitir energía cuando cambia de esta forma a una más estable. La energía liberada al cambiar de forma puede detectarse con un contador Geiger o con una película fotográfica.

Cada isótopo tiene una semivida o vida media característica.

29

La energía puede ser liberada, principalmente, en forma de rayos alfa (núcleos de helio), beta (electrones) o gamma (energía electromagnética).

Varios isótopos radiactivos artificiales tienen usos en medicina. Por ejemplo, un isótopo del tecnecio puede usarse para identificar vasos sanguíneos bloqueados. Varios isótopos radiactivos naturales se usan para reconstruir cronologías, por ejemplo, arqueológicas.

Existen los isótopos radiactivos naturales que derivan principalmente de los de uranio y del torio. Estos isótopos se desintegran a lo largo de miles de millones de años.

El periodo de semidesintegracion radiactiva es el tiempo en el la radiactividad del isótopo se reduce a la mitad.

DETECTORES DE RADIOACTIVIDAD

La radiactividad es invisible y silenciosa, pero se puede medir por distintos procedimientos. En muchos puntos del mundo, en Europa y también en España existen instalaciones de control para medir la radiactividad natural y la producida artificialmente. Pero para conocer los efectos de las radiaciones nos interesa saber de qué tipo son, qué intensidad tienen y cuánto tiempo duran. Es decir, además de saber cual es el nivel o la cantidad de radiación, necesitamos conocer cómo son las radiaciones que se producen, qué efecto tienen y cuánto tiempo duran esos efectos. En particular, nos interesa saber de qué manera las radiaciones pueden afectar al ser humano. Para ello utilizamos unas unidades que llamamos sieverts y distintos

equipos de medición, según los diferentes tipos de radiación.

La ley establece que en los lugares de trabajo que utilicen equipos o materiales radiactivos hay que controlar las dosis de radiación que pueden recibir los trabajadores y la población en general. Para ellos se utilizan dosímetros personales y otros controles ambientales. De modo que en cada momento puede conocerse cuántas radiaciones ha percibido una persona y de qué tipo son y controlar si esa cantidad está dentro de los límites tolerables para que su salud no se vea afectada.

30

Así se hace en las centrales nucleares y en las industrias y hospitales que utilizan elementos radiactivos.

Hay diferentes formas de poder detectar la radioactividad:

Detección Fotográfica: Las emanaciones procedentes de sustancias radiactivas afectan a las placas fotográficas al igual que la luz común. El descubrimiento de Becquerel de la radiactividad se debió a la exposición inesperada de una placa de este tipo envuelta en papel negro que se colocó cerca de una muestra cerrada de un compuesto que contenía uranio, el sulfato de potasio y uranio. Una vez revelada y fijada la placa, pudo relacionarse la intensidad de la mancha con la cantidad de radiación que chocó contra ella. La detección cuantitativa de la radiación por este método es difícil y tediosa.

Detección por Fluorescencia: Las sustancias fluorescentes pueden absorber radiación de alta energía como los rayos gamma y emitir posteriormente luz visible. Al absorber la radiación los átomos que la reciben, saltan a estados electrónicos excitados. Los electrones excitados regresan a los estado basales mediante una serie de transiciones en algunas de las cuales se emite la luz visible. Este método puede emplearse para la detección cuantitativa de la radiación empleando un instrumento llamado contador de centelleos.

Cámaras de Nebulización: La cámara de nebulización original fue creada por C.T.R. Wilson en 1911, contiene aire saturado con vapor. Las partículas emitidas por las sustancias radiactivas ionizan las moléculas de aire de la cámara, y cuando ésta se enfría se condensan gotitas de líquido sobre los iones. Es posible seguir la trayectoria de las partículas observando los rastros que quedan en la niebla. Estos pueden fotografiarse para estudiarse con detalles.

Contadores de Ionización de Gas: El contador de ionización de gas más común es el contador Geiger-Muller. La radiación penetra al tubo a través de una delgada ventana. Pueden emplearse ventanas con distintas potencias de detención para admitir solo radiación con ciertas potencias de penetración.

31

APLICACIONES DE LA RADIACTIVIDAD Y LA ENERGIA NUCLEAR

En nuestros dias, las aplicaciones de la radioactividad son cada vez màs numerosas:

*La arqueología, geología y antropología utilizan el carbono 14 u otros isótopos para calcular la edad de los objetos obtenidos

*Biología: gracias a la radioactividad se realizan actividades como la del genoma humano, y de animales, metabolismo celular,etc.

*Medicina: sirve entre otras cosas para deshacer el cáncer de las células del cuerpo, pero de igual forma la mata.

*Industria: Los rayos x sirven para la detección de funciones erradas en la soldadura de algunas máquinas al igual que lo gamma. También se pueden detectar fugas en las tuberías y en los neumáticos de los carros, eficacia de los detergentes, etc.

La energía nuclear se utiliza en muchos y variados ámbitos de la humanidad:

*Agricultura y alimentación: los procesos biológicos son beneficiados por el uso de energía nuclear en la agricultura, se puede calcular el momento indicado para podar la plantas y otras labores, como lograr que las uvas acumulen mayor cantidad de azucares.

*La energía nuclear también causa mutaciones en las plantas se radia a los vegetales que se quiere mejoren genéticamente.

*También con la energía nuclear se eliminan algunas plagas en los cultivos.

32FISION Y FUSION

FISION

Fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo del átomo. La fisión ocurre cuando un núcleo se divide en dos o más núcleos pequeños, más algunos subproductos. Estos subproductos incluyen neutrones libres, fotones y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa y beta .La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico lo que supone que se liberan cantidades sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que la liberada en las reacciones químicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación gamma como de energía cinética de los fragmentos de la fusión, que calentarán a la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzca la fisión.

La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con otra partícula de la energía correcta; la otra partícula es

generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndole inestable. El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media de dos y medio por reacción), y algunos fotones.Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos. Los elementos que se producen son resultado del azar, pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones del átomo fisionado original.Los productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos: no son isótopos estables; estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de desintegración.

33FUSIÓN

La fusión nuclear es el proceso mediante el cual dos núcleos atómicos se unen para formar uno de mayor peso atómico. No debe confundirse con el accidente de las centrales nucleares denominado "fusión del núcleo", que hace referencia a que la parte más "interna" (núcleo) del reactor nuclear se funde como resultado del cese de su adecuado control y refrigeración.

El nuevo núcleo tiene una masa inferior a la suma de las masas de los dos núcleos que se han fusionado para formarlo. Esta diferencia de masa es liberada en forma de energía. La energía que se libera varía en función de los núcleos que se unen y del producto de la reacción. La cantidad de energía liberada corresponde a la fórmula E = mc², donde m es la diferencia de masa observada en el sistema entre antes y después de la fusión y "c" es la velocidad de la luz (300.000 km/s).

Los núcleos atómicos tienden a repelerse debido a que están cargados positivamente, de forma que cuanto más cerca estén más intensa es la fuerza repulsiva. Pero también ocurre otro proceso: existen fuerzas nucleares atractivas que son extremadamente intensas a distancias muy pequeñas. Esto hace que la fusión solo pueda darse en condiciones de temperatura y presión muy elevadas que permitan compensar la fuerza de repulsión. La temperatura elevada hace que aumente la agitación térmica de los núcleos y esto los puede llevar a fusionarse, debido al efecto túnel. Para que esto ocurra son necesarias temperaturas del orden de millones de kelvins. El mismo efecto se puede producir si la presión sobre los núcleos es muy grande, obligándolos a estar muy próximos.

Las necesidades mínimas para producir la fusión se llaman Criterios de Lawson, y son criterios de densidad iónica y tiempo mínimo de confinamiento necesario.

La reacción de fusión más sencilla es la del deuterio y el tritio formando helio.La fusión nuclear es el proceso que se produce en las estrellas y que hace que brillen. También es uno de los procesos de la bomba de hidrógeno. Al contrario que la fisión nuclear, no se ha logrado utilizar la fusión nuclear como medio rentable de obtener energía, aunque hay numerosas investigaciones en esa dirección. 34

8.- PARTICULAS ELEMENTALES Y COSMOLOGIA

PARTÍCULAS ELEMENTALES

Las partículas elementales son los constituyentes elementales de la materia. Originalmente el término partícula elemental se usó para toda partícula subatómica como los protones y neutrones, los electrones y otros tipos de partículas exóticas que sólo pueden encontrarse en los rayos cósmicos o en los grandes aceleradores de partículas, como los piones o los muones. Sin embargo, a partir de los años 1970 quedó claro que los protones y neutrones son partículas compuestas de otras partículas más simples. Actualmente el nombre partícula elemental se usa para las partículas, que hasta donde se sabe, no están formadas por partículas más simples en interacción.

35COSMOLOGIA

Cosmología, del griego: cosmologia, cosmos =orden y logia= discurso es el estudio a gran escala de la estructura y la historia del Universo en su totalidad y, por extensión, del lugar de la humanidad en él. Aunque la palabra «cosmología» es reciente (utilizada por primera vez en 1730 en el Cosmologia Generalis de Christian Wolff), el estudio del Universo tiene una larga historia involucrando a la física, la astronomía, la filosofía, el esoterismo y la religión.

INTERACCIONES FUNDAMENTALES

En física, interacciones fundamentales se denominan a las cuatro interacciones fundamentales existentes en nuestro universo. Según el modelo estándar, las partículas que interaccionan con las partículas materiales, fermiones, son los bosones.

Existen cuatro tipos de interacciones fundamentales: interacción nuclear fuerte, interacción nuclear débil, interacción electromagnética e interacción gravitatoria. Casi toda la historia de la física moderna se ha centrado en la unificación de estas interacciones, hasta ahora tanto la interacción débil y la electromagnética se han podido unificar en el interacción electrodébil. En cambio, la unificación de la fuerza fuerte con esta electrodébil es el motivo de toda la teoría de la gran unificación. Y finalmente, la teoría del todo involucraría esta interacción electronuclear con la gravedad.

36

La comunidad científica prefiere el nombre de interacciones fundamentales al de fuerzas debido a que con ese término se pueden referir tanto a las fuerzas como a los decaimientos que afectan a una partícula dada.

Interacción gravitatoria: Es la más conocida de las interacciones debido a que a grandes distancias, como las observadas habitualmente, tiene mayores impactos que las demás. Junto al electromagnetismo, son las interacciones que actúan a grandes distancias y contraria a esta, tiene

solo carácter de atracción. En comparación con el resto de fuerzas es la más débil.

Ésta hace que la energía interaccione entre sí y con la masa al ser ésta representación más intuitiva de energía, actúa sobre ella. La teoría de la relatividad general estudia esta interacción y la describe como una Curvatura del espacio-tiempo, en otras palabras a la deformación que sufre el espacio-tiempo por la presencia de grandes masas.

Según hipótesis del modelo estándar, la interacción gravitatoria, gravitación o fuerza de la gravedad, es transmitida por el gravitón. Cabe indicar que la teoría de la gravitación. en su formulación actual, no es una interacción que sea muy consistente con la descripción usual de la física de partículas. Sin embargo, debido a que la gravitación aparece sólo en distancias muy por encima del radio atómico esto permite en la práctica usar ambas teorías simultáneamente sin encontrar demasiado conflicto.

Interacción electromagnética: El electromagnetismo es la interacción que actúa entre partículas con carga eléctrica. Este fenómeno incluye a la fuerza electrostática, que actúa entre cargas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas eléctrica y magnética que actúan entre cargas que se mueven una respecto a la otra.

El electromagnetismo también tiene un alcance infinito y como es mucho más fuerte que la gravedad describe casi todos los fenómenos de nuestra experiencia cotidiana. Estos van desde el rayo láser y la radio, a la estructura atómica y a fenómenos tales como la fricción y el arco iris.

37

Los fenómenos eléctricos y magnéticos han sido observados desde la antigüedad, pero fue a partir de 1800 que los científicos descubrieron que la electricidad y el magnetismo son dos aspectos fundamentales de la misma interacción. En 1864, las ecuaciones de Maxwell había unificado rigurosamente ambos fenómenos. En 1905, la teoría de Einstein de la relatividad especial resolvió la

cuestión de la constancia de la velocidad de la luz. También Einstein explicó el efecto fotoeléctrico al teorizar que la luz se transmitía también en forma de cuantos, que ahora llamamos fotones. A partir de 1927, Paul Dirac unifica la mecánica cuántica con la teoría relativista del electromagnetismo, la teoría de la electrodinámica cuántica, que se completó en la década de 1940.

Interacción nuclear fuerte: La interacción fuerte, también conocida como interacción nuclear fuerte, es la interacción que permite a unirse a los quarks para formar hadrones. La interacción electromagnética se da entre partículas cargadas eléctricamente, aquí las partículas también tienen carga, la carga de color. Su accionar a pesar de ser el más fuerte sólo se lo aprecia a muy cortas distancias tales como el radio atómico. Según el modelo estándar, la partícula mediadora de esta fuerza es el gluón. La teoría que describe a esta interacción es la y fue propuesta por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross en la década de 1980.

Como resultado colateral de la interacción entre quarks, existe una manifestación de la fuerza nuclear fuerte que explica que dentro del núcleo atómico a los protones y neutrones. Debido a la carga positiva de los protones, para que éstos se encuentren estables en el núcleo debía existir una fuerza mas fuerte que la electromagnética para retenerlos. Ahora sabemos que la verdadera causa de que los protones y neutrones no se desestabilicen es la llamada interacción fuerte residual . Esta interacción entre nucleones (protones y neutrones) se produce a través de parejas de quark-antiquark en forma de piones.

38

Interacción nuclear débil:La interacción débil, también conocida como interacción nuclear débil, se acopla a un tipo de carga llamada sabor, que la poseen los quarks y los leptones.

Esta interacción es la causante de los cambios de sabor en estas partículas, en otras palabras es la responsable que de quarks y leptones decaigan en partículas mas livianas, además es la que produce desintegraciones beta. La teoría de Glashow-Weinberg-Salam estudia la interacción débil y la electrodinámica cuántica de manera unificada en lo que se llama Modelo electrodébil.

Según el modelo estándar, la interacción débil es mediada por los bosones W y Z que son partículas muy masivas. Su intensidad es menor que la intensidad de la electromagnética y su alcance es menor que el de la interacción fuerte. Al igual que la interacción fuerte y la gravitatoria es esta una interacción únicamente atractiva.

ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO A PARTIR DE ESTE CONCEPTO

Las observaciones sugieren que el universo como lo conocemos empezó hace aproximadamente 13.700 millones de años. Desde entonces, la evolución del universo ha pasado por tres fases.

El universo muy primigenio, que sigue siendo comprendido pobremente, fue la fracción de segundo que el universo estaba tan caliente que las partículas tenían una energía tan alta que estas sólo son accesibles en la Tierra con un acelerador de partículas. Por tanto, mientras las características básicas de esta época han sido resueltas en la teoría del Big Bang, los detalles están ampliamente basados en conjeturas de culto. Siguiendo a esto, en el Universo primigenio, la evolución del Universo procedió de acuerdo a la conocida física de alta energía.

Fue enconces cuando se formaron los primeros protones, neutrones y electrones, después los núcleos y finalmente los átomos.

39

Con la formación de hidrógeno neutro, se emitió el fondo cósmico de microondas. Finalmente, la época de las formaciones estructurales comenzó, cuando la materia empezó a agregarse en las primeras estrellas y quasars y por último se formaron las galaxias, las agrupaciones galácticas y los supercúmulos. El futuro del Univeso no es firmemente conocido

40