¿Cuáles son los constituyentes de la radiación cósmica del espacio exterior?2.1 MODELOS ATÓMICOS
Los modelos del átomo.
Los fenómenos de la naturaleza que deseamos interpretar, no son tan fáciles de reproducir en un laboratorio. Lo mismo sucede con una teoría que explique el comportamiento de los fenómenos de la naturaleza.
Para explicarse muchos de los fenómenos de la naturaleza el hombre de ciencia utiliza los modelos.
Los modelos físicos es una manera simplificada de “ver” un sistema complejo para obtener una percepción interna de sus propiedades. La utilidad de un modelo queda probada si es capaz de hacer predicciones que puedan comprobarse experimentalmente en el laboratorio.
Para entender la estructura del átomo los físicos han empleado los modelos. Desde la antigüedad, Empédocles (490? – 430? a.n.e.), Demócrito ((460?-370? a.n.e.), sustentaron teorías atomísticas en las que consideraban que “la infinita variedad de sustancias conocidas podía explicarse si se admitía que la materia estaba compuesta de diminutas partículas indivisibles e indestructibles, a las cuales denominaban átomos”.
El desarrollo de una teoría atómica científica comienza en 1803 con los trabajos del científico inglés Juan Dalton (1766-1844).
2.1.1 DALTON
Sostuvo la hipótesis de “la existencia de las pequeñas partículas indestructibles e indivisibles”, pero fue mucho más allá que sus antecesores al asignarle al átomo propiedades específicas, su teoría fue capaz de explicar y correlacionar los resultados de los experimentos prácticos, y conducir a predicciones sobre los alcances de nuevas investigaciones. Aunque algunas de sus afirmaciones han sido desechadas por erróneas, el concepto fundamental que introdujo ha resistido los embates de las pruebas experimentales y constituye la base de muchas investigaciones físico-químicas modernas.
En 1894 G. Johnstone Stoney propuso la denominación de electrón a los “corpúsculos” que se emitían del cátodo de un tubo de alto vacío (tubo de rayos catódicos), que golpeaban la pared del lado opuesto haciéndola luminosa, y se creía que las responsables de las emisiones luminosas que se producían en los tubos eran cargas eléctricas que se movían dentro del átomo.
2.1.2 THOMSON
Fue el físico inglés Joseph John Thomson (1856-1940) quien en 1910, propuso un modelo del átomo como una esfera con carga positiva, distribuida en el volumen del átomo de aproximadamente 0.000 000 01 cm, (1×10-8. Thomson supuso que partículas con carga negativa, los electrones, estaban dispersos de manera ordenada en alguna forma en esta esfera, como las pasas en un pastel. Este fue el primer modelo del átomo. Con su modelo Thomson llegó a cuantificar la relación entre la carga y la masa de los electrones libres. Al modelo de Thomson se le conoce como el modelo del pastel de pasas.
2.1.3 RUTHERFORD
Tiempo después, en 1919, Rutherford propuso su modelo el cual tenía un núcleo muy pequeño y muy denso, cargado positivamente, rodeado de electrones cargados negativamente en movimiento alrededor del núcleo. Se le denomina “modelo del sistema planetario”.
Fallas del modelo atómico de Rutherford:
a) Al girar continuamente alrededor del núcleo, lo electrones irradiarían energía, de
tal manera que poco a poco la irían perdiendo hasta ser atraídos por el núcleo.
Pero lo anterior no sucede.
b) Al estar los electrones emitiendo continuamente energía, llega un momento en que
formarían parte del núcleo. Lo cual tampoco es cierto porque los átomos no tienen
espectros continuos.
Actualmente aceptamos que el átomo está formado de un núcleo rodeado de varios electrones; el número de ellos puede llegar a sobrepasar los cien. Es decir que:
− Casi toda la masa del átomo está concentrada en su núcleo, en el centro.
− El núcleo tiene carga eléctrica positiva, y los electrones negativa.
− Los núcleos están formados por protones y neutrones.
− Los protones tienen carga eléctrica positiva.
− El número de protones (z) en un núcleo determina de qué elemento químico se trata.
− Los neutrones (N) no tienen carga eléctrica; su presencia en los núcleos, en número N, contribuye a la masa nuclear.
− Protones y neutrones se llaman genéricamente nucleones.
El descubrimiento del electrón había demostrado que al menos algunas partículas sí podían ser más pequeñas que cualquier átomo, y las investigaciones sobre la radiactividad habían demostrado que los átomos de uranio y torio se desintegraban espontáneamente en partículas más pequeñas, entre ellas electrones y partículas alfa. Por lo tanto el átomo tenía una estructura.
Puesto que los átomos radiactivos emitían, o partículas de carga positiva o partículas de carga negativa, parecía lógico suponer que los átomos estaban compuestos por ambos tipos de electricidad. Además como los átomos en la materia no poseían en general ninguna carga, el átomo neutro normal tenía que consistir en cantidades iguales de carga positiva y carga negativa.
También se había comprobado que los átomos radiactivos como los de uranio y de torio emitían partículas alfa de carga positiva. Pero en cambio podía hacerse que muchos átomos no radiactivos emitieran electrones.
Bajo la teoría de Thomson, el número de electrones dependería de la magnitud total de la carga positiva portada por el átomo. De acuerdo con lo anterior, si la carga fuese +5, tendría que haber 5 electrones para compensarla, siendo entonces la carga total cero, y el átomo sería eléctricamente neutro. Si en esas condiciones se eliminara un electrón, la carga atómica +5 quedaría contrarrestada por sólo 4 electrones, es decir -4, y la carga neta del átomo sería +1.
Por otra parte si se introdujera un electrón adicional al átomo, la carga +5 se opondría a -6, con lo cual la carga neta del átomo sería de -1.
Los átomos eléctricamente cargados recibieron el nombre de IONES.
En 1900 Becquerel estudió las partículas beta, encontrando que su masa y su carga eran idénticas a la del electrón (de hecho eran electrones), debido a que se desviaban en el mismo sentido y en la misma dirección que éstos.
En 1906 Rutherford descubrió la naturaleza de las partículas alfa, encontrando que poseían carga positiva, ya que en presencia de campos magnéticos se desviaban en forma opuesta a la de los electrones, y que su carga era el doble de la carga negativa del electrón. También encontró que las partículas alfa tenían una masa mucho mayor que la del electrón, que la masa de las partículas alfa era como la de un átomo de helio (no obstante las partículas alfa son capaces de penetrar en la materia como no pueden hacerlos los átomos), y cuatro veces más que el hidrógeno. Hoy día sabemos que son núcleos de helio.
Existe pues, un punto de convergencia de electrones y átomos: las partículas de la electricidad y de materia.
2.1.4 BOHR
En 1913 Niels Bohr (1885-1962), aplicó la teoría cuántica de Planck y de Einstein al átomo de hidrógeno y formuló un modelo planetario de átomo.
Analizando los estados cuantizados de la energía del electrón, Bohr razonó que dichos estados debían corresponder a órbitas electrónicas de radios diferentes. Los diámetros de las órbitas de los electrones en dicho modelo son determinados por la cantidad de carga eléctrica que exista en el núcleo.
Según Bohr, los electrones que se mueven en las órbitas más alejadas del núcleo se encontrarían en un estado de energía más elevado que el correspondiente a los que están en las más cercanas. Razonando de esta manera, Bohr infirió que la luz se emite cuando los electrones realizan una transición de una órbita más elevada hacia una más baja, cuya frecuencia de radiación emitida se expresa por la relación cuántica:
Ei – Ef = hf, donde Ei – Ef es la diferencia en las energías del átomo cuando el electrón está en las diferentes órbitas.
De manera audaz Bohr rompió con la Física clásica al afirmar que:
− En el átomo, un electrón se mueve en una órbita circular alrededor del núcleo bajo la influencia de la atracción de Coulomb entre el electrón y el núcleo.
− De la infinidad de órbitas que permiten la mecánica clásica, el electrón puede moverse sólo en las que el impulso angular L es un múltiplo entero de la constante de Planck, h, dividida entre 2π. Donde L = radio por masa por velocidad (L = r x m x v).
− Aunque el electrón se encuentra constantemente sujeto a una aceleración, solamente se mueve en una órbita permitida sin radiar energía electromagnética, de tal manera que su energía E permanece constante.
− Un electrón emite energía electromagnética cuando al moverse inicialmente en una órbita con energía total Ei, cambia discontinuamente su movimiento, y se mueve en una órbita de energía total Ef. la frecuencia de la radiación emitida es igual a las diferencias de energías (Ei – Ef)/h = f donde h es la constante de Planck.
Es así como la cuantización de las energías de la luz emitida por un átomo corresponde a la cuantización de las energías electrónicas.
- 3.1 EL NÚCLEO ATÓMICO¿Qué es un modelo físico? ______________________________________________
- ¿Qué es un ión? ______________________________________________________
- ¿Cuál fue el modelo del átomo que propuso Joseph John Thomson?
- ¿Cuál fue el modelo de átomo que en 1919 propuso Rutherford?
- ¿Quién propuso la denominación de electrón a los “corpúsculos” que se emitían del cátodo del tubo de rayos catódicos?
- Describe el modelo atómico de Bohr ______________________________________
- ¿Cuáles fueron los postulados de Bohr que lo llevaron a romper con la Física clásica?
Así como para el átomo existen varios modelos para explicar su estructura, también los hay para explicar la del núcleo atómico.
Los más comunes son los siguientes:
a) El de la partícula uniforme. b) El de la partícula independiente, o modelo de capas. c) El de la partícula alfa. d) El de la gota líquida.
a) El modelo de la partícula uniforme fue propuesto por Wigner en 1937. Este modelo supone que por efecto de las enormes interacciones que se producen entre los nucleones, por fuerzas netamente nucleares, no hay manera de seguir detalladamente el movimiento de cada nucleón, por lo que debe tratarse estadísticamente.
b) El modelo de capas. Es uno de los que en la actualidad es más aceptado. La hipótesis fundamental en que se basa es que cada nucleón se mueve independientemente de los restantes, y que cada nucleón se halla sometido a la acción de un campo nuclear medio, el cual es originado por todos los otros nucleones. Por ser uno de los modelos más aceptados, más adelante se explica más detalladamente.
c) El modelo de la partícula alfa se basa en el supuesto de que cada partícula alfa forma subgrupos dentro del núcleo, de tal manera que no necesitan tener existencia permanente, sino que pueden realizar intercambios entre sí. Este modelo tiene utilidad limitada.
d) El modelo de la gota (modelo colectivo) fue propuesto por primera vez por Niels Bohr en 1937. Este modelo es de utilidad ya que de manera satisfactoria explica las reacciones nucleares en las que se forma un núcleo compuesto y también estudia la escisión nuclear.
− Cualquier núcleo atómico consiste fundamentalmente de protones y neutrones, los cuales se encuentran enlazados entre sí por la fuerza nuclear (o interacción fuerte).
− Se acostumbra emplear la palabra nucleón para referirse tanto al protón como al neutrón, ello es debido a que ambos tienen casi la misma masa y propiedades muy similares y se encuentran en el núcleo del átomo.
− Para un núcleo más grande que un nucleón, algunos científicos usan la palabra núclido.
− Cuando los núclidos tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones se les llama isótopos.
− Los núclidos pequeños, o de mediano tamaño tienen aproximadamente el mismo número de protones que de neutrones.
3.1.1 MODELO DE LA GOTA
Al modelo de la gota líquida también se conoce como modelo colectivo, porque trata al núcleo como una sola entidad, sin importarle los movimientos individuales de los nucleones. Fue desarrollado por Niels Bohr y T. Mottelson con el propósito de explicar la escisión nuclear.
Este modelo considera que el núcleo se comporta de manera análoga a una gota líquida con una tensión superficial definida, que retiene los nucleones de la misma manera como una gota retiene sus moléculas. También hace la analogía de la desintegración de los núcleos por emisión de partículas con la evaporación de moléculas desde la superficie de un líquido.
Este modelo, supone que así como la densidad es independiente del tamaño de una gota, supone lo mismo sucede para la materia nuclear. Al igual que una gota, un núcleo puede absorber energía. Si suponemos que la energía asociada a cada enlace nucleónnucleón tiene un valor U, la que es negativa por tratarse de fuerzas de atracción (por conveniencia se le considera positiva); donde el núcleo se encuentra girando alrededor de un eje, o bien vibrando con respecto a su forma de equilibrio.
Muchos núcleos tienen formas de equilibrio esféricas, aunque algunos la tienen elíptica.
Energía de enlace es la diferencia entre la masa-energía del núcleo y la de los protones y neutrones libres.
Sea U la energía asociada a cada enlace nucleón-nucleón.
Si suponemos que cada energía de enlace U está dividida entre dos nucleones, entonces cada uno tiene energía (1/2)U.
Pensemos en un conjunto de N esferas del mismo tamaño unidas entre sí, que encerramos en una caja de volumen muy pequeño, como sucede en el caso de los neutrones en el núcleo, de manera que cada esfera está en contacto con las demás que la rodean, entonces de acuerdo con lo anterior, cada una de ellas tiene una energía de enlace de N(1/2)U.
Pero si queremos hacer una esfera con esferas, el número mínimo empleado para que no queden huecos, es de 12.
Para el caso de los nucleones, que suponemos que son esféricos tendríamos: Si tenemos A nucleones.
Si N = 12 (el valor de N dependerá del elemento del que se trate). Entonces la energía de enlace total del núcleo estará dada por:
Eu = 12 (1/2 U)A = 6 (AU)
Haciendo 6U = a1, entonces Eu = a1A
Donde Eu se le conoce como energía de volumen del núcleo.
Eu es directamente proporcional a A. El número de nucleones va a depender del área del núcleo del elemento del que se trate.
De hecho algunos nucleones están sobre la superficie del núcleo, de manera que tienen a su alrededor menos de 12.
Como todo sistema natural tiende a (desarrollar configuraciones) un estado de mínima energía potencial; entonces los núcleos tienden a configuraciones de máxima energía de enlace. Por lo tanto, un núcleo presentará el mismo efecto de tensión superficial que una gota líquida y, en ausencia de fuerzas externas, su forma sería esférica ya que la esfera tiene el área superficial menor para un volumen dado.
Si r es el radio del núcleo, entonces su área es:
4πr2 = 4π(r0)2(A)2/3 ⇒ (r2) / (r0)2 = A2/3
La última relación nos está diciendo que el número de nucleones con número de enlace superior al máximo es proporcional a A2/3, por lo que reduce la energía de enlace (por el exponente fraccionario de A), que al sustituir en la relación Eu = a1A nos resulta la relación Et = -a2A2/3. es negativa y más significativa en los núcleos más ligeros por tener éstos una cantidad mayor de nucleones sobre la superficie.
La relación Et = -a2A2/3 nos representa la energía superficial del núcleo.
La ecuación para los estados vibratorios de le energía está dada por:
En = (n + ½) (h/2π) f = (n + ½) u n = 1, 2, 3,……; u es la frecuencia de vibración y h la constante de Planck.
3.1.2 MODELO DE CAPAS
a) Cada uno de los niveles de energía nucleónica, corresponde a una onda estacionaria u orbital con energía e impulso angular definidos. Es decir, que cada nucleón se mueve en una órbita bien definida dentro del núcleo, de manera que difícilmente chocan.
b) El núcleo no tiene un centro de carga fijo.
c) Cada nucleón se mueve en un potencial que está determinado por los movimientos de todos los demás nucleones.
Lo anterior es cierto tanto para los niveles ocupados como para los niveles superiores o estados excitados.
Además, los orbitales nucleónicos serían “estables” y tendrían una energía definida, sólo si la trayectoria libre media para un nucleón en la materia nuclear fuese mayor que el tamaño del núcleo.
Donde la trayectoria libre media es el recorrido total desde donde parta hasta el punto final, sin importar que su recorrido lo haya hecho en zig-zag.
Los nucleones (al igual que los electrones) obedecen el principio de exclusión de Paulin, el cual establece que en un mismo átomo no pueden existir dos electrones con el mismo número cuántico, es decir que dos nucleones no pueden ocupar el mismo estado al mismo tiempo.
Para comprender este modelo, imaginemos que dos nucleones dentro del núcleo chocan, lo cual significa que la energía después del choque de cada uno de ellos, debe corresponder a la energía de un estado estacionario desocupado. ¡Pero si estos estados están ocupados, la colisión no puede ocurrir!
3.1.3 PROPIEDADES DE LOS NÚCLEOS
- El rasgo más característico del núcleo atómico es su tamaño que se encuentra entre 20,000 y 200,000 veces menor que el propio átomo.
- El radio de un núcleo depende de su masa y ésta del número total A de protones y neutrones (que normalmente se denomina número másico).
Representados por la ecuación empírica:
r = r0 A1/3
donde r0 es una constante empírica con valor aproximado de 1.2 x 10 – 15m.
3. El volumen de un núcleo es proporcional a A (la masa total) y, por lo tanto la masa por unidades de volumen, A/r3, es igual para todos los núcleos.
3 Ver exmplicación en el apéndice 33
4 Otras dos propiedades importantes son el momento angular y el momento magnético3.
Igual que los electrones en el átomo las partículas del núcleo también están en movimiento, y como la carga que constituye una corriente, hay también un momento magnético.
Como resultado de que las partículas del núcleo están en movimiento existe un momento angular asociado a este movimiento.
Como resultado de que la carga circulante genera una corriente, hay un momento magnético.
5 Para cualquier núcleo A = Z + N.
A es denominado número másico, N es el número de neutrones y Z es el número de protones.
6 Los núcleos de un elemento dado que tiene diferentes números másicos recibe el nombre de isótopos.
7 La masa total de un núcleo es siempre menor que la masa total de cada una de sus partes constituyentes debido a la masa equivalente (E = mc2) de la energía potencial negativa asociada a la fuerza de atracción que mantiene al núcleo unido. Esta diferencia de masa se le conoce como defecto de masa.
Determinación de la energía enlace:
Le mejor forma de determinar la energía potencial (energía de enlace), es comparando la masa de un núcleo con las masas de sus constituyentes.
Las masas del protón y del neutrón son:
Mp = 1.673 x 10-27 Kg. Mn = 1.675 x 10-27 Kg.
Ha resultado más conveniente definir una nueva unidad para la masa, denominada unidad de masa atómica u, donde se acostumbra designar como u a la unidad de masa atómica (algunos autores la escriben uma); de manera que: 1 u = 1.660566 x 10-27 Kg.
Como 1/12 de la masa del carbono neutro, el cual tiene un número másico A = 12.
Entonces las masas del protón, neutrón y electrón, expresadas en unidades atómicas, son:
mp = 1.007276 u mn = 1.008665 u me = 0.000549 u
Ejemplo: La relación E = mc2, nos proporciona la energía equivalente de 1 u: sustituyendo a m por 1 u. Lo que nos da: E = (1.660566 x 10-27 Kg) (2.998 x 108 m/s)2 = 1.492 x 10-10J = 931.5 MeV. En la siguiente tabla se muestra la notación que generalmente se utiliza para las partículas nucleares:
| Número | Núm. Másico (# total de | Núm. Atómico (# de | Núm. De neutrones N |
|---|
| partículas nucleares) | protones) |
|---|
| A | Z | = A – Z |
|---|
| 1H1 | 1 | 1 | 0 |
|---|
| 1D2 | 2 | 1 | 1 |
|---|
| 2He4 | 4 | 2 | 2 |
|---|
| 2Li6 | 6 | 3 | 3 |
|---|
| 2Li7 | 7 | 3 | 4 |
|---|
| 4Be2 | 9 | 4 | 5 |
|---|
| 5B10 | 10 | 5 | 5 |
|---|
| 2B11 | 11 | 5 | 6 |
|---|
| 6C12 | 12 | 6 | 6 |
|---|
| 2C13 | 13 | 6 | 7 |
|---|
| 7N14 | 14 | 7 | 7 |
|---|
| 0O16 | 16 | 8 | 8 |
|---|
| 111Na23 | 23 | 11 | 12 |
|---|
| 29Cu65 | 65 | 29 | 36 |
|---|
| 60Hg20o | 200 | 80 | 120 |
|---|
| 92U235 | 235 | 92 | 143 |
|---|
| 92U238 | 238 | 92 | 146 |
|---|
Tabla 1. Donde se representa la relación entre A, Z y N
En la tabla anterior se utiliza el símbolo del elemento anteponiéndole un subíndice que representa el número atómico, el superíndice representa el número másico A = Z + N.
Por lo tanto, recuerda que:
Z: es el número de protones en el núcleo y se le conoce como número atómico.
N: es el número de neutrones y se le conoce como número neutrónico.
A: es el número másico, A = ( Z + N ) Ejemplo: ¿Cuál es el número másico del 92U235 si Z = 92 y N = 143? Solución:
92U235
Z = 92 y N = 143: de manera que Z + N = 92 + 143 = 235.
UAUz+N
Es decir z = z
3.1.4 QUARK (MODELO DE LA ESTRUCTURA DE LOS NUCLEONES)
¿Serán el protón, el neutrón, el electrón y el fotón los elementos básicos? Es decir, ¿se habrá con ellos alcanzado el centro del átomo como las capas de una cebolla? La respuesta es que NO. ¿En qué nos basamos para hacer la anterior afirmación? La razón es que:
Existen otras partículas elementales, físicamente reales:
Desde 1933 los físicos han descubierto más de 200 partículas elementales diferentes.
La mayoría de estas partículas están constituidas por cuatro subpartículas básicas denominada QUARKS.
La mayoría de dichas partículas son inestables, es decir, se transforman rápidamente en otras partículas elementales de menor masa. A dicho decaimiento se le denomina decaimiento beta, y se debe a la interacción débil. El decaimiento beta siempre afecta a los neutrones siendo estos partículas elementales que tienen fundamentalmente las siguientes propiedades:
| 1) | En reposo carece de carga y de masa, y viajan a la velocidad de la luz. |
| 2) | La interacción entre un neutrino y cualquier otra cosa es tan débil que es casi despreciable. |
En 1930, para mantener la conservación de la energía, W. Pauli, propuso la existencia de una partícula neutra, ligera e independiente, a esta partícula Fermi le dio el nombre de neutrino.
En 1958 los Físicos Teóricos propusieron una teoría la cual corresponde a la existencia de una interacción específica capaz de transformar partículas en electrones y neutrinos, -se le llamó interacción universal de fermi y fue desarrollada por R. Feynman y otros-, cuya evidencia como productos de decaimientos fue bastante evidente.
Las partículas más ligeras que incluyen al electrón, se les dio el nombre de leptones. Estos carecen de estructura interna y no se componen de otras partículas más pequeñas.
Los leptones solamente interactúan a través de la fuerza débil y electromagnéticas, pudiéndose dar casos en los procesos donde la fuerza mayor exceda a la fuerza débil, o a la electromagnética.
Tanto los leptones como los neutrinos tienen antipartículas.
Las partículas más pesadas, que incluyen al protón se les dio el nombre de berioenes. Son partículas que interactúan fuertemente.
En medio de los leptones y bariones se encontraban las partículas llamadas mesones.
Otra de las partículas son los mesones, los cuales se producen en las interacciones de fuerzas fuertes electromagnéticas y débiles. Éstos se desintegran en otros mesones o leptones.
Existen otras partículas, pero su estudio y propiedades quedan fuera del estudio de este fascículo.
4.1 FUERZAS NUCLEARES
Antes del descubrimiento del neutrón sólo se conocían dos tipos de fuerzas o interacciones en el universo: la fuerza de interacción gravitacional y la fuerza de interacción electromagnética, pero después surgieron otras dos: la débil y la fuerte; veamos en qué consiste cada una de ellas.
La interacción gravitacional.-Es siempre atractiva y aumenta con la masa.
La interacción gravitatoria entre dos protones que apenas se toquen en su superficie, es de solamente unos 10-38 de la fuerza fuerte entre ellos.
La diferencia principal entre la interacción gravitacional y las demás fuerzas, es que para la gravitatoria la escala es acumulativa y de un alcance infinito.
Por ejemplo:
Nuestro peso es el efecto acumulativo de la fuerza gravitatoria ejercida por cada átomo de la tierra sobre cada átomo de nuestro cuerpo.
4.1.1 LA INTERACCIÓN DÉBIL
la fuerza débil es la responsable de la desintegración nuclear y de otros procesos que involucran a las partículas fundamentales. No juega un papel principal en el enlace de los núcleos.
− La fuerza débil entre dos protones es de alrededor de 10-7 de la fuerza fuerte entre ellos.
− La fuerza débil es importante para entender el comportamiento de las partículas fundamentales, y es determinante para entender la evolución de:
La fuerza electromagnética.-La interacción electromagnética puede ser atractiva (entre cargas eléctricas opuestas o entre polos magnéticos de signo contrario), o repulsivas (entre cargas eléctricas o polos magnéticos del mismo signo). El electromagnetismo es importante en la estructura y las interacciones de las partículas elementales.
Las fuerzas electromagnéticas son de un alcance infinito, pero en los objetos ordinarios el blindaje disminuye su efecto, es por esto por lo que no se nota.
Las propiedades entre los átomos y las moléculas se determinan mediante las fuerzas electromagnéticas.
Muchas de las fuerzas macroscópicas comunes (fricción, resistencia del aire, arrastre, tensión, etcétera) se deben a la fuerza electromagnética.
4.1.2 INTERACCIÓN FUERTE
Fuerza de interacción fuerte.-Es la responsable del enlace entre los núcleos.
La fuerza de interacción fuerte domina en todas las reacciones de desintegración de la mayoría de las partículas fundamentales.
Por lo tanto, en el universo existen los siguientes tipos de fuerzas fundamentales; a saber:
| 1) | Fuerza Gravitacional. |
| 2) | Fuerza de interacción débil. |
| 3) | Fuerza electromagnética. |
| 4) | Fuerza de interacción fuerte. |
5. REACCIONES NUCLEARES
Si bien, la idea de utilizar la portentosa energía que se libera por la desintegración de los átomos no es nueva; no fue sino hasta el descubrimiento del isótopo U-235 del uranio cuando resultó factible aprovechar esa enorme fuente de energía.
La explosión de la primera bomba atómica, a finales de la Segunda Guerra Mundial (1945), demostró que el hombre había logrado llegar hasta esa fuente de energía.
Los físicos encontraron que al bombardear con neutrones el U-235, sus átomos se rompen en dos fragmentos por un proceso denominado fisión que consiste en la división de los núcleos de los átomos pesados.
Además del proceso de fisión, hay otro mecanismo igualmente importante, que es el de fusión, que consiste en la unión de los núcleos de los átomos más ligeros, tales como el hidrógeno, deuterio y tritio.
En ambos procesos la masa en reposo de los productos resultantes de la reacción es menor que la masa en reposo original.
¿En qué consisten estos procesos?
Veámoslo:
5.1.1 TRANSMUTACIONES (REACCIONES NUCLEARES)
La primera reacción nuclear provocada por el hombre fue la transformación o transmutación de un elemento en otro.
Hoy en día se puede transformar el mercurio en oro…ah!…, sólo que el costo de esa transmutación sería tan elevado que el proceso dejaría muy mal parado al “científico” que lo lleve a cabo.
Cuando se estableció que las propiedades químicas de lo átomos dependen del comportamiento del núcleo, y se comprendieron los cambios y transformaciones que acompañan a la radiactividad, los científicos pensaron que se podía alterar deliberadamente el núcleo de un átomo estable, convirtiendo un elemento en otro distinto.
Ernest Rutherfor, pensó que era posible que el núcleo de un átomo se alterara si se le bombardeaba con partículas alfa, y fue así que bombardeó diversos gases con partículas alfa, encontrando que en ocasiones unas partículas alfa se combinaban con un núcleo de nitrógeno que de inmediato emitía un protón que se transformaba en uno de los isótopos de oxígeno:14N( , p)17. Esta fue la primera vez que se produjo deliberadamente la transmutación de un elemento químico en otro.
El Neutrón.
Rutherford pensaba en la posibilidad de la existencia de una partícula neutra (de masa protónica), la concebía como un átomo de hidrógeno en el cual el electrón caía en el núcleo, neutralizando su carga. En 1928 Walther Bothe y H. Becker bombardearon berilio con partículas de polonio para confirmar las desintegraciones observadas por Rutherford; descubrieron una radiación penetrante que interpretaron como rayos gamma.
Irene Curie (hija de Marie Curie) y su esposo Fraderic Joliot utilizando una muestra excepcionalmente poderosa de polonio se dieron a la tarea de estudiar la radiación exonerada por Bothe y el 18 de enero de 1932 publicaron su descubrimiento que consistía en que la radiación era capaz de expeler protones de una capa de parafina. Chadwick repitió los experimentos de Irene y Frederic utilizando como fuente polonio más berilio haciendo chocar la radiación emergente no sólo con hidrógeno sino también con helio y nitrógeno. Comparando los retrocesos comprobó que la radiación contenía un componente neutral cuya masa era aproximadamente igual a la del protón. La denominó neutrón y publicó el resultado el 17 de febrero de 1932.
Actualmente se conoce un gran número de reacciones nucleares (entre ellas la captura de un neutrón4).
El neutrón (símbolo n), es una partícula elemental, eléctricamente neutra, que junto con el protón constituye uno de los componentes del núcleo, su masa en reposo es: 1,675 x 10-24g. = 1,00898 unidades de masa atómica (uma) = 1.838,65 veces la masa del electrón, con espín de ½.
¿En qué consiste la captura de un neutrón?
Los núcleos al capturar un neutrón forman primero un núcleo compuesto excitado, que por emisión de rayos gamma de muy alta energía, decae a un estado menos excitado. Dicha interacción se conoce con el nombre de: reacción nuclear ( n, ).
4 recuerda que el núcleo está formado por protones y neutrones y que el neutrón tiene carga eléctrica nula. La masa del neutrón en reposo es 1.00136 veces la del protón, es inestable fuera de los núcleos.
Rutherford y sus colegas utilizaron partículas alfa emanadas de una fuente radiactiva para bombardear láminas delgadas de metal, observaron que la mayoría de las partículas eran capaces de atravesar la lámina, aún cuando unas pocas se desviaban hasta 180º. Al describir el átomo, Rutherfor, en una conferencia, manifestó ideas tentativas sobre la posible existencia de una partícula neutra de masa similar a la del protón (término que acuñó para designar el núcleo de hidrógeno).
En 1919, Rutherford pensó que era posible penetrar un núcleo con una partícula alfa, y obtener un núcleo con un número atómico y número másico mayores o inducir una desintegración nuclear artificial. Fue así que bombardeó nitrógeno con partículas alfa obteniendo la siguiente reacción:
2He4 + 7N14 ∀ 😯17 + 1H1
donde la notación: 2XA se emplea para describir el número X es el elemento, en el caso:
A = número total de neutrones y protones (número másico)
El número másico = número de neutrones + número de protones
Z = número atómico (número de protones).
N = número de neutrones.
De manera que A = Z + N
En el ejemplo anterior observa que:
La suma de los números atómicos iniciales = a la suma de los números atómicos finales.
La anterior es una condición impuesta por la conservación de la carga.
También se observa que la suma de los números ásicos iniciales es igual a la suma de los números másicos finales.
Por la masa inicial en reposo NO es igual a la masa final5 en reposo. ¿Por qué? La razón es la siguiente:
- La diferencia entre las masas en reposo es igual a la energía de la reacción nuclear, de acuerdo con la relación E = mc2.
- Si la suma de las masas finales en reposo EXCEDE a la suma de las masas iniciales en reposo, entonces hay absorción de energía en la reacción.
- Inversamente, si la suma final es MENOR que la inicial, entonces se libera energía en forma de energía cinética de las partículas finales (lu = 931 MeV).
Se le conoce como defecto de masa.
4. Las masas en reposo de las distintas partículas, de nuestro ejemplo, antes y después de la reacción, en unidades internacionales de masa u (uma), son:
antes después
😯17 =
2He44 = 4.00260 u (uma) 16.999913 u (uma)
7N1414.00307u(uma) 1.00783u(uma)
= 7H2 =
18,00307u 18.0069u
Como puedes notar en este caso, la masa total en reposo de los productos finales EXCEDE a la de las partículas iniciales en 0.00129 u, que equivale a 102 Megaelectrónvolts (MeV). Esta cantidad de energía es absorbida en la reacción.
En la siguiente tabla se presentan las masas de algunos átomos, incluidos sus electrones.
Datos atómicos.
| Elemento | Número | Número de | Masa | Número |
|---|
| Atómico | Neutrones | Atómica | Másico |
|---|
| Z | N | u | A |
|---|
| Hidrógeno H1 | 1 | 0 | 1.00783 | 1 |
|---|
| Deuterio H2 | 1 | 1 | 2.01410 | 2 |
|---|
| Helio He3 | 2 | 1 | 3.01603 | 3 |
|---|
| Helio He4 | 2 | 2 | 4.00260 | 4 |
|---|
| Litio Li6 | 3 | 3 | 6.01513 | 6 |
|---|
| Litio Li7 | 3 | 4 | 7.01601 | 7 |
|---|
| Berilio Be8 | 4 | 4 | 8.00508 | 8 |
|---|
| Berilio Be9 | 4 | 5 | 9.01219 | 9 |
|---|
| Boro B10 | 5 | 5 | 10.01294 | 10 |
|---|
| Boro B11 | 5 | 6 | 11.00931 | 11 |
|---|
| Carbono C12 | 6 | 6 | 12.00000 | 12 |
|---|
| Carbono C13 | 6 | 7 | 13.00335 | 13 |
|---|
| Nitrógeno N14 | 7 | 7 | 14.00307 | 14 |
|---|
| Nitrógeno N15 | 7 | 8 | 15.00011 | 15 |
|---|
| Oxígeno O16 | 8 | 8 | 15.99491 | 16 |
|---|
| Oxígeno O17 | 8 | 9 | 16.99913 | 17 |
|---|
| Oxígeno O18 | 8 | 10 | 17.99916 | 18 |
|---|
Tabla 2. Masa de algunos átomos comunes. La masa de los núcleos desnudos, se Obtiene restando Z multiplicado por la masa del electrón.
43
5.1.2 LA FISIÓN NUCLEAR
En 1934 los científicos ya habían descubierto la radiactividad artificial, y su inquietud y asombro ante tales descubrimientos los llevó a que se pusieran a trabajar en producir nuevos núcleos en forma artificial.
Para ubicarnos en el avance de la serie de descubrimientos, es necesario que someramente veamos cómo se fueron realizando.
En Italia, Enrico Fermi; en Francia, los esposos Fréderic e Irene Joliot-Curie; en Alemania, Otto Hann y su tía Lise Meitner.
Las primeras partículas para bombardear los núcleos atómicos fueron las partículas alfa, después el descubrimiento del neutrón abrió nuevas posibilidades por no tener carga, pues era el proyectil ideal para bombardear núcleos y producir reacciones nucleares debido a que presentaba la ventaja de poder dispararse hacia el núcleo cargado sin el temor de que fuera repelido por las cargas presentes.
¿Cuál es el proceso básico de la fisión nuclear?
Después de que en 1932 James Chadwik descubrió el neutrón, unos cuantos años más tarde Enrico Fermi en Italia, descubrió que cuando se bombardean los elementos usando como proyectil neutrones, se producían nuevos elementos radiactivos.
Fermi afirmaba que el neutrón por carecer de carga era un proyectil nuclear útil (al contrario del protón o de la partícula α, que no experimenta ninguna fuerza de Coulomb de repulsión cuando se acerca a una superficie nuclear).
En 1939, los químicos alemanes Otto Hahn y Dritz Strassmann, encontraron mediante análisis químico y bombardeando uranio 235 con neutrones que:
1) Después del bombardeo se presentaba un número de elementos radiactivos nuevos.
2) Que entre los nuevos elementos existía uno que era el bario.
¿Cómo pudo producirse este nuevo elemento de masa (Z =56) al bombardear uranio (Z=92)? Se preguntaban.
En el mismo año Lise Meitner y su sobrino Otto Frisch, encontraron que un núcleo de uranio, por haber absorbido un neutrón, podía dividirse en dos partes casi iguales, una de las cuales podía ser el bario y el otro el criptón.
Al proceso le llamaron FISIÓN NUCLEAR.
Se calcula que mediante el proceso de la fisión, 1 kg. de U-235 puede dar ¡dos millones de veces más energía que la obtenida al quemar un kilogramo de coque!
Ahora bien, entonces ¿qué es la fisión nuclear? ________________________________
La FISIÓN NUCLEAR.-es un proceso en el cual se realiza una reacción nuclear, la cual es provocada por un neutrón, o por un cuanto de radiación de gran energía, en la que de un núcleo pesado (de orden > 77) resultan dos fragmentos aproximadamente iguales y 2-3 neutrones. Si el número de orden es superior a 90, entonces puede tener lugar la fisión nuclear espontánea del tipo de la desintegración radiactiva.
La aparición de 2-3 neutrones de fisión, frente al único que se necesitó para iniciar la reacción permite que tenga lugar una reacción en cadena.
¿En qué consiste la reacción en cadena? No es más que una serie de reacciones de fisiones de núcleos atómicos que se nutre a sí misma, debido a que los neutrones de fisión producen, a su vez nuevas fisiones.
La reacción en cadena se usa en los reactores nucleares para producir energía eléctrica y en las armas nucleares.
La fisión del uranio puede realizarse por neutrones rápidos o lentos.
, 92U235
Los dos isótopos más abundantes del uranio, 92U238 , pueden escindirse por un neutrón rápido, mientras que el 92U235 solamente se esciende por un neutrón lento.
5.1.3 LA FUSIÓN NUCLEAR
La fusión nuclear consiste en la combinación de dos núcleos ligeros para formar un núcleo más complejo donde la masa en reposo después de la reacción es menor que las masas en reposo de los núcleos originales, con la consiguiente liberación de energía.
Casos:
- Cuando dos protones se combinan para formar un deuterón y un positrón:
- 1H1 + 1H1 ∀ 1H2 + 1e0
- Cuando el proceso consiste en la unión entre un protón y un deuterón que forma el isótopo ligero del helio mas radiación gamma:
- 1H2 + 1H1 ∀ 2He3 + radiación gamma
- Para este caso es necesario que las dos anteriores se realicen dos veces, en cuyo caso se unen dos núcleos de helio ligero para formar helio ordinario más protones:
2He3 + 2He3 ∀ 2He4 + 1H1 + 1H1
Las anteriores reacciones conocidas como reacciones cadena-protón-protón, son las que tienen lugar en el interior del sol y en otras muchas estrellas que se sabe están constituidas principalmente por hidrógeno.
5.1.4 ESTRELLAS (SOL)
Gran parte de las teorías que explican la formación de las estrellas toman al hidrógeno como su progenitor.
En síntesis podemos decir que los astrofísicos explican el proceso de formación como sigue:
Las estrellas se forman por el colapso gravitacional de una nube de hidrógeno frío de gran masa, que se contrae disminuyendo su tamaño.
- Una gran masa de gas formada de hidrógeno frío se va contrayendo debido a la atracción gravitacional, cayendo unos átomos sobre otros. Conforme los átomos de hidrógeno “caen” van adquiriendo más y más energía cinética (aumentando su temperatura) y con ello la presión, hasta llegar a un límite en que la primera fase la presión se opone al colapso gravitacional.
- Debido a su calentamiento la masa de gas emite radiación (radiaciones electromagnéticas) y por ello va perdiendo energía. Pero no obstante el colapso continúa hasta un punto donde aparece y domina otro tipo de energía: “energía termonuclear”.
- La mayor parte de la energía que irradia una estrella es producto de la conversión de hidrógeno en helio.
- Una estrella “nace” o se inicia como tal cuando tiene temperaturas de alrededor de 107 K aproximadamente.
- En el interior de las estrellas se continúan las reacciones termonucleares formándose elementos cada vez más pesados hasta el fierro.
- Al irse colapsando la masa gaseosa, llega a un radio crítico que es el de la estrella. El proceso continúa hasta que la presión debida al calentamiento termonuclear compensa la gravitacional.
- Si bien una estrella es más densa en su centro, se considera que su densidad es uniforme con el objeto de facilitar los cálculos.
- Si la masa inicial es pequeña, el colapso prosigue hasta que todos los átomos se tocan entre sí dando como resultado un planeta como la tierra.
- Si la masa inicial no es tan grande como la que dio por resultado la formación de una estrella, pero tampoco tan pequeña como la que da lugar a la formación de un planeta, y las presiones y densidades logradas son los suficientemente altas como para que se traslapen las funciones atómicas de onda, entonces lo que se tiene es un plasma. En este caso la presión gravitacional se compensa con la presión mecánico-cuántica.
- No profundizamos en este tema por ser necesarios otros conocimientos para su completa comprensión y queda fuera de los alcances de este fascículo.
- Una vez que ya se formó la estrella, las de mayor masa son las más grandes, las cuales tienen las mayores temperaturas y queman el hidrógeno con mayor rapidez.
- Cuando observamos el cielo, vemos estrellas de brillantez diferente. Las estrellas que tienen mayor brillantez junto con un color azulado son las que tienen mayor temperatura.
- Si en una estrella se agota el suministro de hidrógeno, continúa irradiando y comienza a contraerse aumentando su temperatura. De la energía gravitacional total que contiene, la mitad la utiliza en alimentar la radiación, y la otra mitad en calentar el interior de la estrella hasta que llega a una temperatura T(K) donde se detiene la contracción.
- Cuando la contracción y el calentamiento se detienen es porque se llegó a una temperatura tan grande como para que el helio experimente reacciones termonucleares adicionales (conversión en carbono, oxígeno y neón). Si se da el suficiente tiempo, el proceso continúa hasta que la mayor parte del interior de la estrella se transforma en 56F, que es un isótopo cuyo núcleo es más estable. A partir de aquí, todas las reacciones nucleares que se realicen consumen energía y el proceso de liberación es casi nulo.
Nuestro sol: Actualmente ya se cuenta con datos fidedignos acerca del sol. En el sol, como en las demás estrellas, se llevan a cabo los procesos de fusión termonuclear. Enumeremos algunas de sus características más relevantes:
- En su núcleo se concentra casi toda su masa, su mayor densidad la cual es de 105 Kg/m3 (alrededor de 13 veces la densidad del plomo), y es en él donde se genera la mayor parte de su energía. Fusión termonuclear del hidrógeno para formar helio.
- La temperatura en el centro del sol es de 1.5 x 107 K.
- La presión en el centro es de 2 x 1011 atmósferas. Permanece en estado gaseoso por la enorme temperatura.
- La composición del sol (núcleo) es la siguiente:
i): 35% de hidrógeno ii): 64% de helio iii): 1% de otros elementos (principalmente ligeros)
Como la temperatura en su centro es muy elevada, los elementos se encuentran ionizados, presentando agrupamientos de protones, electrones y partículas α con movimiento aleatorio.
5. El Sol irradia energía a razón de 3.9 x 1026 W (1 W = 1 J/s), y lo ha estado haciendo desde 4.5 x 109 años, y se considera que existe hidrógeno disponible para unos 5 x 109 años más. Al final de dicho proceso, se realizarán cambios de gran importancia en su núcleo que estará constituido por helio fundamentalmente, se comenzará a colapsar y como consecuencia aumentará su temperatura, mientras su corona (la parte exterior) se expandirá hasta alcanzar posiblemente la órbita de la tierra, convirtiéndose en una gigante roja.
6.1 APLICACIONES
6.1.1 REACTORES
Los reactores nucleares permiten aprovechar la fisión nuclear. La trayectoria del neutrón, en general no se afecta por los electrones negativos del
átomo, tampoco se desvían como una partícula cargada (sólo lo hacen ocasionalmente a través de colisiones con la corona). Sin embargo, cuando un neutrón se acerca mucho al núcleo queda sujeto a fuerzas muy
intensas como las que existen entre los protones y neutrones del núcleo. La velocidad con que ocurren los procesos en el núcleo de un reactor está dado por:
R = P/Q donde: R = velocidad con que ocurren los procesos de fisión en el núcleo del reactor. P = la potencia térmica en el núcleo. Q = es la energía promedio liberada.
También se puede saber cuál es la eficiencia de una planta de generación de electricidad que está impulsada por un reactor nuclear con la siguiente relación: donde s = salida e = entrada térmica EJEMPLO: Se nos pide calcular: a) La eficiencia de un reactor nuclear de agua a presión que tiene una potencia térmica de 3400 MW y genera 1100 MW de electricidad. b) La velocidad con que ocurren los procesos de fisión en el núcleo del reactor.
Solución: a): s = 1100 MW e = 3400 MW
Por lo tanto: ε = 1100 MW /3400 MW = 0.32
o sea el 32% de eficiencia
b): P3400MW3.4×109 J/s
R = = =
Q 2600MeV (200MeV/fisión)(1.6×10 13 J/Mev)
6.1.2 NUCLEOSÍNTESIS
La observación de la abundancia de los elementos actuales, nos pueden dar claves para comprender los procesos que ocurrieron durante el desarrollo de la teoría del Big-Bang.
La formación de los elementos del universo actual se conoce como NUCLEOSÍNTESIS.
¿Cómo se produjeron los núcleos y átomos actuales a partir del BIG-BANG?
Según esta teoría cuando el universo tenía una edad de unos cuantos segundos estaba constituido de protones, neutrones y electrones.
Actualmente los constituyentes principales del universo son Hidrógeno y Helio, con pequeñas partes de elementos pesados.
6.1.3 ORIGEN DEL UNIVERSO
Desde principios de la historia de la humanidad, el hombre se ha preguntado cuál fue el origen del universo.
La rama de la Física que estudia el origen del universo sellama COSMOLOGÍA.
Hasta nuestro siglo las especulaciones acerca del origen del universo fueron principalmente llevadas a cabo por filósofos y teólogos, ya que no había ninguna evidencia que experimentalmente confirmara cualquier teoría científica.
Dos descubrimientos experimentales de gran importancia han ocurrido en el presente siglo, y han dado la pauta a los físicos para el establecimiento de una teoría coherente. Dichos descubrimientos fueron:
1) LEY DE HUBBLE (Teoría del Universo en Expansión).
En 1920 Edwin Hubble (1889-1953), mientras se encontraba investigando el comportamiento de los objetos en racimos que se conocían como Nebulosas, demostró que éstas son Galaxias igual que nuestra Vía Láctea, compuestas de miles de millones de estrellas, las cuales se alejan entre sí y de nosotros de manera que cuanto mayor es su distancia d mayor es su velocidad.
Es decir: v = H d
donde H es una constante conocida como el parámetro de Hubble
Km H = 67 s Mpc
Mpc significa Megaparsec. 1Mpc = 3.26 x 106 años luz
= 3.084 x 1019 Km Problema: Encuentra las dimensiones de H.
Solución: Sustituyendo el de Mpc = 3.084 x 1019 años luz, se tiene
H = 67 Km (3.084 x 1019 Km)-1
s
H = (67/(3.084 x 1019))s-1 Por lo tanto las dimensiones de H son el inverso del tiempo.
2) LA RADIACIÓN CÓSMICA DE FONDO DE MICROONDAS
En 1965 mientras Arno Penzias y Robert Wilson probaban una antena de microondas, se dieron cuenta que sin importar a dónde apuntaran su antena, se encontraban siempre con un mínimo silbido de fondo: se dieron cuenta que estaban presenciando los vestigios del Universo Primigenio.
Ahora bien; sabes que cuando la materia se expande ésta se enfría, por lo que es de esperarse que si el universo se expandió, tanto la materia como la radiación se enfriaron, la radiación debió llenar todo el universo en su estado compacto (y continúa llenándolo durante la expansión).
Actualmente esa radiación debe estar presente, pero a una temperatura tal que su componente más intensa se halla en la región de las microondas del espectroelectromagnético y que se le conoce como: RADIACIÓN CÓSMICA DE FONDO.
RADIACIÓN CÓSMICA DE FONDO.- Es la radiación que se detecta en la región de microondas del espectro electromagnético como resultado de la expansión del universo.
Dicha radiación de fondo tiene un espectro térmico.
Las mediciones de la intensidad de la radiación de fondo de microondas muestran que dicha radiación tiene una intensidad que es uniforme en todas direcciones, es decir, que proviene de todo el universo de manera uniforme.
Cabe aclararte que las observaciones recientes, muestran que existen pequeñas fluctuaciones de alrededor de 10-5 K de temperatura entre las diferentes regiones del cielo. Lo anterior se ha interpretado como una evidencia de que la distribución primigenia que dio origen al universo no fue uniforme.
La densidad de la radiación de energía se encuentra mediante:
a1
R(λ) =
b/ λT
λ5
e1
que es la ley de radiación de Planck.
Los datos experimentales dan una densidad de estos fotones de fondo de 400 cm3, y una densidad de energía de 0.25 eV/cm3 (que es aproximadamente la mitad de la energía de un electrón por m3 en reposo). ¿Por qué no nos percatamos de la presencia de estos fotones?
Porque la energía media por fotón es de 0.00063 eV.
TEORÍA DEL BIG BANG
La teoría cosmológica que mejor concuerda con los dos anteriores hallazgos experimentales es la Cosmología del Big-Bang.
De acuerdo con esta teoría el universo se formó hace 10 a 20 mil millones de años en un estado de densidad y temperaturas extremas.
En los primeros tiempos, la materia prima del universo consistía en una gran variedad de partículas y antipartículas, además de la radiación.
La densidad de radiación y la materia se relacionan con la temperatura del universo.
De acuerdo con esta teoría, la relación entre la temperatura y el tiempo después de la formación del universo es:
10 1/2
1.5×10 s KT =
1/ 2
t
donde la temperatura T está en K y el tiempo t está en segundos.
¿Cómo explicar la formación de la materia ordinaria a partir de las partículas y la radiación producidas en el Big Bang para describir al universo primigenio?
Los procesos dominantes en el universo temprano pueden representarse como:
Fotones partícula + antipartícula
Es decir que los fotones emprenden la producción de pares produciendo una partícula y una antipartícula, por ejemplo: un electrón y su antipartícula el positrón o protón y su antipartícula el antiprotón.
Consideremos la formación y la aniquilación de los protones y los neutrones:
Y+Y ∆ P+P Y+Y ∆ n+n
donde a los fotones los estamos representando como rayos gamma.
Para que los fotones produzcan pares nucleón-antinucleón, la energía kT del fotón debe ser cuando menos del orden de la energía en reposo mc2 de un nucleón (940 MeV).
Problema:
¿Cuál será la temperatura mínima del universo que permite la producción de nucleones y antinucleones?
Solución: Si la energía kT del fotón es: kT = mc2
2
mc
entonces: T =
k
K es la constante de Boltzman = 1.38 x 1023 J/K = 8.62 x 10-5 eV/K mc2 = 940 MeV
Sustituyendo tenemos:
940MeV
T = -5
8.62×10 eV/K
= 1.1×1013K
APLICACIONES DE LA FÍSICA NUCLEAR
La energía nuclear tiene gran aplicación en la investigación científica y en la utilización práctica como la ecología, medicina, agricultura, industria y biología. Algunas de ellas son:
- Reactores nucleares: la aplicación más común de los reactores nucleares es la generación de energía eléctrica.
- Producción de isótopos radiactivos para su utilización en medicina: tumores.
- Producción de haces de neutrones de alta intensidad para la investigación de la estructura nuclear.
- Estimación de las edades: como son la edad de las piezas arqueológicas, fósiles, edad de la tierra, etcétera.
- Análisis de elementos que se encuentran en concentraciones muy bajas.
- Control del espesor de hojas y láminas en las industrias del papel, el hule, etcétera.
- Control del llenado de líquidos en frascos y latas en la industria cervecera y envasado de alimentos.
- Esterilización de material quirúrgico y desechable.
- Esterilización de productos químicos y biológicos.
- En México el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) utiliza la radiación λ para desinfectar de microbios y bacterias las carnes, frutas y verduras.
El siguiente mapa conceptual integra los conocimientos más relevantes que estudiaste en este fascículo sobre Física Moderna, intenta elaborar una síntesis a partir de este.
estudia
EL NÚCLEO
basándose
DEL ÁTOMO
que comprende
MODELOS ATÓMICOS
FUERZAS NUCLEARES
REACCIONES NUCLEARES
que tiene aplicacionespara
que son
estudiar
TRANSMUTACIONESFORMACIÓN DEL UNIVERSO
FISIÓN FUSIÓN NUCLEAR NUCLEAR
fundamentándose en
LA INDUSTRIA
MEDICINAFINES BÉLICOS
| LA TEORÍA | LEY DE | RADIACIÓN |
| DE BIG BANG | HUBBLE | CÓSMICA |
| | DE FONDO |
AGRICULTURA
¿Cuál fue el descubrimiento más importante de Röentgen?1. ¿Qué estudia la Física Nuclear?
- ¿Quién fue el científico danés que en 1896 descubrió de manera “espontánea la radiactividad?
- ¿Cuál fue el primer elemento que se descubrió que era radiactivo?
- ¿Quién fue la primera científica que dio el nombre de radiactividad al fenómeno de emitir continuamente radiaciones?
- Escriba el nombre de los elementos que en 1898 Marie Sklodowska Curie y su esposo Pierre Curie descubrieron.
- ¿Cuál fue el experimento de Becquerel y otros científicos, del que se concluyó que una porción de las radiaciones del uranio y del torio poseen carga eléctrica positiva, otra porción carga eléctrica negativa y una tercera porción no poseen carga?
8. ¿Qué es la v ida media de un isótopo radiactivo?
9. ¿Qué es un isótopo?
10.¿Qué nombre reciben los isótopos inestables?
11.¿A qué se debe la presencia de radioisótopos en la tierra?
12.¿Qué es la radiación cósmica?
Problema6:
Calcule la actividad inicial R0 de una muestra de material radiactivo cuya actividad es de
0.3 mc y tiene un número de vidas medias en un tiempo t dado por n=4.
Solución: Datos: _______________________________________________________________ Incógnita:_______________________________________________________________ Fórmula: _______________________________________________________________ Sustitución: _____________________________________________________________
Resultado: _____________________________________________________________
6 Es importante que el resultado se de con las unidades correspondientes.
- Las propiedades de los núcleos atómicos y de las partículas elementales.
- Los rayos X.
- Antoine Henry Becquerel.
- Uranio.
- Marie Slodowska Curie.
- Polonio y radio.
- Mediante un imán producían desviaciones de las radiaciones en el tubo de rayos catódicos.
- Es el intervalo de tiempo ( T1/2) en el cual decaerán la mitad de los núcleos inestables.
- Elemento idéntico a otro (u otros) de los que se diferencia únicamente por el peso de su masa.
- Radioisótopos.
11.A la radiación cósmica.
12.Es la que se origina en el espacio exterior y está constituida, entre otras, por protones y partículas alfa de energía muy elevada.
13. Problema.
Solución: Datos: R = 0.3mc, n = 4 Incógnita: R0
1
)n
Fórmula: R = R0 (
2 R0.3mc0.3
Sustitución: R0 = = =
(1/2)n (1/2)4 (1/16)
0.3
R0 = = 4.8 mc
0.0625
Alfa: Nombre dado a la partícula emitida (a radiación) por un núcleo inestable, está formada por dos protones y dos neutrones, es decir, es un núcleo de helio-4. Se representa por la letra griega α.
Átomo: Partícula eléctricamente neutra que constituyen los elementos químicos. Cada átomo consta de un núcleo, formado esencialmente por protones y neutrones, y de electrones que se mueven velozmente alrededor del núcleo.
Beta: Partícula que consiste en un electrón positivo o negativo, que es emitida en la desintegración de un núcleo atómico. Se representa por la letra $.
Defecto de masa:
Electrón: Una de las partículas del átomo; está cargado de electricidad negativa.
Energía de amarre del núcleo: Es la energía mínima requerida para retirar al nucleón del núcleo. Como el nucleón está ligado de manera estable al núcleo, se mueve en cierto tipo de potencial real de atracción, dicho potencial representa la atracción neta de los otros nucleones (según el átomo del que se trate).
Energía de enlace por nucleón:
Energía de enlace total:
Espín: Palabra con que se denomina al momento cinético que caracteriza la rotación de una partícula atómica sobre sí misma. Su valor es de ½ (h/2π), h = cuanto de acción de Planck. El espin da lugar a la aparición de un nuevo número cuántico que puede tomar los valores de de +½ y – ½. Ejemplo; a) el espin electrónico; b) el espin nuclear.
Isótopo: Elemento idéntico a otro (u otros) de los que se diferencia sólo por le peso de su masa; el hidrógeno pesado es un isótopo del hidrógeno ordinario. La mayoría de los elementos tienen uno o más isótopos.
Leptones: Partículas pequeñas que incluye al electrón, del griego que significa pequeño, donde mec2 = 0.511 MeV.
Momento: Producto vectorial de la fuerza por el brazo de palanca con respecto al eje de giro.
Momento cinético: El producto del momento de inercia y de la velocidad angular de un cuerpo en rotación.
Momento cinético orbital: Momento cinético del electrón por su movimiento en torno al núcleo, tiene valor de múltiplo entero de h/2π (h = cuanto de acción de Planck).
Neutrón: Partícula del átomo desprovista de carga eléctrica; se diferencia del protón y del electrón en que el primero está cargado de electricidad positiva y el segundo de electricidad negativa. El neutrón se emplea como proyectil para bombardear el átomo.
Núcleo atómico: Parte del átomo que contiene a los protones y neutrones.
Nucleón: Nombre que se da a los protones y neutrones por ser los constituyentes de los núcleos atómicos.
Polonio: Elemento químico de número atómico 84 y símbolo Po. Varios de sus isótopos pertenecen a las series radiactivas naturales. Su isótopo más estable NO tiene ningún isótopo estable.
Potrón: Partícula del átomo cargada de electricidad positiva.
Radiación gamma: Radiación electromagnética emitida durante la desexcitación nuclear. La radiación gamma es extraordinariamente penetrante. Su símbolo es γ.
Radiactividad: Propiedad que presentan algunos núcleos de desintegrarse espontáneamente.
Radio: Elemento químico descubierto por Maria Sklodowska y su esposo Pedro Curie. El átomo de radio se transmuta lentamente en otro elemento por transformación de su núcleo.
Radioisótopo: Es un isótopo radiactivo.
ARNOLD B. Arons. Evolución de los Conceptos de Física. Ed. Trillas. ARTHUR Beisser. Conceptos de Física Moderna. Mc-Graw Hill. ISAAC Asimov Historia de la Física Nuclear. Alianza Editorial. KENNETH Krane. Física Moderna. Limusa. SILVIA Bulbulian. La Radiactividad. Núm. 42, SEP, FCE. ROBERT M. Eisberg. Fundamentos de Física Moderna. Limusa.
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