Física relativista, cuántica, nuclear y de partículas · La física nuclear
Radiactividad y procesos nucleares
El detector de humo de una casa de Managua lleva dentro una cantidad minúscula de un elemento radiactivo, y el uranio de las rocas, incluso las de nuestros volcanes, lleva desintegrándose desde que se formó la Tierra, hace 4,500 millones de años. Nadie puede predecir cuándo le tocará a un átomo concreto, pero con miles de millones de átomos sí se puede calcular cuánto quedará dentro de un siglo. ¿Cómo se combinan el azar de cada núcleo y la certeza de la muestra completa? Eso es la radiactividad.
Los tres tipos de radiactividad: alfa, beta y gamma
Si la radiación de un material radiactivo pasa por un campo eléctrico o por placas de distintos espesores, se separa en tres: una parte positiva muy fácil de detener, otra negativa más penetrante y otra neutra que atraviesa casi todo. ¿Qué cambios en el núcleo producen emisiones tan distintas?
Radiación
Naturaleza
Masa
Carga
Alfa
núcleo de helio-4
la mayor
$+2e$
Beta menos
electrón
muy pequeña
$-e$
Gamma
fotón (onda electromagnética)
cero
neutra
La radiación gamma es como la luz visible, una onda electromagnética, pero con mucha más energía.
Ionizar es arrancar electrones a los átomos. Por eso la alfa, aunque apenas atraviesa la piel, es muy dañina si la fuente se inhala o se ingiere: ahí entrega toda su energía directamente en tejidos vivos. El poder ionizante va al revés que la penetración: la alfa es la más ionizante y la gamma la menos. Por eso el americio-241 de un detector de humo, que emite alfa, es seguro mientras está dentro de su carcasa, pero no debe inhalarse ni ingerirse.
Elementos altamente radiactivos: uranio, radio, polonio, plutonio y radón. El radón es un gas que sale de suelos y rocas y puede acumularse en lugares cerrados.
Practica★☆☆Sin empezar
Los núcleos inestables emiten tres tipos de radiación: alfa ($\alpha$), beta ($\beta$) y gamma ($\gamma$). a) Indica la naturaleza de cada una: ¿se trata de un núcleo de…
Los núcleos inestables emiten tres tipos de radiación: alfa ($\alpha$), beta ($\beta$) y gamma ($\gamma$).
a) Indica la naturaleza de cada una: ¿se trata de un núcleo de helio, de un electrón o de un fotón?
b) Ordénalas de menor a mayor masa.
c) Señala cuáles tienen carga eléctrica y de qué signo.
En un laboratorio hay tres materiales de protección: una hoja de papel, una placa de aluminio de unos milímetros de espesor y un muro grueso de plomo o de concreto.…
En un laboratorio hay tres materiales de protección: una hoja de papel, una placa de aluminio de unos milímetros de espesor y un muro grueso de plomo o de concreto. Observa el esquema:
a) Asocia cada material con el tipo de radiación (alfa, beta o gamma) que basta para detener.
b) ¿Cuál de las tres radiaciones es la más penetrante? ¿Y la menos?
c) Explica por qué los técnicos que trabajan con fuentes gamma usan pantallas o delantales de plomo.
Tras muchas desintegraciones alfa o beta, el núcleo hijo queda en un estado excitado y se desexcita emitiendo radiación gamma. Observa el esquema de niveles: a) Explica…
Tras muchas desintegraciones alfa o beta, el núcleo hijo queda en un estado excitado y se desexcita emitiendo radiación gamma. Observa el esquema de niveles:
a) Explica qué es la radiación gamma: ¿en qué se parece a la luz visible y en qué se diferencia?
b) ¿Cambian el número másico $A$ o el número atómico $Z$ del núcleo cuando emite gamma? Justifica la respuesta.
La radiación alfa es la más ionizante de las tres y, sin embargo, la menos penetrante; la gamma es la más penetrante y la menos ionizante. a) Explica qué significa que…
La radiación alfa es la más ionizante de las tres y, sin embargo, la menos penetrante; la gamma es la más penetrante y la menos ionizante.
a) Explica qué significa que una radiación sea ionizante.
b) Razona por qué la radiación alfa, con su gran capacidad de ionizar, apenas atraviesa la capa externa de la piel.
c) El americio-241 de los detectores de humo emite alfa: explica por qué no representa peligro mientras permanece dentro de su carcasa, pero sí lo sería si se inhalara o se ingiriera.
Fíjate en la gráfica: en cada semivida la curva baja la mitad de lo que le quedaba, así que cada tramo es la mitad de alto que el anterior.
Cada semivida, la mitad de los núcleos que quedan se desintegra. Un isótopo de semivida corta, como el yodo-131 que se usa en medicina, pierde su actividad en pocas semanas; uno de semivida larga, como el uranio-238, permanece miles de millones de años.
Datación con carbono-14
Un organismo vivo incorpora carbono de forma continua (respiración, fotosíntesis, alimentación) y mantiene la misma proporción de carbono-14 que la atmósfera. Al morir deja de incorporarlo, y el carbono-14 que tiene comienza a desintegrarse con $T=5730$ años. Es un reloj.
Fisión y fusión nuclear
Romper un núcleo muy pesado de uranio y unir dos núcleos muy ligeros de hidrógeno son procesos opuestos. ¿Cómo es posible que ambos liberen energía? Porque en los dos casos los productos quedan más estables (más fuertemente ligados) que los reactivos.
Las reacciones nucleares también se balancean: se conservan $A$ y $Z$ totales. En la fisión de uranio-235, ${}^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + x\,{}^{1}_{0}\text{n}$, el número másico da $236 = 141 + 92 + x$, de donde $x = 3$. Esos tres neutrones pueden fisionar otros tres núcleos: así nace la reacción en cadena.
En la fusión los núcleos tienen carga positiva y se repelen (fuerza eléctrica). Para acercarlos a unos $10^{-15}\ \text{m}$, donde domina la fuerza nuclear, hay que darles muchísima energía cinética: temperaturas de más de $10^{8}\ \text{K}$.
Vuelve al principio: el azar vale para cada núcleo, pero una muestra grande se comporta de forma predecible: cada vida media se desintegra la mitad de lo que queda. El uranio-238 tiene $T = 4.5\times10^{9}$ años, igual a la edad de la Tierra, por eso hoy sobrevive cerca de la mitad del que había al principio. Y el americio-241 del detector de humo emite alfa: es inofensivo dentro de su carcasa, pero peligroso si se inhala o se ingiere.
Resumen
¡A practicar! 1 ejercicios de nivel medio en este apartado