Fsica nuclear

La fsica nuclear es una rama de la fsica que estudialas propiedades y el comportamiento de los ncleos at-micos. En un contexto ms amplio, se define la fsicanuclear y de partculas como la rama de la fsica queestudia la estructura fundamental de la materia y las in-teracciones entre las partculas subatmicas. Asimismo,la fsica nuclear es conocida mayoritariamente por la so-ciedad, por el aprovechamiento de la energa nuclear encentrales nucleares y en el desarrollo de armas nucleares,tanto de fisin como de fusin nuclear.

1 Primeros experimentos

La radiactividad fue descubierta en las sales de uranio porel fsico francs Henri Becquerel en 1896.En 1898, los cientficos Marie y Pierre Curie descubrie-ron dos elementos radiactivos existentes en la naturaleza,el polonio (84Po) y el radio (88Ra).En 1913 Niels Bohr public su modelo de tomo, con-sistente en un ncleo central compuesto por partculasque concentran la prctica mayora de la masa del tomo(neutrones y protones), rodeado por varias capas de par-tculas cargadas casi sin masa (electrones). Mientras queel tamao del tomo resulta ser del orden del angstrom(1010 m), el ncleo puede medirse en fermis (1015 m),o sea, el ncleo es 100 000 veces menor que el tomo.Ernest Rutherford en el ao 1918 defini la existencia delos ncleos de hidrgeno. Rutherford sugiri que el n-cleo de hidrgeno, cuyo nmero atmico se saba que era1, deba ser una partcula fundamental. Se adopt para es-ta nueva partcula el nombre de protn sugerido en 1886por Goldstein para definir ciertas partculas que aparecanen los tubos catdicos.Durante la dcada de 1930, Irne y Jean Frdric Joliot-Curie obtuvieron los primeros nucleidos radiactivos ar-tificiales bombardeando boro (5B) y aluminio (13Al) conpartculas para formar istopos radiactivos de nitrgeno(7N) y fsforo (15P). Algunos istopos de estos elemen-tos presentes en la naturaleza son estables. Los istoposinestables se encuentran en proporciones muy bajas.En 1932 James Chadwick realiz una serie de experimen-tos con una radiactividad especial que defini en trminosde corpsculos, o partculas que formaban esa radiacin.Esta nueva radiacin no tena carga elctrica y posea unamasa casi idntica a la del protn. Inicialmente se postulque fuera resultado de la unin de un protn y un electrnformando una especie de dipolo elctrico. Posteriores ex-

perimentos descartaron esta idea llegando a la conclusinde que era una nueva partcula procedente del ncleo a laque se llam neutrones.Los cientficos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmanndescubrieron la fisin nuclear en 1938. Cuando se irradiauranio con neutrones, algunos ncleos se dividen en dosncleos con nmeros atmicos. La fisin libera una can-tidad enorme de energa y se utiliza en armas y reactoresde fisin nuclear.

2 Reacciones nucleares

2.1 Colisin inelstica

La fsica nuclear incluye tambin el estudio de las reac-ciones nucleares: el uso de proyectiles nucleares para con-vertir un tipo de ncleo en otro. Si, por ejemplo, se bom-bardea el sodio con neutrones, parte de los ncleos es-tables Na capturan estos neutrones para formar ncleosradiactivos Na:

Na + 2n0 A+2Na +

Estas reacciones se estudian colocando muestras dentrode los reactores nucleares para producir un flujo alto deneutrones (nmero elevado de neutrones por unidad derea).Los ncleos tambin pueden reaccionar entre ellos pe-ro, si estn cargados positivamente, se repelen entre scon gran fuerza. Los ncleos proyectiles deben tener unaenerga lo bastante alta como para superar la repulsiny reaccionar con los ncleos blanco. Los ncleos de altaenerga se obtienen en los ciclotrones, en los generadoresde Van de Graaff y en otros aceleradores de partculas.Una reaccin nuclear tpica es la que se utiliz paraproducir artificialmente el elemento siguiente al uranio(238U), que es el elemento ms pesado existente en la na-turaleza. El neptunio (Np) se obtuvo bombardeando ura-nio con deuterones (ncleos del istopo hidrgeno pesa-do, 2H) segn la reaccin:

23892 U+ 21H 23993 Np+ n

2.2 Colisin elstica

1

https://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsicahttps://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAcleo_at%C3%B3micohttps://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAcleo_at%C3%B3micohttps://es.wikipedia.org/wiki/Part%C3%ADculas_subat%C3%B3micashttps://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_nuclearhttps://es.wikipedia.org/wiki/Central_nuclearhttps://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_at%C3%B3micahttps://es.wikipedia.org/wiki/Fisi%C3%B3n_nuclearhttps://es.wikipedia.org/wiki/Fusi%C3%B3n_nuclearhttps://es.wikipedia.org/wiki/Radiactividadhttps://es.wikipedia.org/wiki/Uraniohttps://es.wikipedia.org/wiki/Henri_Becquerelhttps://es.wikipedia.org/wiki/1896https://es.wikipedia.org/wiki/1898https://es.wikipedia.org/wiki/Marie_Curiehttps://es.wikipedia.org/wiki/Pierre_Curiehttps://es.wikipedia.org/wiki/Poloniohttps://es.wikipedia.org/wiki/Radio_(elemento)https://es.wikipedia.org/wiki/1913https://es.wikipedia.org/wiki/Niels_Bohrhttps://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomohttps://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAcleo_at%C3%B3micohttps://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Angstromhttps://es.wikipedia.org/wiki/Metrohttps://es.wikipedia.org/wiki/Femt%C3%B3metrohttps://es.wikipedia.org/wiki/Metrohttps://es.wikipedia.org/wiki/Ernest_Rutherfordhttps://es.wikipedia.org/wiki/1918https://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3genohttps://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_at%C3%B3micohttps://es.wikipedia.org/wiki/Prot%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/1886https://es.wikipedia.org/wiki/Eugen_Goldsteinhttps://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_cat%C3%B3dicohttps://es.wikipedia.org/wiki/1930https://es.wikipedia.org/wiki/Marie_Curiehttps://es.wikipedia.org/wiki/Jean_Fr%C3%A9d%C3%A9ric_Joliot-Curiehttps://es.wikipedia.org/wiki/Jean_Fr%C3%A9d%C3%A9ric_Joliot-Curiehttps://es.wikipedia.org/wiki/Borohttps://es.wikipedia.org/wiki/Aluminiohttps://es.wikipedia.org/wiki/Part%C3%ADcula_subat%C3%B3micahttps://es.wikipedia.org/wiki/Part%C3%ADcula_alfahttps://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3genohttps://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%B3sforohttps://es.wikipedia.org/wiki/1932https://es.wikipedia.org/wiki/James_Chadwickhttps://es.wikipedia.org/wiki/Part%C3%ADcula_subat%C3%B3micahttps://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Dipolo_el%C3%A9ctricohttps://es.wikipedia.org/wiki/Neutr%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Otto_Hahnhttps://es.wikipedia.org/wiki/Fritz_Strassmannhttps://es.wikipedia.org/wiki/Fisi%C3%B3n_nuclearhttps://es.wikipedia.org/wiki/1938https://es.wikipedia.org/wiki/Arma_nuclearhttps://es.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclearhttps://es.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclearhttps://es.wikipedia.org/wiki/Sodiohttps://es.wikipedia.org/wiki/Neutr%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Ciclotr%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaffhttps://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaffhttps://es.wikipedia.org/wiki/Acelerador_de_part%C3%ADculashttps://es.wikipedia.org/wiki/Uraniohttps://es.wikipedia.org/wiki/Neptunio

2 3 DETECCIN

2.3 Desintegracin nuclear

Los ncleos atmicos consisten en protones, cargados po-sitivamente y neutrones sin carga. El nmero de protonesde un ncleo es su nmero atmico, que define al ele-mento qumico. Todos los ncleos con 11 protones, porejemplo, son ncleos de tomos de sodio (Na). Un ele-mento puede tener varios istopos, cuyos ncleos tienenun nmero distinto de neutrones. Por ejemplo, el ncleode sodio estable contiene 12 neutrones, mientras que losque contienen 13 neutrones son radiactivos. Esos istoposse anotan como 2311Na y 2411Na , donde el subndice indicael nmero atmico, y el superndice representa el nmerototal de nucleones, es decir, de neutrones y protones. Acualquier especie de ncleo designada por un cierto n-mero atmico y de neutrones se le llama nucleido.Los nucleidos radiactivos son inestables y sufrenuna transformacin espontnea en nucleidos de otroselementos, liberando energa en el proceso (vaseRadiactividad).Esas transformaciones incluyen la desintegracin alfa,que supone la emisin de un ncleo de helio ( 42He+2), y la desintegracin beta (que puede ser - o +). En ladesintegracin - un neutrn se transforma en un protncon la emisin simultnea de un electrn de alta energay un antineutrino electrnico. En la desintegracin + unprotn se convierte en un neutrn emitiendo un positrn.Por ejemplo, el 24Na sufre una desintegracin - forman-do el elemento superior, el magnesio:

2411Na 2412Mg + + e

La radiacin gamma es radiacin electromagntica de altafrecuencia (y por tanto energa). Cuando se produce ladesintegracin o , el ncleo resultante permanece amenudo en un estado excitado (de mayor energa), por loque posteriormente se produce la desexcitacin emitiendorayos gamma.Al representar la desintegracin de un nucleido radiacti-vo se debe determinar tambin el periodo de semidesin-tegracin del nucleido. El periodo de semidesintegracindel 2411Na , es de 15 horas. Es importante determinar eltipo y energa de la radiacin emitida por el nucleido.

2.4 Fisin

Los conceptos de fisin y fusin nuclear difieren en lascaractersticas de formacin de cada uno. De esta formase encuentra que la fisin (utilizada en las bombas y reac-tores nucleares) consiste en el bombardeo de partculassubatmicas al uranio (o a cualquier elemento transur-nico, siempre y cuando sus caractersticas lo permitan),trayendo como consecuencia la fisin (de all su nombre)del tomo y con esto la de los dems tomos adyacentesal bombardeado en reaccin en cadena. Mientras que, la

fusin es la unin bajo ciertas condiciones (altas presio-nes, altas temperaturas, altas cargas, etc.) de dos o mstomos y genera mucha ms energa que la fisin.

2.5 Fusin

La fusin representa diversos problemas, ya que a nivelatmico las cargas de los tomos se repelen entre s im-pidiendo la unin de estos, por esto se recurre general-mente a la utilizacin de isotpos ligeros, con menor car-ga elctrica (como el hidrgeno y sus istopos deuterio ytritio). En ciertas condiciones, definidas por los criteriosde Lawson, se lograra la fusin de dichos tomos. Paraello primero se les debe convertir al estado de plasma,ionizndolos, favoreciendo a la unin. Esto se consiguemediante dos mtodos bsicos: el confinamiento magn-tico y el confinamiento inercial. Existen varias posibili-dades para producir la fusin a partir de los istopos delhidrgeno.La energa de la fusin an no se ha podido aprovecharcon fines prcticos.Representa algunas ventajas en relacin a la fisin nuclear:

1. Produce menos residuos nucleares.

2. En los diseos actuales se necesita un aporte exte-rior de energa para que la reaccin en cadena semantenga.

3. Produce ms energa por reaccin.

Tambin posee desventajas:

1. La reaccin ms energtica es deuterio+tritio, y eltritio es un istopo muy escaso en la Tierra.

2. Las condiciones necesarias son tan extremas que so-lo se dan en el centro de las estrellas, por lo que sonmuy difciles de alcanzar y controlar.

Las tcnicas conocidas de alcanzar las condiciones im-puestas por los criterios de Lawson son dos:

El confinamiento magntico, principalmente entokamaks como el ITER.

El confinamiento inercial, mediante el uso de lsereso aceleradores de partculas, como por ejemplo en elNational Ignition Facility.

3 Deteccin

3.1 Anlisis radioqumico como apoyo a ladeteccin

Las partculas alfa, que son emitidas normalmente porelementos con nmeros atmicos superiores a 83, tienen

https://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_at%C3%B3micohttps://es.wikipedia.org/wiki/Sodiohttps://es.wikipedia.org/wiki/Is%C3%B3topohttps://es.wikipedia.org/wiki/Nucleidohttps://es.wikipedia.org/wiki/Radiactividadhttps://es.wikipedia.org/wiki/Desintegraci%C3%B3n_alfahttps://es.wikipedia.org/wiki/Heliohttps://es.wikipedia.org/wiki/Desintegraci%C3%B3n_betahttps://es.wikipedia.org/wiki/Neutr%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Prot%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Antineutrinohttps://es.wikipedia.org/wiki/Positr%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_gammahttps://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9ticahttps://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttps://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADahttps://es.wikipedia.org/wiki/Periodo_de_semidesintegraci%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Periodo_de_semidesintegraci%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Criterios_de_Lawsonhttps://es.wikipedia.org/wiki/Criterios_de_Lawsonhttps://es.wikipedia.org/wiki/Ionizaci%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Confinamiento_magn%C3%A9ticohttps://es.wikipedia.org/wiki/Confinamiento_magn%C3%A9ticohttps://es.wikipedia.org/wiki/Confinamiento_inercialhttps://es.wikipedia.org/wiki/Estrellahttps://es.wikipedia.org/wiki/Confinamiento_magn%C3%A9ticohttps://es.wikipedia.org/wiki/Tokamakhttps://es.wikipedia.org/wiki/ITERhttps://es.wikipedia.org/wiki/Confinamiento_inercialhttps://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1serhttps://es.wikipedia.org/wiki/Acelerador_de_part%C3%ADculashttps://es.wikipedia.org/wiki/National_Ignition_Facilityhttps://es.wikipedia.org/wiki/Part%C3%ADcula_alfa

3

la energa discreta caracterstica de los nucleidos emiso-res. As, los emisores pueden ser identificados midien-do la energa de las partculas . Las muestras a medirdeben ser muy delgadas porque estas partculas pierdenrpidamente energa al atravesar el material. Los rayosgamma tambin tienen la energa discreta caractersticadel nucleido que se desintegra, por lo que la energa deestos rayos tambin puede usarse para identificar nuclei-dos. Puesto que los rayos gamma pueden atravesar unacantidad considerable de material sin perder energa, lamuestra no tiene que ser delgada. Los espectros de ener-ga de las partculas beta (y los positrones) no son tilespara identificar nucleidos porque se extienden sobre todaslas energas hasta un mximo para cada emisor .

3.2 Anlisis mediante activacin neutrni-ca

Con frecuencia, las tcnicas de fsica nuclear se empleanpara analizar materiales rastreando elementos presentesen cantidades muy pequeas. La tcnica utilizada se lla-ma anlisis de activacin. Se irradia una muestra con pro-yectiles nucleares (normalmente neutrones) para conver-tir nucleidos estables en nucleidos radiactivos, que luegose miden con detectores de radiacin nuclear. Por ejem-plo, el sodio de una muestra puede ser detectado irradian-do la muestra con neutrones, y convirtiendo as parte delos ncleos estables Na en ncleos radiactivos Na; acontinuacin se mide la cantidad de estos ltimos con-tando las partculas y los rayos g emitidos.El anlisis de activacin puede medir (sin separacin qu-mica) cantidades tan pequeas como 1 nanogramo (10-9 g) de unos 35 elementos en materiales como el suelo,las rocas, los meteoritos y las muestras lunares. Tambinpuede utilizarse para analizar muestras biolgicas, comola sangre y el tejido humano; sin embargo, en los mate-riales biolgicos se pueden observar pocos elementos sinseparaciones qumicas.Otras aplicaciones importantes de la fsica nuclear son eldesarrollo de mtodos para producir especies radiactivasutilizadas para la diagnosis y los tratamientos mdicos.Tambin ha desarrollado los istopos trazadores que seusan para estudiar el comportamiento qumico de los ele-mentos, para medir el desgaste de los motores de autom-viles y en otros estudios que emplean cantidades mnimasde material.

4 Cientficos relevantes en la fsicanuclear

5 Vase tambin

Fsica de partculas

Reactor nuclear

Energa nuclear

Radioistopos

Contador Geiger

6 Enlaces externos

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Proyecto Consolider 2010 CPAN (Centro Nacionalde Fsica de Partculas, Astropartculas y Nuclear)

https://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_de_part%C3%ADculashttps://es.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclearhttps://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_nuclearhttps://es.wikipedia.org/wiki/Radiois%C3%B3toposhttps://es.wikipedia.org/wiki/Contador_Geigerhttps://es.wikipedia.org/wiki/Wikimedia_Commonshttps://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Nuclear%2520physicshttps://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Nuclear%2520physicshttp://www.i-cpan.es/http://www.i-cpan.es/

4 7 TEXT AND IMAGE SOURCES, CONTRIBUTORS, AND LICENSES

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7.1 Text Fsica nuclear Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica%20nuclear?oldid=79957977 Colaboradores:Maveric149, Agremon,

Moriel, Scott MacLean, Ejmeza, Gmagno, Ascnder, Sms, Cookie, Tano4595, Wricardoh, Xenoforme, Yhr, Fmariluis, Petronas, Airunp,Rembiapo pohyiete (bot), RobotQuistnix, Valadrem, Chobot, Yrbot, Vitamine, BOTijo, Huds, Euratom, Kabri, Dramey, Maldoror, ErKomandante, BOTpolicia, CEM-bot, Laura Fiorucci, Pello, Retama, Davius, Rastrojo, Julian Mendez, Rata blanca, Escarbot, RoyFocker,Gusgus, JAnDbot, Rigadoun, Kved, BetBot, Franxo, Gsrdzl, TXiKiBoT, Netito777, Nioger, Alefisico, Plux, Dhidalgo, Zeroth, Bucephala,AlnoktaBOT, VolkovBot, Snakeyes, Technopat, ERPN, Queninosta, Matdrodes, AlleborgoBot, 3coma14, Muro Bot, Educacion13, M san-chez ordonez, Bucho, Srbanana, BotMultichill, Gerakibot, SieBot, Mushii, PaintBot, Loveless, Pedro004, BOTarate, Manw, Belb, Arquen,Tirithel, Mutari, Kikobot, DragonBot, Estirabot, Eduardosalg, Argenz, Homero Simpson, Alexbot, Sergio 0258, Arhendt, Camilo, UA31,AVBOT, LucienBOT, Peti610bot, Diegusjaimes, Arjuno3, Luckas-bot, Wikisilki, Jotterbot, Vic Fede, Alonsy, Nixn, ArthurBot, Wed-nesday, SuperBraulio13, Xqbot, Jkbw, Botarel, Hprmedina, Cidel, Gabokun, TjBot, Ripchip Bot, EmausBot, Allforrous, Africanus, CPAN,Emiduronte, Cordwainer, GM83, Wamba.medinabeitia.uem, Davidlainez, MerlIwBot, KLBot2, Alberto5000, Furious Corpse, Josejcrpe-pe, Carles james tercero, Addbot, Balles2601, Melodygar, Yuritzi ortega, Orbitantes, Franchuti97, Fer48, Jesusrafaello, Melissa.mirandac,Jarould y Annimos: 159

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Primeros experimentos Reacciones nucleares Colisin inelstica Colisin elstica Desintegracin nuclear Fisin Fusin

Deteccin Anlisis radioqumico como apoyo a la deteccin Anlisis mediante activacin neutrnica

Cientficos relevantes en la fsica nuclear Vase tambin Enlaces externos Text and image sources, contributors, and licensesTextImagesContent license