Radiactividad y Radiaciones
La radiactividad es la radiación emitida en los procesos nucleares. En 1899, E. Rutherford identificó dos tipos de radiaciones: alfa y beta. En 1900, se identificó la radiación gamma. La radiactividad permitió avanzar en el conocimiento de la estructura del átomo.
- Radiación Alfa (α): Núcleos de helio.
- Radiación Beta (β): Electrones.
- Radiación Gamma (γ): Fotones de mayor frecuencia que los rayos X.
Las radiaciones α y β (partículas cargadas) se desvían mediante campos eléctricos y magnéticos, mientras que las radiaciones γ no se desvían. Poder de ionización: α (1000), β (100), γ (1).
Leyes de Soddy
Los procesos nucleares de desintegración radiactiva cumplen las siguientes leyes de conservación:
- Conservación de la energía.
- Conservación de la cantidad de movimiento.
- Conservación de la carga.
- Conservación del número de nucleones.
Primera Ley (Emisión α): La realizan núcleos pesados inestables. Emitiendo una partícula α, tienden hacia la curva de los núcleos estables (curva de estabilidad).
Segunda Ley (Emisión β-): La realizan los núcleos inestables ricos en neutrones. Transformando un neutrón en un protón, tienden hacia la curva de estabilidad. (Emisión β+): La realizan los núcleos inestables ricos en protones. Transformando un protón en un neutrón, tienden hacia la curva de estabilidad.
Tercera Ley (Emisión γ): La realizan núcleos inestables acompañando a las desintegraciones α y β. El núcleo emite energía en forma de radiación para ser más estable.
Reacciones Nucleares
Una reacción nuclear consiste en obtener núcleos atómicos artificiales que no se hallan en la naturaleza. Las reacciones nucleares se efectúan propiciando el choque de una partícula con un núcleo.
- Transmutación: Núcleo estable.
- Isótopo radiactivo: Núcleo inestable, que emite algún tipo de radiación para conseguir su estabilidad.
Ley de Desintegración Radiactiva (Rutherford-Soddy)
Cada núcleo radiactivo tiene su propio ritmo de desintegración (α, β). El número de desintegraciones en la unidad de tiempo es proporcional al número de núcleos.
- Velocidad de desintegración (actividad): Número de núcleos desintegrados en la unidad de tiempo (Bq).
- Periodo de semidesintegración (semivida) (T): Tiempo que debe transcurrir para que se desintegren la mitad de los núcleos.
- Periodo radiactivo (vida media) (τ): Tiempo de vida promedio de un núcleo.
- Datación de la edad: Determina la antigüedad de una muestra si contiene algún compuesto radiactivo, ya que la actividad de este disminuirá con el tiempo. Las muestras orgánicas se pueden fechar por el porcentaje de carbono-14 presente en la muestra.
Modelos Atómicos y Energía Nuclear
Núcleo atómico: Para explicar el comportamiento del núcleo atómico existen distintos modelos: Modelo de la gota líquida, Modelo de capas.
Interacción nuclear fuerte: La interacción fuerte es la que mantiene unidos los nucleones (protones-neutrones) venciendo la repulsión electrostática de los protones. Características:
- Es 100 veces más intensa que la interacción electrostática.
- Es atractiva de corto alcance (1F), repulsiva (<1F) y nula (>1F).
- Es saturada: cada nucleón se liga solo con un número determinado de nucleones.
Energía nuclear/Energía de enlace: La masa de un núcleo es menor que la masa de las partículas que lo constituyen. La diferencia se denomina defecto de masa.
- Energía de enlace: Energía desprendida al formar un núcleo a partir de las partículas constituyentes (protones, neutrones). Es la energía responsable de mantener los nucleones en un núcleo.
- Energía de enlace por nucleón: Cociente entre la energía de enlace y el número de nucleones. Los núcleos más estables son los que tienen mayor energía de enlace por nucleón.
Fisión y Fusión Nuclear
Reacción nuclear: Se produce por el choque de una partícula ligera (proyectil) con un núcleo (blanco) formando un núcleo excitado. Posteriormente se divide o emite alguna partícula.
Fisión nuclear: Es la escisión de un núcleo, generalmente pesado (A > 230), en dos más ligeros y estables («fragmentos de fisión») con desprendimiento de energía. Un núcleo fisionado desprende 200 MeV (1 MeV aproximadamente por nucleón).
Fusión nuclear: Es la unión de dos núcleos ligeros para formar otro mayor más estable con desprendimiento de energía. Dos núcleos fusionados desprenden 14,6 MeV (3 MeV por nucleón).
Efecto Fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones por la superficie de un metal cuando se ilumina con luz de frecuencia suficientemente elevada. Solo se produce para radiación de frecuencia mayor que la frecuencia umbral. Cada metal tiene una frecuencia umbral diferente. La energía cinética de los electrones emitidos depende de la frecuencia de la radiación con la que han sido iluminados, pero no de la intensidad. Los electrones se emiten de forma instantánea.
Einstein: La radiación no solo se emite de forma discreta, sino que se propaga y es absorbida de la misma manera. Así, cuando un cuanto de radiación (fotón) de energía choca con un electrón del metal, es absorbido y, si su energía es suficiente, puede arrancar el electrón del metal.
- Trabajo de extracción: Mínima energía para poder arrancar los electrones.
- Potencial de corte (Vo): Es el potencial necesario para frenar a los electrones emitidos por el metal irradiado y evitar que escapen.
Espectro Atómico y Modelo de Bohr
Espectro atómico: Cada elemento químico presenta un espectro discontinuo característico. Cada línea del espectro se corresponde con una determinada longitud de onda. Los espectros de emisión presentan líneas espectrales en la zona infrarroja, visible y ultravioleta.
Modelo atómico de Bohr: Los electrones se encuentran en órbitas estacionarias (nivel de energía, n). Las transiciones energéticas de nivel se realizan con la absorción o emisión de energía.
Dualidad Onda-Partícula
Dualidad: Louis de Broglie, en 1924, postuló que las partículas materiales (al igual que la luz) tienen un comportamiento dual, de onda y de partícula.