miércoles, 7 de noviembre de 2012

Fuerza Nuclear


Reacciones Nucleares


Las reacciones nucleares son como bien lo dice la palabra, reacciones (donde se libera energía), en las cuales se altera la composición de los elementos así como también se pueden crear elementos nuevos que no estaban antes.
Para clasificar estas reacciones las podemos dividir en dos grupos: Fisiones nucleares o fusiones nucleares (que aunque suenen parecido no son lo mismo). Las fisiones nucleares son aquellas reacciones donde el núcleo de un elemento se divide en dos o varios pedazos y de esta manera genera nuevos elementos. Las fusiones nucleares en cambio son reacciones donde se unen núcleos y forman un núcleo más complejo.
Es decir en la fisión los núcleos se dividen y forman otros elementos y en la fusión los núcleos de unen y forman un núcleo más complejo. Pero en las dos tipos de reacciones nucleares ocurre lo que antes dijimos  un cambio en la estructura del elemento o los elementos. A diferencia de las reacciones químicas donde el producto no presenta el núcleo cambiado y no tiene elementos nuevos.
Vale también aclarar que las reacciones nucleares presentan isótopos que son todos aquellos elementos con átomos que tiene núcleos con igual carga positiva, pero combinada con diferentes números de neutrones y protones.
Para entender de forma más clara aquí hay un esquema que muestra como se produce la reacción nuclear:
Ejemplo de reacción nuclear:
Se ha estudiado bastantes acerca de este fenómeno y se han descubierto futuras aplicaciones para estas reacciones. Entre otras se descubrió que se pueden usar para reemplazar las centrales hidráulicas térmicas, para hacer pilas atómicas, etc. y no sólo para conflictos bélicos y bombas como antes se creía.
Las mejores esperanzas están en la utilización de las reacciones nucleares como nuevas fuentes de energía, ya que el agua que circula por los reactores atómicos como refigerante puede convertirse en vapor y utilizarse en la misma forma que la producida en una caldera para hacer fundionar una maquina a vapor o un generados termoeléctrico.






Fusión Nuclear

En física nuclear, fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado. Simultáneamente se libera o absorbe una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.
La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (en este elemento y en el níquel ocurre la mayor energía de enlace nuclear por nucleón) libera energía en general. Por el contrario, la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía. En el proceso inverso, la fisión nuclear, estos fenómenos suceden en sentidos opuestos.
En el caso más simple de fusión, en el hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía.
En la naturaleza ocurre fusión nuclear en las estrellas, incluido el sol. En su interior las temperaturas son cercanas a 15 millones de grados Celsius. Por ello a las reacciones de fusión se les denomina termonucleares. En varias empresas se ha logrado también la fusión (artificial), aunque todavía no ha sido totalmente controlada.
Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford, conducidos pocos años antes, Mark Oliphant, en 1932, observó por vez primera la fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno).
Posteriormente, durante el resto de ese decenio, Hans Bethe estudió las etapas del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas.
La investigación acerca de la fusión para fines militares se inició en los años 40 del siglo XX como parte del Proyecto Manhattan, pero no tuvo buen éxito hasta 1952. La indagación relativa a fusión controlada con fines civiles se inició en el decenio siguiente, los 50, y continúa hasta la fecha.





Las Interacciones Fundamentales

En física, se denominan interacciones fundamentales los cuatro tipos de campos cuánticos mediante los cuales interactúan las partículas. Según el modelo estándar, las partículas que interaccionan con las partículas materiales, fermiones, son los bosones.
Existen 4 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, y hasta ahora la interacción débil y la electromagnética se han podido unificar en la interacción electrodébil. En cambio, la unificación de la fuerza fuerte con la 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.
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.


miércoles, 24 de octubre de 2012

Decaimiento Radioactivo

El decaimiento radiactivo es la manera en que un núcleo emite radiación de cualquier tipo, principalmente en forma de partículas, y se transforma en otro diferente. Esta radiación es la que los físicos registran y analizan, y gracias a su estudio se conocen detalles finos de los núcleos atómicos y se avanza en el conocimiento acerca de la estructura atómica y nuclear.

Desde el descubrimiento de la radiactividad alcanzada hace poco más de un siglo por Bequerel y los esposos Pierre y Marie Curie, se conoce la desintegración del núcleo de ciertos elementos con emisión de radiación, que forman otro elemento. Sin embargo, el reto para los científicos universitarios era conocer y experimentar con un nuevo tipo de decaimiento radioactivo, que aporte nuevo conocimiento básico sobre el tema.

En la actualidad son múltiples las aplicaciones que tienen las ciencias nucleares: se irradian alimentos y medicinas, se esterilizan lo mismo materiales de laboratorio que obras de arte, y se realizan diversos estudios médicos utilizando materiales radiactivos. Sin embargo, persisten dudas fundamentales sobre cómo son los núcleos atómicos. Así, mediante el desarrollo de un método llamado "de blanco grueso", María Esther Ortíz Salazar y Efraín Chávez Lomelí han despejado una parte del camino dirigido a generar nuevo conocimiento básico en ese terreno de la física experimental.

Propiedades fundamentales
El decaimiento radiactivo de un núcleo atómico es un proceso por el cual se emite una partícula.
Hipótesis 1: Al producirse en los núcleos atómicos y dadas el corto alcance de las fuerzas nucleares, diferentes núcleos no se interfieren entre sí y los sucesos de decaimiento radiactivo pueden considerarse independientes entre sí.
Hipótesis 2: Otra hipótesis razonable es que la probabilidad de desintegración en un intervalo diferencial dt es proporcional a la longitud del intervalo.
Hipótesis 3: Y si a las dos hipótesis anteriores se le añade la de una probabilidad despreciable para la ocurrencia de más de una desintegración en el intervalo diferencial dt, tendremos que se cumplen las tres hipótesis de un proceso de Poisson y por lo tanto se puede suponer una distribución de probabilidad de Poisson para el decaimiento radiactivo.




Radioactividad



La radiactividad o radioactividad es un fenómeno químico-físico por el cual algunos cuerpos o elementos químicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas radiográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, entre otros. Debido a esa capacidad, se les 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 corpusculares, como pueden ser núcleos de helio, electrones o positrones, protones u otras. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos elementos, inestables, que son capaces de transformarse, o decaer, espontáneamente, en núcleos atómicos de otros elementos más estables.
La radiactividad ioniza el medio que atraviesa. Una excepción lo constituye el neutrón, que no posee carga, pero ioniza la materia en forma indirecta. En las desintegraciones radiactivas se tienen varios tipos de radiación: alfa, beta, gamma y neutrones.
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) o de sus nucleones (rayo gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones,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.
La radiactividad se aprovecha para la obtención de energía nuclear, se usa 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.

La desintegración radioactiva

Los núcleos están compuestos por protones y neutrones, que se mantienen unidos por la denominada fuerza fuerte. Algunos núcleos tienen una combinación de protones y neutrones que no conducen a una configuración estable. Estos núcleos son inestables o radiactivos. Los núcleos inestables tienden a aproximarse a la configuración estable emitiendo ciertas partículas. Los tipos de desintegración radiactiva se clasifican de acuerdo a la clase de partículas emitidas.

Desintegración alfa: El elemento radiactivo de número atómico Z, emite un núcleo de Helio (dos protones y dos neutrones), el número atómico disminuye en dos unidades y el número másico en cuatro unidades, produciéndose un nuevo elemento situado en el lugar Z-2 de la Tabla Periódica.

Desintegración beta: El núcleo del elemento radiactivo emite un electrón, en consecuencia, su número atómico aumenta en una unidad, pero el número másico no se altera. El nuevo elemento producido se encuentra el lugar Z+1 de la Tabla Periódica.

Desintegración gamma: El núcleo del elemento radiactivo emite un fotón de alta energía, la masa y el número atómico no cambian, solamente ocurre un reajuste de los niveles de energía ocupados por los nucleones.
El programa interactivo describe un modelo de sustancia radiactiva A que se desintegra en una sustancia estable B. Se disponen N núcleos radiactivos de la sustancia inestable A. Se introduce la constante de desintegración l. A medida que transcurre el tiempo se anota el número de núcleos que permanecen sin desintegrar. Posteriormente, se comprobará la ley exponencial decreciente a partir de los datos tomados.


 



Energía en los decaimientos nucleares

En todos los procesos de decaimiento radiactivo, estarán presentes balances de energía, de manera parecida a como la masa se conserva en una mezcla química. A nivel atómico, la energía total que hay antes de una emisión debe ser igual a la que hay después de la emisión.

Detengámonos en la energía de una partícula. En el año 1905, el físico Albert Einstein (1879-1955) postuló su teoría especial de la relatividad. Entre los muchos aportes de dicha teoría, estableció la energía que tiene una partícula que se encuentra en reposo, mediante la ecuación:

E=MC²

 Donde m es la masa de la partícula y c la velocidad de la luz. De lo anterior se puede deducir que un solo gramo de materia ¡contiene 90 millones de megajoules de energía! Y ya que sabemos que casi toda la masa de los átomos se encuentra en el núcleo, es allí donde se concentra la mayor parte de la energía.





miércoles, 17 de octubre de 2012

Tamaño del atomo

Distancia al interior del átomo.                                                       
La distancia entre el núcleo del átomo y la ubicación del electrón es muy grande; por ejemplo, si el núcleo del átomo fuera del tamaño de una naranja, es decir, unos 8 cm de diámetro, entonces la distancia al primer estado estacionario del electrón se podría calcular de la siguiente manera:
Átomo 10 ^ -8 cm
Núcleo   10^ -13 cm
Átomo = 10 ^5
Núcleo
Entonces, si el radio de la naranja (núcleo) fuera de  4cm, la distancia entre el electrón y el núcleo sería de 4 x 10 ^5cm, es decir, 4 kilómetros, lo que muestra que al interior de la materia existe mucho espacio vacío.
 El modelo atómico de Bohr sirve para explicar muchos fenómenos, pero no es el modelo atómico definitivo, con el tiempo se le fueron haciendo algunas correcciones, llegando al modelo mecánico-cuántico, que es el más aceptado en la actualidad. En ese modelo, el concepto de orbita es reemplazado por el concepto matemático de probabilidad; es decir, se asigna una probabilidad numérica de encontrar electrones en una cierta región del espacio. En el esquema, aparece la distribución de probabilidad de encontrar electrones para tres estados del electrón de un átomo de hidrogeno. Al ocurrir aquello, cambia un poco la noción de la distancia entre el núcleo y el electrón, pues el no se ubicaría a una distancia fija del núcleo.

Características del núcleo.
 Debido a lo pequeñísimo que es el átomo en relación a nuestro mundo cotidiano, los científicos tardaron muchos años en medir por métodos indirectos las cualidades del núcleo, Fue en el año 1932 que el físico norteamericano James Chadwick logró determinar experimentalmente que estaba formado por dos partículas, que llamó protones y neutrones (también denominados nucleones), el protón con carga eléctrica positiva, de la misma magnitud que la del electrón, y el neutrón sin carga eléctrica.
El número de protones del núcleo se denomina número atómico (Z), y como generalmente los átomos son eléctricamente neutros, ese número corresponde también al número de electrones. El número total de nucleones de un átomo es el número másico (A). Finalmente, el número de neutrones de un núcleo se designa con la letra N. todos aquellos valores determinan al átomo y aparecen alrededor de la abreviatura del elemento químico en la tabla periódica de los elementos.




Tamaño del núcleo atómico.
Como el núcleo no es una unidad compacta, sino que está formulada por protones y neutrones, resulta lógico que su tamaño dependa del número de aquellos. Una manera de calcular su radio está dada por la relación:
R = 1x2 x 10 ^-15 · A ⅓ m
Donde A es el numero másico, es decir, la suma de protones y neutrones del núcleo.
Masa del núcleo atómico.
La masa de la Tierra es aproximadamente 81 veces la masa de la Luna, y con eso basta para considerar que la luna gira alrededor de la Tierra por efecto gravitacional. Si se compara la masa que tiene el núcleo del átomo de hidrogeno (un protón) Con un electrón, se obtienen una relación mucho mayor ( 1 : 1885 ), pero no se debe olvidar que en ese caso también actúa la fuerza eléctrica.
Consideraciones como aquella, y como la distancia entre el núcleo y electrón, han determinado que se compare el modelo de Rutherford y el del átomo de hidrogeno como “modelo planetario”, lo que se modifica radicalmente cuando se considera el modelo mecánico-cuántico.


Leer más: http://www.wikiteka.com/apuntes/fisica-cuantica-9/#ixzz29a4AWqgF




Función de los Neutrones

los neutrones no tienen carga y se encuentran en el núcleo para que los protones no se repelan (porque tienen carga positiva) si no estuvieran solo podría haber 1 proton por núcleo como el hidrógeno