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Interacción nuclear
(96-E) a) Escriba la ley de desintegración radiactiva y explique el significado de cada símbolo. b) Un núcleo radiactivo tiene un periodo de semidesintegración de 1 año. ¿Significa esto que se habrá desintegrado completamente en dos años? Razone la respuesta.
a) La ley de desintegración radiactiva es : donde N son los nucleídos presentes en un instante t, N 0 son los nucleídos iniciales, el signo negativo se debe a que el número de núclidos presentes disminuyen con el tiempo y λ es la constante de desintegración que representa la probabilidad de desintegración de un núclido por unidad de tiempo y es característica de cada metal.
b) No, en absoluto. El período de semidesintegración es el tiempo en el que una cierta cantidad de material radiactivo se reduce a la mitad. Por tanto, transcurrido un primer período restará sin desintegrar 50% de la muestra inicial. Tras un segundo período de semidesintegración, quedará un 50% de la cantidad de la anterior, es decir la mitad de la mitad de la cantidad inicial.
(97-E) Responda breve y razonadamente a las siguientes preguntas: a) ¿por qué se postuló la existencia del neutrón? b) ¿por qué la masa de un núcleo atómico es menor que la suma de las masas de las partículas que lo constituyen?
a) Por un lado, debido a la necesidad de explicar la falta de repulsión entre los protones que constituyen el núcleo y sobre todo, para poder justificar la no correspondencia entre la masa atómica real de los átomos y la que teóricamente debería corresponder al mismo átomo con el número de protones que constituían su núcleo.
b) El núcleo atómico posee una masa inferior a la correspondiente a la suma de las masas de sus partículas constituyentes. Esa cantidad se denomina defecto de masa y, expresada en términos energéticos, indica la disminución energética producida al formarse el núcleo por aproximación de las partículas que lo conforman. En este sentido, un mayor defecto de masa indicará una mayor energía desprendida, y por lo tanto una menor energía de núcleo, con lo que su estabilidad es mayor. Cuanto mayor es el defecto de masa, mayor será la estabilidad del núclido.
(97-E) a) Compare las características más importantes de las interacciones gravitatoria, electromagnética y nuclear fuerte. B) Explique cuál o cuáles de dichas interacciones serían importantes en una reacción nuclear, ¿por qué?
a) Interacción gravitatoria : La interacción gravitatoria es la fuerza de atracción que ejerce una porción de materia sobre otra y afecta a todos los cuerpos. Su intensidad es mínima entre las partículas que intervienen en los procesos atómicos, pero es importancia a gran escala porque su alcance es infinito, aunque crece de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
Interacción electromagnética : La fuerza electromagnética afecta exclusivamente a los cuerpos con carga eléctrica y es la responsable de las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas, donde une a los electrones y los núcleos. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria y su alcance es también infinito. Sin embargo, no es acumulativa como la gravitación. Ahora, según el tipo de cargas presentes, las interacciones electromagnéticas son atractivas o repulsivas, de manera que la neutralidad eléctrica de la materia anula sus efectos a larga distancia.
Interacción nuclear fuerte : Para explicar la estabilidad de los núcleos, que contienen protones a una distancia increíblemente pequeña, Rutherford postuló la existencia de la interacción
nuclear fuerte, una fuerza atractiva de muy corto alcance, es decir muy intensa para distancias del orden de los diámetros nucleares, capaz de vencer la repulsión entre los protones y mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos.
b) De las tres que trata el enunciado, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética serán las interacciones importantes en una reacción nuclear.
Cuando se produce una reacción nuclear, el proceso debido a que el impacto a causa del proyectil desequilibra el balance de las fuerzas ya mencionadas. El choque hace separar ligeramente los nucleones: en determinados casos, ese alejamiento es suficiente como para hacer disminuir la atracción entre nucleones a favor de una mayor repulsión interprotónica. El núcleo se vuelve inestable y para volver a la estabilidad sufre un proceso nuclear, por emisión de radiación alfa, beta, gamma, positrones, por procesos de fisión…
(98-E) a) ¿Por qué los protones permanecen unidos en el núcleo, a pesar de que sus cargas tienen el mismo signo? b) Compare las características de la interacción responsable de la estabilidad nuclear con las de otras interacciones, refiriéndose a su origen, intensidad relativa, alcance, etc.
a) Estos permanecen unidos gracias a las interacciones nucleares que existen entre ellos. Este tipo de fuerzas son atractivas y de una intensidad muy fuerte, pues vencen la repulsión electrostática entre los protones. Son de un alcance muy corto, solo apreciable en distancias del orden de 10 -15m. Además, son independientes de la carga eléctrica, lo que significa que las interacciones nucleares entre las partículas del núcleo son esencialmente iguales entre ellas. La fuerza nuclear, a su vez, tiene una “coraza” repulsiva, lo que significa que a distancias mucho menores que las del alcance se hace repulsiva.
b) Fuerza gravitatoria. Se ejerce entre dos partículas cualesquiera que posean masa. Siempre es de naturaleza atractiva. Es una interacción muy débil y que solo se deja percibir de manera importante cuando los cuerpos implicados poseen una gran masa.
Fuerza electromagnética. Se ejerce entre dos partículas con carga eléctrica. Puede ser atractiva o repulsiva. Es de mayor intensidad que la fuerza gravitatoria y a distancias mayores supera a la fuerza nuclear fuerte.
Fuerza nuclear débil. Responsable de la desintegración de algunos elementos inestables. Es más débil que la fuerza nuclear fuerte y la electromagnética, pero a distancias nucleares supera a la gravitatoria. Son de muy corto alcance.
Fuerza nuclear fuerte. Responsable de la cohesión del núcleo, mantiene unido a los nucleones. Muy intensa a distancias nucleares.
(98-R) a) La masa de un núcleo atómico no coincide con la suma de las masas de las partículas que los constituyen. ¿Es mayor o menor? ¿Cómo justifique esa diferencia? b) ¿Qué se entiende por estabilidad nuclear? Explique, cualitativamente, la dependencia de la estabilidad nuclear con el número másico.
a) La masa de un núcleo atómico es menor que la suma de las masas de las partículas que lo forman. El defecto de masa se ha transformado en energía, que se llama energía de enlace.
b) Si un núcleo es estable, no se desintegra radiactivamente. La estabilidad nuclear tiene lugar cuando la fuerza nuclear fuerte (que es atractiva) ejercida entre los nucleones está equilibrada con la fuerza repulsiva de los protones. Cuanto mayor es la energía de enlace por nucleón, mayor es la estabilidad del núcleo.
b) Verdadero. La actividad nuclear es , como vemos e s independiente del tiempo, tan solo depende del número de núcleos en un determinado instante y de la constante de desintegración.
(99-R) b) Dos muestras radiactivas tienen igual masa. ¿Puede asegurarse que tienen igual actividad?
b) La actividad nuclear equivale a. La constante λ es característica del tipo de núclidos, por lo que aunque tengan igual masa no se puede asegurar de que tengan la misma actividad.
(99-R) Razone si las siguientes afirmaciones son ciertas o falsas: a) La masa del núcleo de deuterio es menor que la suma de las masas de un protón y un neutrón. b) Las interacciones principales de los dominios atómico, molecular y nuclear son diferentes.
a) Comparando las masas de neutrones y protones con la del deuterio ionizado se observa que la suma de ambas restado a la masa del deuterio da un valor positivo. En conclusión, la masa del deuterio es menor. ( Esto es debido al defecto de masa ). Por lo que esta afirmación es verdadera.
(00-R) a) Explique el proceso de desintegración radiactiva con ayuda de una gráfica aproximada en la que se represente el número de núcleos sin transformar en función del tiempo. b) Indique qué es la actividad de una muestra. ¿De qué depende?
a)
La radiación es el proceso por el cual los núcleos atómicos de ciertas sustancias emiten radiación de manera espontánea y se transforman en núcleos de elementos diferentes o bien en un estado menos energético.
En la desintegración, el número de núcleos radiactivos cae de manera exponencial. Cuando ha transcurrido un tiempo igual a un periodo de semidesintegración, la mitad de los núcleos se han desintegrado y queda la mitad sin desintegrar. Cuando transcurren dos semiperiodos de desintegración queda solamente la mitad de la mitad y así sucesivamente.
b) La actividad radiactiv a es el número de núclidos que se desintegran por unidad de tiempo. Su valor depende del tipo de núclido y del número de núclidos presentes.
(00-R) a) Explique el origen de la energía liberada en una reacción nuclear. ¿Qué se entiende por defecto de masa? b) ¿Qué magnitudes se conservan en las reacciones nucleares?
a) En una reacción nuclear, núcleos de un determinado elemento químico se transforman en núclidos diferentes (uno o varios), normalmente al chocar con otros núcleos o partículas subatómicas, pudiéndose desprender más partículas.
En estas reacciones, se observa que no se cumple la conservación de la masa. La masa total de los productos (núcleos y partículas finales) es distinta de la masa total de los reactivos (núcleos y partículas iniciales). La teoría de la relatividad de Einstein explica este hecho razonando que masa y energía pueden transformarse una en la otra. La cantidad de energía equivalente a una masa m viene dada por la expresión E = m⋅c^2
El defecto de masa en los núcleos atómicos es la diferencia entre su masa medida experimentalmente y la indicada por su número másico A: Masa(A,Z) = Masa Experimental + Defecto de Masa Sucede cuando los nucleones se agrupan para formar un núcleo, que pierde una pequeña cantidad de masa, es decir, hay un defecto de masa. Este defecto de masa se libera en forma (a menudo radiante) de energía según la relación E = mc^2.
b ) En las reacciones nucleares como son choques aislados , es decir, sin ninguna fuerza exterior, deberá conservarse la cantidad de movimiento total del sistema. Deberá conservarse también la carga, así como se deberá conservar el número de nucléolos.
Pero hay que resaltar que en las reacciones nucleares no se conserva la masa, es decir, que la suma de las masas de los átomos reaccionantes no coincide con la de los productos resultantes
(01-E) a) Algunos átomos de nitrógeno () atmosférico chocan con un neutrón y se transforman en carbono () que, por emisión, se convierte de nuevo en nitrógeno. Escriba las correspondientes reacciones nucleares. b) Los restos de animales recientes contienen mayor proporción de () que los restos de animales antiguos. ¿A qué se debe este hecho y qué aplicación tiene?
b) En los animales vivos se asimila el carbono-14. Mientras permanece vivo ingiere el carbono 14 y simultáneamente éste se convierte en nitrógeno, pero tras morir se produce la desintegración del carbono, lo que hace que su concentración disminuya con el tiempo que lleve muerto.
(01-R) a) ¿Cuál es la interacción responsable de la estabilidad del núcleo? Compárela con la interacción electromagnética.
a) La interacción nuclear fuerte es la responsable de la unión entre protones en el núcleo atómico. Esta interacción evita que el núcleo atómico se desintegre por la repulsión electrostática entre los protones, ya que como se sabe, cargas eléctricas con el mismo signo se repelen. Así, debido a esta interacción, se logran mantener juntos hasta más de cien protones en regiones muy pequeñas. Esta interacción es la más poderosa, su alcance es muy pequeño, del orden de una billonésima de milímetro.
La interacción electromagnética es menos poderosa que la interacción fuerte y tiene su origen en la carga eléctrica. Debido a que los átomos están formados por cargas eléctricas y a que la
(06-R) b) El se desintegra, emitiendo 6 partículas y 4 partículas , dando lugar a un isótopo estable del plomo. Determine el número másico y el número atómico de dicho isótopo.
(08-R) b) Razone qué desviación sufren los distintos tipos de radiación al ser sometidos a un campo magnético.
b) Tanto la radiación alfa como la beta , al tener carga eléctrica, si su velocidad es perpendicular al campo magnético describirán trayectorias circulares. La radiación gamma no sufrirá ninguna desviación al no tener carga ni masa ya que se tratan de ondas electromagnéticas.
(08-R) a) Explique qué se entiende por defecto de masa y por energía de enlace de un núcleo y cómo están relacionados ambos conceptos. b) Relacione la energía de enlace por nucleón con la estabilidad nuclear y, ayudándose de una gráfica, explique cómo varía la estabilidad nuclear con el número másico.
(08-E) a) Explique en qué consisten las reacciones de fusión y fisión nucleares. ¿En qué se diferencian? b) Comente el origen de la energía que producen.
a) El primer proceso, unir núcleos ligeros para dar lugar a núcleos de mayor masa, se llama fusión nuclear. Para conseguirlo, es necesario acercar mucho los núcleos ligeros, venciendo la
(09-R) a) Defina energía de enlace por nucleón. b) Analice energéticamente las reacciones nucleares de fusión y fisión.
a)
b) En ambos casos se produce una liberación de energía correspondiente a la diferencia de las energías de enlace por nucleón multiplicada por el número de núcleos que se fisionan/ fusionan.
(10-E) a) Estabilidad nuclear. b) Considere los núclidos y. Si el tiene mayor energía de enlace, razone cuál de ellos es más estable.
a) La estabilidad nuclear es la propiedad que tienen los núcleos de mantener constantes sus números másico y atómico. Los núcleos poco estables tienden a fisionarse o a perder nucleones con mucha facilidad. La energía de enlace por nucleón es un buen referente para saber si un núcleo es estable. Como se puede apreciar en la gráfica de la figura 8.3, los núcleos más estables (del orden de 9MeV/nucleón) corresponden a los números másicos en torno a 60 (Fe, Co, Ni, Cu,...)
b) El núcleo más estable será el que tenga mayor energía por nucleón. Al tener los núclidos la misma masa atómica, el más estable será el torio por tener mayor energía de enlace.
(10-R) a) Explique qué es la radiactividad y describa en qué consisten los procesos alfa, beta y gamma.b) Razone cuál es el número total de emisiones alfa y beta que permiten completar la siguiente transmutación:
b) Para el número másico: 235-4na=207. na=7. Para el número atómico: 95-2na+nb=82. n (^) b =4. Es necesario que ocurran 7 desintegraciones alfa y 4 betas.
(11-R) b) Razone el número de desintegraciones alfa y beta necesarias para que el se transforme en
b) Para el número másico: 226-4na=206. n (^) a=5. Para el número atómico: 88-2na+n (^) b=82. Sustituyendo y despejando nb=4. Tienen que ocurrir 5 desintegraciones alfa y cuatro betas.
(11-R) a) Ley de desintegración radiactiva; magnitudes. b) Defina actividad de un isótopo radiactivo. Razone si puede asegurarse que dos muestras radiactivas de igual masa tienen igual actividad.
- Cuando un núcleo radiactivo excitado emite radiación gamma , se desexcita energéticamente, pero no sufre transmutación alguna.
