La física nuclear estudia la estructura y propiedades del núcleo atómico. Algunos núcleos son radiactivos y se descomponen espontáneamente emitiendo partículas a través de procesos como la fisión y la fusión nuclear. La radiactividad se utiliza en aplicaciones médicas, biológicas, químicas e industriales, y las reacciones nucleares producen energía en centrales nucleares.

1. FÍSICA
8. Física Nuclear.
1. Núcleo atómico; fuerzas nucleares.
2. Estabilidad nuclear; energía de enlace.
3. Radiactividad; leyes.
4. Reacciones nucleares; fisión y fusión.
5. Aplicaciones de la radiactividad y de las
reacciones nucleares.

2. 1. Núcleo atómico; fuerzas
nucleares.
Aparición del núcleo
Rutherford, en
1910, bombardeando una
lámina metálica con
partículas alfa, descubre
que el átomo es en su
mayor parte espacio
vacío. La mayor parte de
la masa está concentrada
en un núcleo, de tamaño
muy pequeño y carga
positiva.

3. Estructura Nuclear
Posteriormente al modelo de Rutherford fueron
descubiertas nuevas partículas que demostraban la
estructura del núcleo:
Partícula Descubrimiento Símbolo Masa (u) Carga (C)
1
1 p 1,0073 1,6·10 19
Protón Rutherford, 1919
1
0 n 1,0086
Neutrón Chadwick, 1932 0
Hoy día se sigue estudiando la
estructura nuclear, descubriéndose
constantemente nuevas partículas
subatómicas y nucleares (más de
doscientas en la actualidad).

4. Características del núcleo
Partículas Nucleones (protones y neutrones)
Tamaño 10-15 m
Densidad 1,5·1018 Kg/m3
Nº atómico(Z) Nº de protones. Identifica al elemento.
Nº másico(A) Protones + neutrones. Indica la masa aproximada.
Nucleidos o Núclidos A
Cada uno de los tipos de núcleo. Z X
Isótopos Z, A. Del mismo elemento con masa.
Isóbaros Z , =A. Distinto elemento con = masa.
Isótonos Igual número de neutrones.
Isómeros Z, A. Distinta distribución y por tanto energía.

5. Fuerzas nucleares; Interacción Nuclear Fuerte
Propuesta por Hideki Yukawa (1934), fuerza que hace
que los protones puedan permanecer unidos dentro de un
núcleo y que se opone a la fuerza de repulsión
electrostática.
Características
• Afecta a nucleones.
• Atractiva y de muy corto alcance (10-15 m), prácticamente
nula para distancias mayores.
• La más fuerte de las interacciones de la naturaleza.
• Independiente de la carga.
Las energías de enlace de los núcleos son muy grandes en
comparación con las energías electrónicas en un átomo. Esta misma
diferencia se manifiesta entre los procesos químicos (energía
eléctrica) y los procesos nucleares (energía nuclear).

6. 2. Estabilidad nuclear; energía de enlace.
Un núcleo es estable si su energía es menor que la
energía de las partículas por separado. Es decir, si al
formarse, ha desprendido energía. Para romper el núcleo
será necesaria dicha energía.
Equivalencia masa-energía: Albert Einstein
Una de las consecuencias de la
Teoría de la Relatividad es que la 2
masa de un cuerpo puede
transformarse íntegramente en
E mc
energía, y viceversa.
En una reacción nuclear no se conserva la masa, sino la
energía.

7. Defecto de masa: Energía de Enlace
Defecto de masa: diferencia entre la masa de un núcleo y la
suma de las masas de cada una de los nucleones que lo forman
(masa teórica).
m mreal mteórica
m mreal mi mreal Z·m p A Z ·mn
Energía de enlace: cantidad de energía desprendida en la
formación de un núcleo debido a la pérdida de masa del
proceso.
Coincide pues con la cantidad de energía
Ee m·c2 necesaria para descomponer un núcleo
en sus partículas.

8. Energía de enlace por nucleón
Energía de enlace promedio por nucleón. A Ee
mayor valor, mayor estabilidad del núcleo. En
A
Crece con A en los
núcleos ligeros,
hasta llegar al
Hierro (núcleos
más estables). En
los núcleos
pesados disminuye
con A.
Consecuencias:
1. La unión de dos núcleos ligeros (fusión), desprenderá energía.
2. La ruptura de un núcleo pesado (fisión) también desprenderá
energía.

9. Núcleos estables y radiactivos
Estables: no se
descomponen en otros
espontáneamente.
Inestables o radiactivos: se
descomponen liberando
partículas y transformándose
en otros nucleidos al cabo de
un tiempo.
• Núcleos estables ligeros: Z=N.
• Núcleos estables pesados. N=1,5Z.
• Núcleos inestables: fuera de esta
zona.

10. 3. Radiactividad; leyes.
Emisión de radiación por parte de algunas sustancias, que
se denominan radiactivas. Puede ser espontánea
(radiactividad natural), o producida por el ser humano
(radiactividad artificial).
Es un fenómeno nuclear, que emite partículas de su interior, por tanto
el número de partículas del núcleo cambia, es decir, la sustancia
inicial puede transformarse en otra totalmente diferente.
Historia
Bequerel (1896) observó que unas sales de uranio situadas sobre su
mesa ennegrecían las placas fotográficas que se encontraban dentro
de uno de los cajones.
Marie y Pierre Curie (1898) descubrieron nuevas sustancias con
este efecto: el polonio y el radio.

11. Radiactividad Natural
Tipos:
Radiación α
Radiación β
Radiación γ
Leyes de desplazamiento de Soddy-Fajans
1. Cuando un núcleo emite una partícula α, se transforma en un
núcleo del elemento situado dos lugares a la izquierda en la tabla
periódica. Es decir, Z disminuye en dos unidades.
2. Cuando un núcleo emite una partícula β, se transforma en un
núcleo del elemento situado un lugar a la derecha en la tabla
periódica. Es decir, Z aumenta una unidad.
3. Cuando un núcleo emite radiación γ, continúa siendo del mismo
elemento químico.

12. Naturaleza de las partículas radiactivas
Radiación Proceso
α Núcleo de 4
He 2 A
X A 4
Y 4
Helio 2 Z Z 2 2
β Electrón 0
e A
X A
Y 0 0
1 Z Z 1 1 0 e
γ Fotón 0
0
A
X * A
X 0
Z Z 0
Antineutrino: antipartícula del neutrino, introducido
0 teóricamente por Pauli (1930), para hacer cumplir
0 e
el principio de conservación de la energía y del
momento angular. Detectado experimentalmente en
1957. 1 1 0 0
0 n 1 p 1 e 0 e

13. Comparación entre las partículas radiactivas
Composición Desviación-Carga
A menor tamaño de partícula
mayor capacidad de penetración.

14. Ley de desintregración radiactiva
La cantidad de sustancia inicial va disminuyendo a
medida que emite radiación. La velocidad de esta
disminución depende de dos factores:
1. Naturaleza de la sustancia: marcada
dN
por la constante de desintegración ·N
(λ). dt
2. Número de núcleos en cada instante
(N). Actividad
Velocidad de desintegración (número de
dN
desintegraciones por segundo en cada instante).
dt
Unidades:
1 desint. 1 Ci
• Bequerel (Bq), unidad del 1Bq
SI. 1s 3,7·1010 Bq
• Curie (Ci).

15. Desarrollo
dN dN N dN t N
·N ·dt ·dt ln · t
dt N N0 N t0 N0
N · t · t
e N N0 ·e
N0
Periodo de semidesintegración (T1/2)
Tiempo que tarda la cantidad inicial de
núcleos en reducirse a la mitad.
N0 ln 2
N T1/ 2 T1/ 2
2
Vida Media (τ)
Promedio de tiempo que tarda en N0 1
N
desintegrarse un núcleo. e

16. Familias radiactivas
Conjunto de nucleidos intermedios que se producen tras las
sucesivas desintegraciones a partir de nucleidos pesados
inestables. En la naturaleza existen cuatro:
Familia A Inicial T1/2 (años) Final
Torio 4n 232
Th 1,4·1010 208
Pb
90 82
Neptunio 4n+1 237
Np 2,2·106 209
Bi
93 83
Uranio-Radio 4n+2 238
U 4,5·109 206
Pb
92 82
Uranio-Actinio 4n+3 235
U 7,2·108 207
Pb
92 82

17. 4. Reacciones nucleares; fisión y fusión.
Radiactividad artificial
Se pueden conseguir artificialmente
transformaciones en los núcleos
"bombardeándolos" con partículas. El
núcleo absorbe dicha partícula y emite
otras, transformándose así en otro
elemento diferente pudiendo llegar
incluso a romperse en varios núcleos
más pequeños.
Magnitudes constantes en una reacción nuclear:
• Energía (E).
• Cantidad de movimiento (p).
• Carga eléctrica (Q).
• Número total de nucleones (ΣA).
• Suma de números atómicos (ΣZ).

18. Representación de reacciones nucleares
A A' Z A'
Z X a Z'Y b A X a,b Z'Y
Energía de la reacción (Er)
Energía que se absorbe o se desprende en la reacción
nuclear. Debida a la transformación de parte de la masa
de las partículas en energía.
Er m·c2 mproductos mreactivos ·c2
• Si Er<0, reacción exotérmica, ocurrirá espontáneamente.
• Si Er>0, reacción endotérmica, no ocurrirá espontáneamente.

19. Fisión Nuclear
Rotura de un núcleo pesado (principalmente 235U o 239Pu)
en otros más pequeños, al ser bombardeados
(normalmente con neutrones). Generalmente va
acompañada de desprendimiento de varios neutrones y
energía.
Reacciones más comunes:
235 1 144 89
U
92 0 n 56 Ba 36 Kr 3 01n
235 1 137 97
U
92 0 n Te
52 40 Zr 2 01n
Er  200MeV / núcleo U
Cada reacción desprende mayor número de neutrones de
los que absorbe. Estos neutrones podrán chocar con
nuevos núcleos, produciéndose una reacción en cadena.

20. Central nuclear de fisión
El calor desprendido durante la fisión se transforma en energía
cinética del vapor de agua que mueve una turbina que produce
corriente eléctrica.
Se necesita una determinada masa crítica para que la reacción
en cadena tenga lugar.
Muy importante un
sistema de control
sobre la reacción y
un sistema de
refrigeración de
los reactores.

21. Fusión Nuclear
Unión de dos núcleos ligeros para formar uno solo. Va
acompañada de desprendimiento de energía y, en
ocasiones, de otras partículas.
Reacciones más comunes:
2 2 4
1 H 1 H 2 He
2 3 4 1
1 H 1 H 2 He 0 n
Er  18MeV / núcleo H
Para conseguir que choquen los núcleos de hidrógeno se
necesita que tengan una gran energía cinética. Esto hace
que el hidrógeno tenga que estar a gran temperatura en
estado de plasma (1010K).

22. Central nuclear de fusión
Todavía en fase experimental. El hidrógeno es calentado
hasta estado de plasma y es mantenido en movimiento
mediante un campo magnético.
Reactor Tokamak
Un láser u otro
procedimiento consigue
la energía necesaria
para que se produzca
la fusión. Hasta ahora
no se ha conseguido
que la reacción se
automantenga
energéticamente.

23. Ventajas de la fusión frente a la fisión
1. El combustible de la fusión (deuterio o tritio), presente en el
agua, es mucho más abundante, menos nocivo y más fácil
de conseguir que el utilizado en la fisión (uranio o plutonio
enriquecidos en sus isótopos radiactivos).
2. El residuo de la fusión nuclear (helio) es inerte, frente a los
peligrosos residuos radiactivos que surgen en la fisión.
3. Resulta más energética por unidad de masa de combustible.

24. 5. Aplicaciones.
Obtención de energía y utilización de isótopos radiactivos.
Isótopos radiactivos
Medicina
Localización y tratamiento de tumores cancerosos.
Estudio de circulación sanguínea.
Tratamiento de leucemia (32P).
Biología
Estudio de fotosíntesis (14C)
Estudio de la migración de las aves.
Estudio de acción de antibióticos en el organismo.
Química e Industria
Análisis químico y de reacciones.
Determinación de edad de rocas y fósiles (14C).
Control de espesores y desgaste de planchas metálicas, paredes,
etc.

25. Inconvenientes
Efectos de la radiactividad sobre los seres vivos y peligrosidad
de las centrales nucleares.
Efectos sobre los seres vivos
Ionizan la materia, provocan reacciones, destruyen moléculas, células
y microorganismos.
Alteraciones de funcionamiento, mutaciones, cáncer, destrucción
celular, esterilidad, etc.
Mutaciones hereditarias, alteración de la información genética,
malformaciones congénitas.
Centrales nucleares
Residuos radiactivos.
Riesgo de accidente y contaminación radiactiva.
Las centrales de fusión serían mucho menos peligrosas.