Fisica Nuclear

FÍSICA NUCLEAR

DESCUBRIMIENTO DEL NÚCLEO

La física nuclearha tenido muchos efectos en la humanidad desde el siglo anterior, han sido benéficos y otros algo perjudiciales como las bombas, pero está tiene aplicaciones muy importantes e interesantes que se trataran posteriormente.

Este documento tiene como objetivos analizar la estructura del núcleo y la subestructura de sus componentes, todo regido por las leyes de la mecánica cuántica.

El descubrimiento del núcleo fue un factor importante e iniciador para el estudio detallado, importante para saber de qué estaba conformada la materia. A inicios del siglo XX se desconocían muchas cosas acerca del átomo, solo se sabía claramente que contenía electrones, partículas descubiertas por Thompson, no se conocía su masa, pero no se explicaban como era una partícula neutra, era lógico que había cargas positivas pero desconocidas hasta ese momento. Y es cuando se esbozó el modelo del budín de pasas, en el cual se representaba al átomo como una esfera formada por una masa fluida con carga positiva y los electrones incrustados en ella. Este modelo sirvió para explicar los fenómenos observados en los tubos de rayos catódicos y también la formación de iones por pérdida o ganancia de electrones. También desconocían en que proporciones estaban los electrones y la carga positiva respecto a la masa.

Entonces en 1909, Ernest Rutherford dirigió en su laboratorio de la universidad de Cambridge (Inglaterra) cierto experimento con la ayuda del físico alemán Hans Geiger (inventor del famoso “contador Geiger”, aparato para detectar materiales radioactivos) y el físico inglés recién graduado Ernest Marsden que consistió en: contra una lámina muy delgada de oro (pan de oro) cuyo espesor es de 0,0006 mm. se lanzó rayos alfa, formado por partículas veloces de gran masa y con carga positiva, que eran núcleos de helio.

Se observó entonces que la gran mayoría de los rayos alfa atravesaban la lámina sin ninguna desviación. Sólo una cantidad muy pequeña de rayos alfa se desviaban con ángulos de desviación o dispersión variables (θ).

El hecho de que algunos rayos alfa incluso rebotaran sorprendió mucho a Rutherford, porque él pensaba que los rayos alfa atravesarían la lámina fina sin mayores desviaciones, según el modelo atómico propuesto por su maestro J.J. Thomson. Al referirse a este hecho en la conferencia hecha por Rutherford ante la Real Academia de Londres en 1911, afirmaba: “… esto era lo más increíble que me había ocurrido en la vida. Tan increíble como si un proyectil de 15 pulgadas disparado contra una hoja de papel de seda, se volviera y golpeara a uno…”

Con este experimento Rutherford logró explicar brillantemente la dispersión de los rayos alfa en base a las siguientes conclusiones.

• El átomo tiene una parte central llamado núcleo, diminuto de carga positiva, compacto o macizo y muy denso, debido a que casi la totalidad de la masa atómica se concentra en él.

• El campo eléctrico generado por el núcleo es muy intenso y causa la desviación de rayos alfa mediante repulsión eléctrica.

• El átomo es casi vacío, ya que los electrones, partículas de masa insignificante, ocupan espacios grandes cuando giran en torno al núcleo.

ALGUNAS PROPIEDADES DEL NUCLEO

Rutherford encontró que el núcleo tiene un radio que es decenas de veces menor que el del átomo mismo. Desde los experimentos iniciales de Rutherford se han hecho muchos más de dispersión, usando protones, electrones y neutrones de alta energía, así como partículas alfa (núcleos de helio 4 uma). Estos experimentos demuestran que el núcleo se puede moldear como una esfera de radio R que depende de la cantidad total de nucleones (neutrones y protones) que hay en el núcleo. A esta cantidad se le llama número nucleónico, A. Los radios de la mayoría de los núcleos se representan bastante bien con la ecuación:

(Radio de un núcleo)

Donde es una constante determinada en forma experimental.

El número nucleónico también se conoce como el número de masa, porque es el entero más cercano a la masa del núcleo, medido en unidades de masa atómica unificada (u). (La masa del protón y la del neutrón son ambas aproximadamente iguales a 1 u). El mejor factor de conversión hasta la fecha es:

Cuando nos referimos a las masas de los núcleos y partículas, nos referimos a sus masas en reposo. Las masas de los núcleos se explicaran en enlace nuclear y estructura nuclear.

Densidad nuclear

El volumen de una esfera es por lo que la ecuación de Radio de un núcleo indica que el volumen de un núcleo es proporcional a A. Al dividir A ( la masa aproximada de u) entre el volumen se obtienen la densidad aproximada y A se cancela.

Por consiguiente todos los núcleos tienen aproximadamente la misma densidad. Este hecho tiene importancia básica para comprender la estructura nuclear.

Núclidos e isótopos

Los bloques constructivos básicos del núcleo son el protón y el neutrón. En un átomo neutro, el núcleo está rodeado por un electrón por cada protón que tenga. Las masas de estas partículas son

Protón

Neutrón

Electrón

La cantidad de protones en un núcleo es el número atómico Z.

La cantidad de neutrones es el número neutrónico o número de neutrones, N.

EL número nucleónico o número de masa A es la suma de la cantidad de protones Z y la cantidad de neutrones N:

A una sola especie nuclear que tenga valores específicos tanto de Z como de N se le llama núclido o nucleido.

En la siguiente tabla se presenta una lista de valores de A, Z y N para algunos núclidos; donde también se muestran algunos núclidos con la misma Z pero distinta N. A estos núclidos se les llama isótopos de ese elemento; tienen masas distintas porque tienen distintas cantidades de neutrones en sus núcleos.

Los diversos isótopos de un elemento suelen tener propiedades físicas un poco diferentes, como sus puntos de ebullición, de fusión y sus velocidades de difusión.

Composición de algunos núclidos comunes

Núcleo No. Masa

(No. total nucleones A) No. Atómico

(No. total de protones Z) No. Neutrones

1 1 0

2 1 1

4 2 2

6 3 3

7 3 4

10 5 5

11 5 6

La tabla anterior muestra la notación usual para los núclidos individuales:

También observaremos las masas atómicas de algunos átomos neutros (con Z electrones) y no las masas de los núcleos desnudos, porque es mucho más difícil medir éstos con más precisión. Por ejemplo la masa de un átomo neutro de carbono 12 es exactamente 12 u; por consiguiente las masas de otros átomos so aproximadamente iguales a A unidades de masa atómica. De hecho, las masas atómicas son menores que la suma de sus partes ( los protones Z y los neutrones N).

Elemento e isótopo No. Atómico

Z No. Neutrones

N Masa atómica

(u) No. Masa

A

Hidrógeno

1 0 1.007825 1

Deuterio

1 1 2.014102 2

Litio

3 3 6.015122 6

Litio

3 4 7.016004 7

Boro

5 5 10.012937 10

Boro

5 6 11.009305 11

Espines y momentos magnéticos nucleares

Al igual que los electrones, los protones y los neutrones son partículas de espín ½ con una cantidad de movimiento angula espín definido por la misma ecuación que la del electrón

Además de la cantidad de movimiento angular espín de los nucleones, puede existir la cantidad de movimiento angular orbital asociada con sus movimientos dentro del núcleo.

El espín proporciona una medida del momento angular intrínseco de toda partícula. En contraste con la mecánica clásica, donde el momento angular se asocia a la rotación de un objeto extenso, el espín es un fenómeno exclusivamente cuántico, que no se puede relacionar de forma directa con una rotación en el espacio.

La cantidad de movimiento angular orbital de los nucleones se cuantiza de la misma manera que la de los electrones en los átomos. La cantidad de movimiento angular total del núcleo es la suma vectorial de las cantidades de movimientos angulares espín y orbital individuales de todos los nucleones. Su magnitud es

Cuando A es par, j es un entero; cuando es impar, j es semientero. Todos los núclidos para los cuales tanto Z como N son pares J=0, lo cual sugiere que un apareamiento de partículas con componentes de espín opuestos puede ser importante en la estructura nuclear.

El espín nuclear se refiere a una combinación de las cantidades de movimiento angulas orbitales y espín de os nucleones que forman el núcleo.

Asociado con la cantidad de movimiento angular nuclear está un momento magnético. Existe el magnetón de Bohr , como unidad natural de momento magnético. Con ello encontramos que la magnitud de la componente z del momento magnético del espín del electrón es casi exactamente igual a . Esto es .

Al describir momentos magnéticos nucleares, se puede definir una cantidad análoga al magnetón nuclear :

Donde es la masa del protón. Ya que la masa del protón es 1836 veces mayor que la masa del electrón, el magnetrón nuclear es 1836 veces menor que el magnetrón

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