Física nuclear
El núcleo representa un millónésimo del átomo pero contiene casi toda su masa, y los núcleos inestables emiten energía como radiación, fragmentos de fisión o la fusión que ilumina las estrellas. El séptimo tema de OxfordAQA cubre el modelo nuclear, las tres radiaciones, vida media, contaminación frente a irradiación, reactores y (P) fusión.
Física OxfordAQA International GCSE 9203, tema 3.7 (Versión 5.1). Las afirmaciones marcadas (P) son exclusivas del Papel-2-.
Estructura atómica
Un átomo mide aproximadamente 10⁻¹⁰ m de diámetro: un pequeño núcleo positivo (protones y neutrones, casi toda la masa) con electrones alrededor; esto fue la evidencia de Rutherford mediante la dispersión alfa del núcleo concentrado. Masa del protón 1 carga +1; masa del neutrón 1 carga 0; carga del electrón −1, masa despreciable. Un átomo neutro tiene igual número de protones y electrones; los átomos pierden o ganan electrones para convertirse en iones.
${}^{A}_{Z}X$: A = número másico (protones + neutrones), Z = número atómico; los isótopos comparten Z y difieren en el número de neutrones.
Radiación ionizante procedente del núcleo
Los núcleos inestables se desintegran aleatoriamente, sin verse afectados por procesos químicos o físicos, emitiendo:
| Radiación | Naturaleza | Ionizante | Alcance en aire |
|---|---|---|---|
| alfa | 2p + 2n (núcleo de helio) | más intensa | pocos cm |
| beta-menos | electrón rápido (neutrón → protón) | media | decenas de cm |
| gamma | onda electromagnética | más débil | metros |
Las ecuaciones nucleares conservan el número másico y la carga: ${}^{238}_{92}U \rightarrow\, {}^{234}_{90}Th +\, {}^{4}_{2}He$ (alfa); ${}^{14}_{6}C \rightarrow\, {}^{14}_{7}N +\, {}^{0}_{-1}e$ (beta). La radiación de fondo proviene de rocas, espacio, alimentos y dispositivos médicos. (P) La vida media es el tiempo necesario para que la mitad de los núcleos (o la mitad de la tasa de conteo) se desintegren; la mayoría de los núcleos inestables tienen vidas medias cortas, mientras que los menos inestables pueden durar milenios. La contaminación (átomos radiactivos sobre ti) es un peligro persistente; la irradiación expone sin hacerte radiactivo. Peligros: mutaciones, daño celular y tisular.
Fisión nuclear y (P) fusión
La fisión divide un núcleo grande e inestable: el U-235 o el Pu-239 absorbe un neutrón, se divide en dos núcleos más pequeños con 2–3 neutrones y libera mucha más energía que cualquier reacción química. Los neutrones que golpean otros núcleos provocan una reacción en cadena; en un reactor, las barras de control absorben neutrones para mantener una fisión por cada neutrón.
Los residuos radiactivos permanecen peligrosos durante tiempos determinados por su vida media, lo que implica costos de gestión y disposición en la energía nuclear. (P) La fusión une dos núcleos ligeros en uno más pesado, convirtiendo masa en energía; esto alimenta a las estrellas, pero como los núcleos positivos se repelen, requiere temperatura y presión extremas.
Compruébalo tú mismo
- Indica las masas relativas y cargas del protón, neutrón y electrón.
- En ${}^{19}_{9}F$, ¿cuántos protones y neutrones hay?
- ¿Qué reveló la dispersión alfa sobre el átomo?
- Nombra las tres radiaciones y sus naturaleza.
- ¿Qué radiación es detenida por el papel y qué radiación penetra el aluminio?
- Balancea la desintegración alfa de ${}^{226}_{88}Ra$.
- (P) Define la vida media.
- (P) Explica la diferencia entre contaminación e irradiación.
- ¿Qué hacen las barras de control en un reactor?
- (P) ¿Por qué la fusión necesita temperaturas extremas?
Respuestas: 1 protón 1, +1; neutrón 1, 0; electrón ~0, −1; 2 9 protones, 10 neutrones; 3 la masa y la carga están en un núcleo pequeño —la mayoría de las alfas pasan, unas pocas rebotan; 4 alfa = núcleo de He; beta = electrón rápido; gamma = onda EM; 5 alfa; gamma (plomo grueso); 6 ${}^{226}_{88}Ra \rightarrow\, {}^{222}_{86}Rn +\, {}^{4}_{2}He$; 7 (P) el tiempo para que los núcleos (o la tasa de conteo) se reduzcan a la mitad; 8 (P) contaminación —material radiactivo sobre ti hasta su eliminación; irradiación —exposición que termina cuando la fuente se va; 9 absorber neutrones, manteniendo la reacción en una fisión por neutrón; 10 (P) los núcleos positivos se repelen, por lo que deben colisionar muy rápido.