Núcleo Atómico

Estructura

Electrón

Tamaño < 10°-18m

Partícula que se encuentra alrededor del núcleo del átomo y que tiene carga eléctrica negativa

Protón

Tamaño aproximado de 10°-15m

Es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva 1, igual en valor absoluto y de signo contrario a la del electrón, y una masa 1836 veces superior a la de un electrón

Neutrón

Tamaño aproximado de 10°-15m

Partícula elemental del núcleo del átomo que no tiene carga eléctrica.
"el neutrón tiene masa casi igual que la del protón y 2 000 veces mayor que la del electrón; aunque el número de protones para los átomos de un mismo elemento es invariable, puede cambiar el número de neutrones"

Quark

Tamaño < 10°-18m

Son fermiones elementales masivos que interactúan fuertemente formando la materia nuclear y ciertos tipos de partículas llamadas hadrones.

Junto con los leptones, son los constituyentes fundamentales de la materia bariónica.

Características

Tamaño aproximado de 10°-14m

Una de las características mas relevantes que presenta el núcleo atómico es la masa, pues es aquí donde se encuentra la mayor cantidad de masa del átomo

La mayor parte de los núcleos atómicos menores a un determinado peso atómico y que cuentan con una nivelación en el numero de neutrones y protones, son estables.

Los neutrones aislados (neutrón libre) y un núcleo con una cantidad excesiva de neutrones y protones, puede traer como consecuencia inestabilidad o radiactividad.

Los neutrones que se encuentran ubicados en el núcleo se transforman en protones, y viceversa, lo que aclara que los neutrones en el interior del núcleo son mas estables que los neutrones aislados.

Propiedades

Su número cuántico del espín I depende del número másico del núcleo

Si el numero másico es par el espín puede tomar valores de 1/2, 3/2, 5/2(…)

Cuando el espín es igual a 0 (I=0) el núcleo no tienen espín

Modelo del gas de Fermi

Propuesto por H. bethe en 1935

si se desprecian las fuerzas entre pares de
nucleones y se toma en cuenta una fuerza promedio sobre cada nucleón representada
por el hecho de que todos estos están contenidos en una esfera de volumen Ω y radio R
= r0 A1/3, entonces el núcleo puede tratarse como un gas cuántico.

Gas cuántico

La transferencia de energía y momento entre partículas, que son una
consecuencia normal de las fuertes fuerzas de interacción existentes entre partículas,
están prohibidas por el principio de exclusión de Pauli.

Entonces a bajas
temperaturas el sistema tiende a comportarse como un gas cuántico ideal

Modelo de la gota líquida

Propuesto por N, Bohr en 1935

El modelo que surge de considerar que el núcleo se comporta como una gota
líquida permite obtener una fórmula que resulta muy importante para entender la
sistemática de las masa nucleares

Si cada partícula del núcleo interactuara con todas las demás la energía de
interacción, y por lo tanto la de ligadura, debería ser aproximadamente proporcional al
números de pares interactuantes

Modelo de capas

Postulado por Dmitry Ivanenko en 1932

Desarrollado en 1940

Es una teoría creada para describir la estructura interna del núcleo y una dinámica para los nucleones. Es muy parecido al planteado para el caso de la corteza electrónica —el modelo de capas electrónico—

Adicionalmente, el número de electrones permitidos en cada capa venía impuesto por el principio de exclusión de Pauli para fermiones

En el caso nuclear, tendremos, fermiones (los nucleones) en un potencial nuclear. Estos nucleones tendrán un número cuántico adicional, el isospín, cuya proyección nos dirá si el nucleón se trata de un protón o un neutrón.

Modelo vibracional y rotacional nuclear

El modelo parte de la forma explícita del hamiltoniano vibracional, que surge como una de las primeras aproximaciones de modelos colectivos de núcleos. Para parametrizar la superficie nuclear se emplean por conveniencia las coordenadas colectivas.

Puede predecir frecuencias de niveles energéticos

Su método es recurrir a unas coordenadas colectivas que describan el movimiento de la “superficie” del núcleo.

Usos

Obtención de energía eléctrica

Procesos médicos de diagnostico y tratamiento de enfermedades

Aplicaciones industriales

Aplicaciones arqueológicas

Campo de agricultura

Aplicaciones

Electricidad

Más del 20% de la electricidad consumida en España, es generada por reactores nucleares anualmente

Medicina

Las técnicas de diagnostico y tratamiento de la medicina nuclear son fiables y precisos

Por ejemplo:

Radiofármacos

Radioterapia

Gammagafría

Hidrología

Los isotopos se usan para seguir los movimientos del ciclo del agua e investigar las fuentes subterráneas y su posible contaminación

Agricultura y alimentación

Controla las plagas de insecto y mejora las variedades de cultivo como la conservación

Minería

A través de ondas nucleares se puede determinar la composición de capas de la corteza terrestre

Industria

Los isotopos y radiaciones se usan para la mejora y desarrollo de los procesos industriales

Por ejemplo:

Control de calidad

Automatización

Arte

Las técnicas nucleares permiten comprobar la autenticidad y antigüedad de las obras, llevando a cabo su restauración

Medio ambiente

Detección y análisis de contaminantes gracias a técnicas como el análisis por activación neutrónica

Exploración espacial

Las pilas nucleares se usan para los satélites y sondas espaciales

Cosmología

El estudio de la radiactividad de los meteoritos, permite comprobar la antigüedad del universo

Fusión

La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado, generalmente liberando partículas en el proceso.

Estas reacciones pueden absorber o liberar energía, según si la masa de los núcleos es mayor o menor que la del hierro, respectivamente.

Ejemplo

Son las que tienen lugar en el sol, en las que se produce la fusión de núcleos de hidrógeno para formar helio, liberando en el proceso una gran cantidad de energía en forma de radiación electromagnética, que alcanza la superficie terrestre y que percibimos como luz y calor.

Para que halla una reacción de fusión es necesario

Para lograr la energía necesaria se pueden utilizar aceleradores de partículas o recurrir al calentamiento a temperaturas muy elevadas.

Es necesario garantizar el confinamiento y control del plasma a altas temperaturas en la cavidad de un reactor de fusión el tiempo necesario para que se produzca la reacción.

Lograr una densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan dar lugar a las reacciones de fusión.

Fisión

La fisión nuclear es una reacción en la cual un núcleo pesado, al ser bombardeado con neutrones, se convierte en inestable y se descompone en dos núcleos, cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, con gran desprendimiento de energía y la emisión de dos o tres neutrones.

Estos neutrones, a su vez, pueden ocasionar más fisiones al interaccionar con nuevos núcleos fisionables que emitirán nuevos neutrones y así sucesivamente.

Este efecto multiplicador se conoce con el nombre de reacción en cadena.

Dato curioso

En una pequeña fracción de segundo, el número de núcleos que se han fisionado libera una energía un millón de veces mayor que la obtenida al quemar un bloque de carbón o explotar un bloque de dinamita de la misma masa.

Ejemplo

la ruptura del núcleo de uranio 235 por bombardeo con neutrones lentos, para producir núcleos de bario 139 y kriptón 86, además de neutrones y una energía de salida de 175 MeV.

¿Cómo detectarla?

Emulsiones fotográficas

El empleo de placas fotográficas para registrar las radiaciones ionizantes durante la época en la que se descubrieron los rayos X y la radiactividad.

Usados para radiografía y autorradiografía

las emulsiones
nucleares, que permitían observar las distintas trazas
nucleares por separado. Estas emulsiones se utilizaron
profusamente en la investigación sobre los rayos cósmicos.

Ionización

Las cargas
originadas por la radiación han de desplazarse bajo la
influencia de un campo eléctrico. Los gases cumplen
esta condición sin dificultad, por lo que los detectores de
ionización de la primera generación contenían gas.

En 1910, valiéndose de una
cámara de ionización durante un viaje en globo, Hess
aportó la primera prueba de la existencia de los rayos
cósmicos.

Desarrollo del contador de Geiger

A partir de los primeros detectores de ionización, se fueron creando y perfeccionando, logrando descubrir propiedades de ciertos materiales que fueron usados en vez de un gas.

Centelleo

Fue una de las primeras técnicas de detección y recuento
de las radiaciones ionizantes fue la basada en el centelleo
que éstas originan el el sulfuro de cinc.

Para ser un buen centelleador un material debe

Transformar la mayor fracción posible de la energía de la
radiación incidente en fluorescencia instantánea

El
rendimiento luminoso debe ser proporcional a la energía
depositada

La luminiscencia ha de tener corta duración

El material tiene que ser homogéneo y de buena
calidad óptica

Este fue prácticamente el primer medio
sólido de detección empleado en espectrometría de rayos
gamma y es aún hoy, para esta aplicación, el detector de
centelleo más corrientemente usado.

Emisión de luz

Técnica antigua que se basaba en el poder reconocer donde había radiactividad, utilizando el uranio en sus principios, pues experimentalmente Becquerel dejo en un cajón, un vidrio con metal uranio

Evidenciando unas marcas iguales a cuando al inicio de sus estudios, al haber puesto un papel oscuro a la luz del sol, generó unas marcas al haberse contactado con uranio

Daños que produce

Ser humano

El incremento del riesgo de sufrir todo tipo de cánceres y el debilitamiento del sistema inmunológico son las principales consecuencias para los humanos que entren en contacto con material radiactivo

La afección del yodo es inmediata, provoca mutaciones en los genes y aumenta el riesgo de cáncer, especialmente de tiroides.

El cesio se deposita en los músculos, mientras que el estroncio se acumula en los huesos, durante un periodo mínimo de 30 años.

Las radiaciones afectan también al sistema reproductivo. Sobre todo a las mujeres. Es que los espermatozoides se regeneran totalmente cada 90 días, pero los óvulos permanecen en los ovarios toda la vida

si un óvulo es alterado por la radiación y fecundado posteriormente, se producirán malformaciones en el feto, incluso años después.

las alteraciones gastrointestinales, afecciones de la médula ósea

Ambiente

La contaminación nuclear se deposita en el suelo y en el mar y se incorpora a la cadena alimentaria de los seres vivos mediante un proceso de bioacumulación.

Va pasando de unos a otros, entre plantas, animales y seres humanos.

El medio ambiente también sufre las consecuencias potenciales de las radiaciones desencadenadas por la fusión del núcleo, que puede afectar a un área de decenas de kilómetros a la redonda.

¿Cómo es?

Instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones de fisión en cadena que tiene lugar en el núcleo del reactor, compuesto por el combustible, el refrigerante, los elementos de control, los materiales estructurales y el moderador en el caso de los reactores nucleares térmicos.

¿Cómo funciona?

En los reactores nucleares, el combustible nuclear es transformado a través de la fisión en energía nuclear de una manera controlada: el interior del reactor aumenta de temperatura.

En las centrales nucleares, la energía se produce mediante la fisión en un reactor. El calor que se libera en la reacción nuclear transforma el agua líquida en vapor que mueve las turbinas que, a su vez, accionan los generadores eléctricos, , por último, dan electricidad a las grandes poblaciones.

Los reactores nucleares son, por tanto, una de las partes fundamentales dentro de una central nuclear, junto con el generador de vapor, la turbina y el condensador.

Clases de bombas

Atómicas

Dispositivo que obtiene una gran cantidad de energía explosiva por medio de reacciones nucleares

Su funcionamiento se basa en provocar una reacción nuclear en cadena sostenida.

Su procedimiento se basa en la fisión nuclear de núcleos atómicos pesados en elementos más ligeros, mediante el bombardeo de neutrones que, al impactar en dicho material, provocan una reacción nuclear en cadena.

De hidrógeno

Las bombas de hidrógeno tienen un poder mayor que las armas tradicionales, lo que significa que los dispositivos pueden ser más pequeños y al mismo tiempo producir más devastación.

En una bomba (termonuclear) de hidrógeno los isótopos “pesados” del hidrógeno se ven obligados a liberar un golpe más grande, cientos o miles de veces más potente que las armas nucleares que han sido utilizadas en la guerra.

Las bombas atómicas utilizan un proceso llamado fisión. Dividen el plutonio y/o el uranio en átomos más pequeños en una reacción en cadena que libera grandes cantidades de energía.

Componentes que forman el núcleo del reactor

Combustible

Es un material fisionalbe en cantidades tales que se alcance la masa crítica, y colocado de tal forma que sea posible extraer rápidametne el calor que se produce en su interior debido a la reacción nuclear en cadena.

La masa crítica suficiente material fisible, en una óptima disposición del combustible y del resto de los materiales de núcleo, para mantener la reacción en cadena.

un elemento de combustible está constituido por una disposición cuadrangular de las varillas del combustible, aunque debe mencionarse la disposición hexagonal del reactor ruso de agua a presión VVER.

Barras de control

Proporcionan un medio rápido para el control de la reacción nuclear, permitiendo efectuar cambios rápidos de potencia del reactor y su parada eventual en caso de emergencia

Suelen tener las mismas dimensiones que los elementos de combustible

Están fabricadas con materiales absorbentes de neutrones (carburo de boro o aleaciones de plata, indio y cadmio, entre otros).

Moderador

Disminuye la velocidad de los neutrones producidos en la fisión, los cuales tienen una elevada energía expresada en velocidad, de modo que aumente la probabilidad de que fisionen otros átomos y no se detenga la reacción en cadena

Entre los moderadores más utilizados están el agua ligera, el agua pesada y el grafito

Refrigerante

Absorbe y transporta parte de la energía producida en la fisión

El refrigerante debe ser anticorrosivo, tener una gran capacidad calorífica y no debe absorber neutrones.

Los refrigerantes más usuales son gases, como el anhídrido carbónico y el helio, y líquidos como el agua ligera y el agua pesada

Reflector

Es una reacción nuclear en cadena, un cierto número de neutrones tiende a escapar de la región donde ésta se produce. Esta fuga neutrónica puede minimizarse con la existencia de un medio reflector, aumentando así la eficiencia del reactor.

El medio reflector que rodea al núcleo debe tener una baja sección eficaz de captura para no reducir el número de neutrones y que se reflejen el mayor número posible de ellos.

Si tenemos un reactor térmico, el reflector puede ser el moderador, pero si tenemos un reactor rápido el material del reflector debe tener una masa atómica grande para que los neutrones se reflejen en el núcleo con su velocidad original

Blindaje

Cuando el reactor esté en operación, se genera gran cantidad de radiación. El blindaje da protección para aislar a los trabajadores de la instalación de las radiaciones ocasionadas por los productos de fisión, interceptando estas emisiones

Los materiales más usados para construir este blindaje son el hormigón, el agua y el plomo