¿Cuáles son las interacciones fundamentales?

Todas las fuerzas de la naturaleza se reducen a cuatro interacciones fundamentales:

• nuclear fuerte
• electromagnética
• nuclear débil
• gravitatoria

• La interacción nuclear fuerte es la más intensa, pero de muy corto alcance, 10-15 m, aproximadamente. Esta fuerza mantiene unidas las partículas que componen el núcleo del átomo. Los protones, debido a su carga, se repelerían si no estuvieran ligados por una fuerza intensa
• Sigue en intensidad la fuerza electromagnética, aproximadamente cien veces menor que la interacción fuerte. Actúa sobre partículas cargadas y puede ser atractiva o repulsiva según sea el signo de las cargas. Es la responsable de que los átomos, moléculas y materia en general permanezcan unidos.
• La fuerza nuclear débil tiene un radio de acción muy corto, unos 10-17 m. Su intensidad es 10-12 veces la de la interacción fuerte. Aparece en la desintegración beta de los núcleos radiactivos y actúa sobre los electrones o partículas con carga negativa (muones y partícula tau) y los neutrinos.
• La interacción gravitatoria es la más conocida y la más débil de todas. Su intensidad es aproximadamente 10-40 veces la de la fuerza nuclear fuerte. Es universal y de atracción entre todas las masas. Teóricamente su alcance es ilimitado. Es la responsable de la estructura general del Universo.

                               

Fisión y fusión nuclear

Fisión nuclear

Es un proceso de desintegración radiactiva de un núcleo inestable para producir núcleos menos pesados y más estables con la liberación de una enorme cantidad de energía.

Se logra mediante el bombardeo con partículas, generalmente neutrones, aceleradas con aparatos especiales tales como el ciclotrón, betatrón y sincrotón, que les proporcionan la energía cinética mínima necesaria como para que, al sufrir colisión con el núcleo, ocurra la ruptura, originando fragmentos atómicos y neutrones capaces de repetir el mismo proceso con otros átomos, produciendo de esta manera una reacción en cadena.

La liberación de energía provocada por el proceso de fisión nuclear constituye la base de las bombas atómicas y de los reactores nucleares.

Fusión nuclear

Es una reacción termonuclear en la que dos núcleos livianos (núcleos de átomos de elementos de masa pequeña) se combinan, a temperaturas extremadamente elevadas, para dar origen a nuevos elementos con masas mayores y liberación de enormes cantidades de energía.

La fusión controlada de isótopos de hidrógeno parece ser una fuente de energía muy prometedora, por las siguientes ventajas:

•  El combustible utilizado, deuterio, es abundante, ya que está contenido en todas las aguas de la naturaleza.

•  El proceso es muy limpio, ya que no elimina desechos radiactivos, por lo que no constituye una amenaza para el ambiente.

La bomba termonuclear no tiene límites de masa crítica y poder destructivo, la inmensa cantidad de energía que se desprende se mide, no en kilotones, como la bomba de la fisión nuclear, sino en cientos de megatones.

 En la fisión y fusión nuclear sólo se altera la composición del núcleo; no así, la distribución de los electrones. La enorme cantidad de energía desprendida en el transcurso de estos procesos proviene de la masa de las partículas que intervienen en la reacción; es decir, una parte de la materia fisionable o fusionable se transforma en energía.

Reacciones nucleares

La reacción nuclear se produce cuando los núcleos, venciendo la repulsión culombiana, se sitúan muy cerca uno de otro, dentro del alcance de la fuerza nuclear. Si se produce un reagrupamiento de nucleones decimos que ha tenido lugar una reacción nuclear.n Cuando se bombardean núcleos estables con partículas provistas de la energía adecuada pueden producirse núcleos estables, aunque lo normal es que se originen núcleos inestables, a los que se les dice que poseen radiactividad artificial.n En general, se tiende a que los núcleos utilizados como proyectiles sean ligeros, preferiblemente neutrones que no tienen carga, para poder comunicarles mayor velocidad y evitar la fuerza de repulsión culombiana.

Los primeros en observar una reacción nuclear fueron los esposos Joliot-Curie, quienes bombardearon una lámina de aluminio con partículas a, observaron que el aluminio se convierte en una especie radiactiva.

¿Cuáles son los tipos de emisiones?

Se comprobó que la radiación puede ser de tres clases diferentes, conocidas como partículas, desintegraciones y radiación:

•  1. Partícula alfa: Son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones (núcleos de helio). Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes, aunque muy ionizantes.

• 2. Desintegración beta: Son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas) resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando éste se encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos. Es más penetrante, aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa

•  3. Radiación gamma: Se trata de ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlas. Éste es el tipo más peligroso de radiación.

• 4. Radiación neutrónica(*): No poseen carga eléctrica y pueden ser absorbidos por otros núcleos que se convierten así en inestables y, por lo tanto, radiactivos. Los neutrones son muy penetrantes y pueden causar efectos biológicos significativos.

¿Cuál es la energía en los decaimientos nucleares?

VIDA MEDIA:

La vida media es el promedio de vida de un núcleo antes de desintegrarse. Se representa con la letra griega (Tau). La desintegración nuclear es un proceso probabilístico (en concreto sigue la ley de Poisson) por lo que esto no significa que un determinado núcleo vaya a tardar exactamente ese tiempo en desintegrarse. La vida media no debe confundirse con el semiperiodo, vida mitad, semivida o periodo de semidesintegración: son conceptos relacionados, pero diferentes. En particular, este último es de aplicación solamente para sustancias radiactivas.

Se ha comprobado que los isótopos de los elementos radiactivos presentan distintos grados de inestabilidad en el tiempo debido a que cada isótopo experimenta una serie radiactiva particular. Para referirnos a la velocidad con que ocurren las desintegraciones nucleares utilizamos el concepto de vida media.

Ejemplo:

• Dos átomos de hidrógenos iguales en electrones  pero uno con un protón de más. Estos al chocar el que tiene Un protón de mas va a generar más energía y se demorara más tiempo en desintegrarse que el otro.

¿Cuáles son las características de la desintegración radiactiva?

Los núcleos inestables de los isótopos radiactivos tienden a buscar configuraciones más estables emitiendo radiaciones, proceso llamado desintegración o decaimiento radiactivo. Algunas características del decaimiento radiactivo son:

• No es continuo, sino que se realiza en sucesivas emisiones.

• Es aleatorio (no es posible predecir cuál núcleo se desintegrará en un determinado instante).

• Es posible determinar con gran precisión el número de átomos que decaerán en un intervalo de tiempo.

En el año 1903, los físicos Rutherford y Frederick Soddy (1877-1956) propusieron un modelo probabilístico y estadístico para el decaimiento radiactivo. Ellos concluyeron que la rapidez con que se desintegran los núcleos presentes en una muestra radiactiva es directamente proporcional al número de estos. Si N es el número de núcleos activos en una determinada muestra radiactiva, entonces la rapidez de desintegración se expresa de la siguiente manera:

donde la constante de proporcionalidad λ es llamada constante dedesintegración del radioisótopo. Otra forma de enunciar esta ley es con la siguiente relación:

en que N0 representa la cantidad inicial de radioisótopos.

Las leyes de desintegración radiactiva, descritas por Frederick Soddy y Kasimir Fajans, son:

• Cuando un átomo radiactivo emite una partícula alfa, la masa del átomo (A) resultante disminuye en 4 unidades y el número atómico (Z) en 2.

• Cuando un átomo radiactivo emite una partícula beta, el número atómico (Z) aumenta o disminuye en una unidad y la masa atómica (A) se mantiene constante.

• Cuando un núcleo excitado emite radiación gamma, no varía ni su masa ni su número atómico: sólo pierde una cantidad de energía hν (donde "h" es la constante de Planck y "ν" es la frecuencia de la radiación emitida).

Radiactividad

En 1896 Henri Becquerel descubrió que ciertas sales de uranio emiten radiaciones espontáneamente, al observar que velaban las placas fotográficas envueltas en papel negro. Hizo ensayos con el mineral en caliente, en frío, pulverizado, disuelto en ácidos y la intensidad de la misteriosa radiación era siempre la misma. Por tanto, esta nueva propiedad de la materia, que recibió el nombre de radiactividad, no dependía de la forma física o química en la que se encontraban los átomos del cuerpo radiactivo, sino que era una propiedad que radicaba en el interior mismo del átomo.

Radiactividad artificial o inducida:

La radiactividad artificial, también llamada radiactividad inducida, se produce cuando se bombardean ciertos núcleos estables con partículas apropiadas. Si la energía de estas partículas tiene un valor adecuado, penetran el núcleo bombardeado y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra después radiactivamente.

¿Cuál es la función de los neutrones?

Estabilizar el núcleo a partir de su masa, en base a sus subparticulas atómicas, además permite que este no se desintegre,ya que si este se desestabiliza emite energía como luz y calor. (Ej: radiación).

¿Qué partículas subatómicas existen?

Neutrón:

Para formar un neutrón se necesitan dos quarks down  y un up.

 Un neutrón no tiene ninguna red de carga eléctrica y tiene una masa   ligeramente mayor que la de un protón.

Protón:

El número de protones en cada átomo es su número atómico. El nombre de protón fue dado el núcleo de hidrógeno por Ernest Rutherford en 1920, debido a que en años anteriores había descubierto que el núcleo de hidrógeno (conocido por ser el más ligero de núcleo) puede ser extraído de los núcleos de nitrógeno por la colisión, y era por lo tanto un candidato ser una partícula fundamental y bloque de construcción de nitrógeno, y todos los otros núcleos atómicos más pesados.

Para formar un protón se necesitan dos quarks up y un down.

Electrón:(es una partícula elemental de tipo fermiónico, más precisamente un leptón)

El electrón lleva una carga negativa, que se considera la unidad básica de la carga eléctrica . La masa en reposo del electrón es 9,109 × 10 ^-31 kg, que es sólo ¹ / ₁₈₄₀ de la masa de un protón . Un electrón es por lo tanto considerado casi sin masa en comparación con un protón o un neutrón , y la masa del electrón no está incluido en el cálculo del número de masa de un átomo.

Las órbitas de los electrones:

Las órbitas de los electrones son dinámicas, elipsoides, no necesariamente alrededor del núcleo atómico

Quarks:

Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales. Los quarks son partículas parecidas a los gluones en peso y tamaño, esto se asimila en la fuerza de cohesión que estas partículas ejercen sobre ellas mismas. Son partículas de espín 1/2, por lo que son fermiones. Forman, junto a los leptones, la materia visible.

Hay seis tipos distintos de quarks que los físicos de partículas han denominado de la siguiente manera:

Up (arriba)

Charm (encanto)

Top (cima)

Down (abajo)

Strange (extraño)

Bottom (fondo)

Leptones:

Un leptón es una partícula con espín -1/2 (un fermión) que no experimenta interacción fuerte. Los leptones forman parte de una familia de partículas elementales conocida como la familia de los fermiones, al igual que los quarks.

Un leptón es un fermión fundamental sin carga hadrónica o de color. Existen seis leptones y sus correspondientes antipartículas: el electrón, el muon, el tau y tres neutrinos asociados a cada uno de ellos.

Bosón de Higgs:

(da forma a la masa atómica) es una partícula elemental en el Modelo Estándar de la física de partículas. El bosón de Higgs se supone ha de existir por razones teóricas, y pudo haber sido detectado por los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones . Si se confirma, esta detección contribuiría a respaldar la existencia de un hipotético campo de Higgs -la más simple.

Una posible firma de un bosón de Higgs de una simulación de colisión entre dos protones . Se desintegra casi de inmediato en dos chorros de hadrones y dos electrones , visibles como líneas.

¿Cuáles son las características del núcleo?

El núcleo atómico es la parte central de un átomo, tiene carga positiva, y concentra más del 99,9% de la masa total del átomo.

 Está formado por protones y neutrones (denominados nucleones) que se mantienen unidos por medio de la interacción nuclear fuerte, la cual permite que el núcleo sea estable, a pesar de que los protones se repelen entre sí (como los polos iguales de dos imanes). La cantidad de protones en el núcleo determina el elemento químico al que pertenece. Los núcleos atómicos no necesariamente tienen el mismo número de protones, y neutrones, ya que átomos de un mismo elemento pueden tener masas diferentes.

                                            

Como el núcleo no es una unidad compacta,sino que está formada por protones y neutrones, resulta lógico que su tamaño dependa del número de aquellos. Una manera de calcular su radio está dada por la relación: 

donde A es el número másico, es decir, la suma de protones y

neutrones del núcleo.

¿Qué distancias existen al interior del átomo?

Sabemos que la distancia entre el núcleo del átomo y la ubicación de un electrón es muy grande. Por ejemplo, si pensamos que el núcleo de un átomo es del porte de una naranja, es decir, unos ocho centímetros de diámetro, sería:

Si el radio fuera de 4 cms, la distancia entre el electrón y el núcleo sería de 4 por 10 elevasdo a 5 cm.

( 4 kms)

SOMOS ÁTOMOS

Saber cómo está constituida la materia ha sido una inquietud permanente del ser humano. Una montaña, una roca, una manzana: ¿Qué tienen en común?, ¿Qué propiedades tienen en su interior que las hace distintas?.
Desde tiempos muy remotos, filósofos y científicos han propuesto teorías acerca de la composición de la materia, pero no ha sido hasta la época contemporánea en que, gracias al desarrollo del método científico, se han podido establecer modelos coherentes con la evidencia empírica y conocer de mejor manera el mundo que nos rodea.
En este blog, nos centraremos en conocer y comprender las características del núcleo del átomo, para poder entender fenómenos como la fisión y fusión nuclear, también conoceremos el modelo de interacciones fundamentales, el cual nos dará una nueva mirada acerca del concepto de fuerza.