FISICA ATOMICA Y NUCLEAR.
Física
nuclear, estudio de los núcleos atómicos, especialmente los
núcleos radiactivos, y sus reacciones con los neutrones y otros núcleos.
LEY DE COULUMB
Balanza de torsión de Coulomb
La fuerza ejercida por q1 sobre q2 tuerce
la varilla y la fibra de la que cuelga. Girando el cabezal de suspensión en
sentido contrario se mantienen las esferas a la distancia original. La fuerza
se mide por el ángulo que hay que girar el cabezal. Coulomb halló que la fuerza
ejercida por una carga sobre otra es directamente proporcional al producto de
ambas cargas (q1q2). También observó que la
fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r entre
las esferas cargadas. Esta relación se conoce como ley de Coulomb.
Y se estableció la siguiente ecuación:
F = q1 q2/d2 =>
F = k*q1q2/d2
FISICA DEL ATOMO
La física del átomo es la que
estudia la estructura y las propiedades del átomo. La teoría atómica de Dalton y la ley de Avogadro
tuvieron una influencia crucial en el desarrollo de la química, además de su
importancia para la física.
La ley
de Avogadro, fácil de demostrar a partir de la teoría cinética, afirma que
a una presión y temperatura dadas un volumen determinado de un gas siempre contiene
el mismo número de moléculas, independientemente del gas de que se trate. Sin
embargo, los físicos no lograron determinar con exactitud esa cifra (y por
tanto averiguar la masa y tamaño de las moléculas) hasta principios del siglo
XX. Después del descubrimiento del electrón, el físico estadounidense Robert
Andrews Millikan determinó su carga. Esto permitió finalmente calcular con
precisión el número de Avogadro, es decir, el número de partículas (átomos,
moléculas, iones o cualquier otra partícula) que hay en un mol de materia (véase
Molécula).
Además de la masa del
átomo interesa conocer su tamaño. A finales del siglo XIX se realizaron
diversos intentos para determinar el tamaño del átomo, que sólo tuvieron un
éxito parcial. En uno de estos intentos se aplicaron los resultados de la
teoría cinética a los gases no ideales, es decir, gases cuyas moléculas no se
comportan como puntos sino como esferas de volumen finito. Posteriores
experimentos que estudiaban la forma en que los átomos dispersaban rayos X,
partículas alfa y otras partículas atómicas y subatómicas permitieron medir con
más precisión el tamaño de los átomos, que resultaron tener un diámetro de
entre 10-8 y 10-9 cm. Sin embargo, una afirmación
precisa sobre el tamaño de un átomo exige una definición explícita de lo que se
entiende por tamaño, puesto que la mayoría de los átomos no son exactamente
esféricos y pueden existir en diversos estados, con diferentes distancias entre
el núcleo y los electrones.
CRISIS DE LA
FISICA CLASICA.
Hacia 1880 la física presentaba
un panorama de calma: la mayoría de los fenómenos podían explicarse mediante la
mecánica de Newton, la teoría electromagnética de Maxwell, la termodinámica y
la mecánica estadística de Boltzmann. Parecía que sólo quedaban por resolver
unos pocos problemas, como la determinación de las propiedades del éter y la
explicación de los espectros de emisión y absorción de sólidos y gases. Sin
embargo, estos fenómenos contenían las semillas de una revolución cuyo
estallido se vio acelerado por una serie de asombrosos descubrimientos
realizados en la última década del siglo XIX: en 1895, Wilhelm Conrad Roentgen
descubrió los rayos X; ese mismo año, Joseph John Thomson descubrió el
electrón; en 1896, Antoine Henri Becquerel descubrió la radiactividad; entre
1887 y 1899, Heinrich Hertz, Wilhelm Hallwachs y Philipp Lenard descubrieron
diversos fenómenos relacionados con el efecto fotoeléctrico. Los datos
experimentales de la física, unidos a los inquietantes resultados del
experimento de Michelson-Morley y al descubrimiento de los rayos catódicos,
formados por chorros de electrones, desafiaban a todas las teorías disponibles.
MODELOS
ATOMICOS.
Evolución de modelo atómico.
A medida que los científicos fueron conociendo
la estructura del átomo a través de experimentos, modificaron su modelo atómico
para ajustarse a los datos experimentales. El físico británico Joseph John
Thomson observo que los átomos contienen cargas negativas positivas, mientras
que su compatriota Ernest Rutherford descubrió que la carga positiva del átomo
está concentrada en un núcleo. El físico danés Niels Bohr propuso la hipótesis
de que los electrones solo describen orbitas en torno al núcleo a determinadas
distancias, y su colega austriaco Erwin Schrödinger descubrió que, de hecho,
los electrones de un átomo se comportan más como ondas que como partículas.
ESTRUCTURA
DEL ATOMO
El tamaño del átomo es
diminuto tanto así que únicamente se la puede observar a través de microscopio.
El descubrimiento de la naturaleza de las emisiones radiactivas
permitió a los físicos profundizar en el átomo, que según se vio consistía
principalmente en espacio vacío. En el centro de ese espacio se encuentra el
núcleo, que sólo mide, aproximadamente, una diezmilésima parte del diámetro del
átomo. Rutherford dedujo que la masa del átomo está concentrada en su núcleo.
También postuló que los electrones, de los que ya se sabía que formaban parte
del átomo, se movían en órbitas alrededor del núcleo. El núcleo tiene una carga
eléctrica positiva; los electrones tienen carga negativa. La suma de las cargas
de los electrones es igual en magnitud a la carga del núcleo, por lo que el
estado eléctrico normal del átomo es neutro.
En conclusión la partes del
átomo son:
ü Electrones
que son los que giran en las orbitas y contienen carga eléctricamente negativa.
ü Protones
son los que forman parte del núcleo, posee la misma carga que el electrón pero
en este caso es positiva.
ü Neutrones
son los que poseen tanto carga positiva y carga negativa, en otros textos el
neutrón indica que no poseen ninguna carga.
EL NUCLEO DEL ATOMO
EL NUCLEO
ATOMICO
En 1919, Rutherford expuso
gas nitrógeno a una fuente radiactiva que emitía partículas alfa. Algunas de
estas partículas colisionaban con los núcleos de los átomos de nitrógeno. Como
resultado de estas colisiones, los átomos de nitrógeno se transformaban en
átomos de oxígeno. El núcleo de cada átomo transformado emitía una partícula
cargada positivamente. Se comprobó que esas partículas eran idénticas a los
núcleos de átomos de hidrógeno. Se las denominó protones. Las investigaciones
posteriores demostraron que los protones forman parte de los núcleos de todos
los elementos.
No se conocieron más datos
sobre la estructura del núcleo hasta 1932, cuando el físico británico James
Chadwick descubrió en el núcleo otra partícula, el neutrón, que tiene casi
exactamente la misma masa que el protón pero carece de carga eléctrica.
Entonces se vio que el núcleo está formado por protones y neutrones. En
cualquier átomo, el número de protones es igual al número de electrones y, por
tanto, a su número atómico. Los isótopos son átomos del mismo elemento (es
decir, con el mismo número de protones) que tienen diferente número de
neutrones. En el caso del cloro, uno de los isótopos se identifica con el
símbolo 35Cl, y su pariente más pesado con 37Cl. Los
superíndices identifican la masa atómica del isótopo, y son iguales al número
total de neutrones y protones en el núcleo del átomo. A veces se da el número
atómico como subíndice, como por ejemplo ·Cl.
Los núcleos menos estables
son los que contienen un número impar de neutrones y un número impar de
protones; todos menos cuatro de los isótopos correspondientes a núcleos de este
tipo son radiactivos. La presencia de un gran exceso de neutrones en relación
con los protones también reduce la estabilidad del núcleo; esto sucede con los
núcleos de todos los isótopos de los elementos situados por encima del bismuto
en la tabla periódica, y todos ellos son radiactivos. La mayor parte de los
núcleos estables conocidos contiene un número par de protones y un número par
de neutrones.
Isótopos del hidrógeno
El número atómico de un
átomo representa el número de protones de su núcleo. Este número es constante
para cada elemento. Sin embargo, el número de neutrones puede variar, lo que da
lugar a isótopos con el mismo comportamiento químico pero distinta masa. El
hidrógeno siempre tiene un protón en su núcleo, cuya carga está equilibrada por
un electrón. Los isótopos del hidrógeno son el protio (sin neutrones), el
deuterio (un neutrón) y el tritio (dos neutrones). Las imágenes que se muestran
son representaciones esquemáticas del átomo: en realidad el núcleo es 100.000
veces menor que el átomo, y el electrón es un millón de veces menor que el
núcleo. El tamaño del átomo está determinado por el movimiento del electrón en
regiones del espacio llamadas orbitales.
RADIACTIVIDAD
Radiactividad, desintegración espontánea
de núcleos atómicos mediante la emisión de partículas subatómicas llamadas
partículas alfa y partículas beta, y de radiaciones electromagnéticas
denominadas rayos X y rayos gamma. El fenómeno fue descubierto en 1896 por el
físico francés Antoine Henri Becquerel al observar que las sales de uranio
podían ennegrecer una placa fotográfica aunque estuvieran separadas de la misma
por una lámina de vidrio o un papel negro. También comprobó que los rayos que
producían el oscurecimiento podían descargar un electroscopio, lo que indicaba
que poseían carga eléctrica. En 1898, los químicos franceses Marie y Pierre
Curie dedujeron que la radiactividad es un fenómeno asociado a los átomos e
independiente de su estado físico o químico. También llegaron a la conclusión
de que la pechblenda, un mineral de uranio, tenía que contener otros elementos
radiactivos ya que presentaba una radiactividad más intensa que las sales de
uranio empleadas por Becquerel. El matrimonio Curie llevó a cabo una serie de
tratamientos químicos de la pechblenda que condujeron al descubrimiento de dos
nuevos elementos radiactivos, el polonio y el radio. Marie Curie también
descubrió que el torio es radiactivo. En 1899, el químico francés André Louis
Debierne descubrió otro elemento radiactivo, el actinio. Ese mismo año, los
físicos británicos Ernest Rutherford y Frederick Soddy descubrieron el gas
radiactivo radón, observado en asociación con el torio, el actinio y el radio.
Pronto se reconoció que
la radiactividad era una fuente de energía más potente que ninguna de las
conocidas. Los Curie midieron el calor asociado con la desintegración del radio
y establecieron que 1 gramo de radio desprende aproximadamente unos 420 julios
(100 calorías) de energía cada hora. Este efecto de calentamiento continúa hora
tras hora y año tras año, mientras que la combustión completa de un gramo de
carbón produce un total de 34.000 julios (unas 8.000 calorías) de energía. Tras
estos primeros descubrimientos, la radiactividad atrajo la atención de
científicos de todo el mundo. En las décadas siguientes se investigaron a fondo
muchos aspectos del fenómeno.
Rutherford descubrió que
las emisiones radiactivas contienen al menos dos componentes: partículas alfa,
que sólo penetran unas milésimas de centímetro en el aluminio, y partículas
beta, que son casi 100 veces más penetrantes. En experimentos posteriores se
sometieron las emisiones radiactivas a campos eléctricos y magnéticos, y estas
pruebas pusieron de manifiesto la presencia de un tercer componente, los rayos
gamma, que resultaron ser mucho más penetrantes que las partículas beta. En un
campo eléctrico, la trayectoria de las partículas beta se desvía mucho hacia el
polo positivo, mientras que la de las partículas alfa lo hace en menor medida
hacia el polo negativo; los rayos gamma no son desviados en absoluto. Esto
indica que las partículas beta tienen carga negativa, las partículas alfa
tienen carga positiva (se desvían menos porque son más pesadas que las
partículas beta) y los rayos gamma son eléctricamente neutros.
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Partículas alfa
Una partícula alfa está formada por dos protones y dos neutrones que
actúan como una única partícula. Son núcleos de átomos de helio. Cuando un
núcleo radiactivo inestable emite una partícula alfa, éste se convierte en
un núcleo de un elemento distinto.
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El descubrimiento de que la desintegración del radio produce radón demostró de forma fehaciente que la desintegración radiactiva está acompañada de un cambio en la naturaleza química del elemento que se desintegra. Los experimentos sobre la desviación de partículas alfa en un campo eléctrico demostraron que la relación entre la carga eléctrica y la masa de dichas partículas es aproximadamente la mitad que la del ion hidrógeno. Los físicos supusieron que las partículas podían ser iones helio con carga doble (átomos de helio a los que les faltaban dos electrones). El ion helio tiene una masa unas cuatro veces mayor que el de hidrógeno, lo que supondría que su relación carga-masa sería efectivamente la mitad que la del ion hidrógeno. Esta suposición fue demostrada por Rutherford cuando hizo que una sustancia que emitía partículas alfa se desintegrara cerca de un recipiente de vidrio de paredes finas en el que se había hecho el vacío. Las partículas alfa podían atravesar el vidrio y quedaban atrapadas en el recipiente; al cabo de unos días pudo demostrarse la presencia de helio elemental utilizando un espectroscopio. Más tarde se demostró que las partículas beta eran electrones, mientras que los rayos gamma eran radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza que los rayos X pero con una energía considerablemente mayor.
SERIES DE
DESINTEGRACION RADIACTIVA.
Cuando el uranio 238 se
desintegra mediante emisión alfa, se forma torio 234; éste es un emisor beta
y se desintegra para formar protactinio 234, que a su vez, es un emisor
beta que da lugar a un nuevo isótopo del uranio, el uranio 234. Este
isótopo se desintegra mediante emisión alfa para formar torio 230, que
también se desintegra mediante emisión alfa y produce el isótopo
radio 226. Esta serie de desintegración radiactiva, denominada serie
uranio-radio, continúa de forma similar con otras cinco emisiones alfa y otras
cuatro emisiones beta hasta llegar al producto final, un isótopo no radiactivo
(estable) del plomo (el elemento 82) con número másico 206. En esta serie están
representados todos los elementos de la tabla periódica situados entre el
uranio y el plomo, y cada isótopo puede distinguirse por su periodo de
semidesintegración característico. Todos los miembros de esta serie tienen un
rasgo común: si se resta 2 a sus números másicos se obtienen números
exactamente divisibles por 4, es decir, sus números másicos pueden expresarse
mediante la sencilla fórmula 4n + 2, donde n es un
número entero. Otras series radiactivas naturales son la serie del torio,
llamada serie 4n porque los números másicos de todos sus miembros son
exactamente divisibles por cuatro, y la serie del actinio o serie 4n + 3.
El elemento original de la serie del torio es el isótopo torio 232, y su
producto final es el isótopo estable plomo 208. La serie del actinio
empieza con el uranio 235 (llamado originalmente actinouranio por los
investigadores) y acaba en el plomo 207. En los últimos años se ha
descubierto y estudiado en profundidad una cuarta serie, la serie 4n + 1,
en la que todos son elementos radiactivos artificiales. Su miembro inicial es
un isótopo del elemento artificial curio, el curio 241. Contiene el
isótopo más duradero del elemento neptunio, y su producto final es el
bismuto 209.
Una aplicación interesante
del conocimiento de los elementos radiactivos es su uso en la determinación de
la edad de la Tierra. Un método para determinar la edad de una roca se basa en
el hecho de que, en muchos minerales de uranio y torio (que se están
desintegrando desde su formación), las partículas alfa han quedado atrapadas
(en forma de átomos de helio) en el interior de la roca. Determinando con
precisión las cantidades relativas de helio, uranio y torio que hay en la roca,
puede calcularse el tiempo que llevan ocurriendo los procesos de desintegración
(es decir, la edad de la roca). Otro método se basa en la determinación de la
relación que existe en la roca entre las cantidades de uranio 238 y
plomo 206, o de torio 232 y plomo 208 (o sea, las relaciones
entre la concentración de los miembros inicial y final de las series de
desintegración). Estos y otros métodos arrojan valores de la edad de la Tierra
que oscilan en torno a unos 4.600 millones de años. Se han obtenido valores
similares en meteoritos que han caído a la superficie terrestre y en muestras
lunares traídas por el Apolo 11 en julio de 1969, lo que indica que
todo el Sistema Solar tiene probablemente una edad similar a la Tierra.
Desintegración beta
Hay dos tipos de
desintegración beta. En la que se muestra a la izquierda, un neutrón se
convierte en un protón emitiendo un antineutrino y una partícula beta cargada
negativamente. En la de la derecha, un protón se convierte en un neutrón
emitiendo un neutrino y una partícula beta positivamente cargada. Las
partículas beta positivas se llaman positrones, y las negativas electrones.
Después de la desintegración, el núcleo del átomo contiene un protón más o
menos, por lo que constituye un elemento nuevo, con número atómico distinto.
LEY FUNDAMENTAL DE LA DESINTEGRACION.- Como se ve en Ia ecuación (1), cuanto mayor
sea el número de átomos disponibles, mayor será la velocidad de desintegración.
Esta relación se expresa matemáticamente de la siguiente manera:
AN/At =^N (2)
que es la
ley fundamental de la desintegración, donde ^ (letra griega lambda) es Ia
constante de desintegración; este último es un valor que físicamente representa,
'la probabilidad por unidad de tiempo para la desintegración de cada núcleo de
un material radiactivo dado". Este valor es característico de cada
elemento radiactivo y está dado en las Tablas de Radiactividad. Elementos radiactivos
llamados también radioisótopos, en Ia que tienes el símbolo químico, Ia vida
media (tiempo T), y la constante de decaimiento ^ en s-1.
Ejemplo
Emisiones de fuentes radiactivas
Las emisiones de fuentes
radiactivas fueron llamadas originalmente rayos alfa, beta y gamma. Las
propiedades de estos rayos eran muy diferentes. Los rayos alfa tenían carga positiva
y eran detenidos por un simple papel. Los rayos beta tenían carga negativa y
atravesaban el papel, aunque eran detenidos por una pantalla de aluminio. Los
rayos gamma eran neutros y penetraban el papel y el aluminio, aunque podían ser
detenidos por un blindaje de hormigón o plomo. En la actualidad, los rayos alfa
se denominan partículas alfa, y se sabe que son núcleos de átomos de helio, con
poca velocidad. Los rayos beta suelen llamarse hoy partículas beta, y se sabe
que son electrones. Los rayos gamma, que conservan su nombre, son parte del
espectro electromagnético. Como todas las ondas electromagnéticas, también
pueden considerarse como partículas (fotones).
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