Radiactividad

Se denomina radiactividad a la propiedad que presentan determinadas sustancias, llamadas sustancias radiactivas, de emitir radiaciones capaces de penetrar en cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar placas fotográficas, etc. Al poco tiempo de descubrirse la radiactividad del uranio, se descubrieron otros elementos radiactivos como el torio, el polonio, el radio y el actinio. En la actualidad, se conocen más de 40 elementos radiactivos.

Radiaciones alfa, beta y gamma

  • Radiación α: Son núcleos de helio formados por dos protones y dos neutrones.
  • Radiación β: Son electrones (e-) procedentes de neutrones que se desintegran en el núcleo atómico, dando lugar a un protón (p+) y un electrón (e-).
  • Radiación gamma: Son radiaciones electromagnéticas (fotones).

Leyes de Soddy

Las leyes de Soddy permiten deducir las características del nuevo núcleo formado.

  • Desintegración α: Si un núcleo emite estas partículas, se forma otro núcleo cuyo número másico es 4 veces inferior al núcleo original y cuyo número atómico es 2 unidades inferior.
  • Desintegración β:
    • Emisión β (-): Procede de la transformación de un neutrón en un p+, un e- y un antineutrino. Si un núcleo emite partículas beta, se formará otro núcleo cuyo número másico no cambia y cuyo número atómico es una unidad superior al núcleo original.
    • Emisión β (+): Procede de la transformación de un p+ en un neutrón, un positrón y un neutrino.
  • Desintegración gamma: Si un núcleo emite radiación gamma, pasa de un estado excitado a un estado fundamental. Por lo tanto, no cambia ni su número másico ni su número atómico.

Ley de desintegración radiactiva

Cuando un núcleo atómico emite radiación α, β o gamma, el núcleo se transforma en otro distinto (transmuta) o bien pasa de un estado excitado a un estado fundamental. En el primer caso, se dice que ha tenido lugar una desintegración. Se puede demostrar que si una muestra de un material radiactivo está formada inicialmente por No núcleos, después de un tiempo t, quedan sin desintegrar N núcleos, cumpliéndose que: N = No * e(- λ * t)

Donde:

  • N: número de núcleos que quedan sin desintegrar.
  • No: número de núcleos iniciales.
  • λ: constante de desintegración radiactiva, tiene un valor característico para cada sustancia radiactiva.

También se define la constante τ (tau) como vida media (τ = 1 / λ), que es el tiempo promedio que tardará un átomo en desintegrarse.

El tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los núcleos iniciales se llama periodo de semidesintegración, cuya expresión viene dada por T = Ln2 / λ.

Por otro lado, se define la actividad de una sustancia radiactiva que contiene N núcleos como: A = λ * N (Bq), donde N = (m * NA) / Matómica

1 Ci = 3.67 * 1010 Bq

Como la actividad y la masa de la sustancia radiactiva son directamente proporcionales al número de núcleos, se cumple que:

  • A = Ao * e(- λ * t)
  • m = mo * e(- λ * t)

Donde A, Ao, m y mo son…

Energía de enlace

Si se quiere romper un núcleo para aislar sus nucleones, hay que aportar una cierta energía. Esta energía coincide con la energía de enlace. Experimentalmente, se comprueba que la masa de un núcleo cualquiera formado por Z protones y A-Z neutrones es siempre menor que la suma de las masas de los protones y los neutrones por separado. A esa diferencia de masa se denomina defecto de masa y viene dada por: Δm = (Z * masap+ + (A – Z) * masaneutrón) – masanúcleo.

Según la mecánica relativista, un cambio de masa lleva asociado un cambio de energía y viceversa. La energía asociada a este cambio de masa es: ΔE = Δm * c2, donde c = velocidad de la luz = 3 * 108 m/s.

Si se divide la energía de enlace de un núcleo entre el número de núcleos que lo forman, se obtiene la energía de enlace por nucleón = ΔE / número másico A.

La energía de enlace por nucleón está relacionada con la estabilidad de los núcleos. Un núcleo será tanto más estable cuanto mayor sea su energía, que es la energía que hace falta comunicarle para que los núcleos dejen de estar unidos entre sí.

Fisión nuclear

Es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado se divide en dos más ligeros cuando es bombardeado con neutrones. En este proceso, se liberan más neutrones y gran cantidad de energía. Los neutrones liberados por la fisión de un núcleo pueden fisionar otros núcleos, dando lugar a una reacción nuclear en cadena. La fisión nuclear tiene un alto rendimiento energético. Sin embargo, presenta el riesgo de contaminación radiactiva y la dificultad de eliminar de forma rápida y segura los residuos.

Fusión nuclear

Es una reacción nuclear en la que dos núcleos ligeros se unen para formar otro más pesado. En el proceso, se libera gran cantidad de energía. Para iniciar un proceso de fusión nuclear, es necesaria una energía de activación. En el caso de la fusión, la energía necesaria para que los núcleos se unan, venciendo las repulsiones electrostáticas, es proporcionada por una energía térmica muy elevada. Las reacciones de fusión tienen lugar de forma natural en el Sol y en las estrellas gracias a las altas temperaturas de su interior.

Interacciones fundamentales de la naturaleza

Las cuatro interacciones son la fuerza gravitatoria, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Las dos primeras actúan en el macrocosmos, mientras que las dos últimas existen solamente en el microcosmos, es decir, en el ámbito subatómico.

  • La fuerza gravitatoria es una fuerza siempre atractiva y responsable de la atracción universal entre los cuerpos.
  • La fuerza electromagnética actúa sobre las partículas con carga eléctrica.
  • La fuerza nuclear débil es la segunda interacción más débil después de la gravitatoria. Solamente puede actuar entre partículas a distancias de 10-17 m y es la principal fuerza responsable de la desintegración beta de los núcleos.
  • La fuerza nuclear fuerte es la más intensa de las cuatro. Es la responsable de la cohesión de los núcleos atómicos, siendo una fuerza atractiva que se manifiesta entre nucleones. Solo actúa a distancias del orden de 10-15 m y compensa la fuerte repulsión electrostática de los protones del núcleo.

Campo eléctrico

Una carga eléctrica, con su presencia, modifica el espacio que la rodea. En esa zona del espacio se dice que existe un campo eléctrico. Por otro lado, cuando otra carga eléctrica se sitúa en esa región del espacio, experimenta una fuerza que se llama fuerza eléctrica.

Ley de Coulomb

En 1875, C. A. Coulomb enunció la ley que lleva su nombre: dos cargas eléctricas puntuales se atraen o se repelen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que existe entre ellas.

F = K * (q1 * q2) / d2 (N)

Características:

  • La fuerza eléctrica tiene la misma dirección que la recta de unión de las cargas.
  • La fuerza eléctrica puede ser atractiva o repulsiva en función del signo de las cargas.
  • El valor de la constante K depende del medio en el que se encuentran las cargas: K = 1 / (4π * ε), donde ε es la constante dieléctrica. Si el medio es el vacío, ε = 8.84 * 10-12 (C2 / N * m2) y K = 9 * 109 (N * m2 / C2).

Principio de superposición

Si existen varias cargas, la fuerza total que actúa sobre cada una de ellas es la suma vectorial de las fuerzas que las otras cargas ejercen sobre ella.

Ftotal sobre q1 = F21 + F31 + F41 + … = (K * q1 * q2 / d122) + (K * q1 * q3 / d132) + … (N)

Vector intensidad de campo eléctrico

Se define en un punto como la fuerza eléctrica que se ejerce por unidad de carga. Por tanto, Ë = Feléctrica / q = (K * Q * q / d2) / q = K * Q / d2 (vector unitario).

Para indicar el sentido del vector intensidad de campo eléctrico creado por una carga en un punto P, debemos imaginar que en el punto P hay una carga positiva.

Si hay varias cargas puntuales, se cumple el principio de superposición: el campo eléctrico producido por varias cargas puntuales en un punto es igual a la suma vectorial del campo producido por cada una de las cargas por separado en dicho punto.

Ëtotal en P = Ë1 + Ë2 + … = K * q1 / d12 + K * q2 / d22 + …

  • Si la partícula está en reposo, es porque la resultante de las fuerzas es 0.
  • Si la Fresultante es distinta de 0, la partícula lleva un MRUA.
  • Feléctrica = q * Ë. Entonces:
    • Si la partícula tiene carga positiva, el vector fuerza eléctrica y el vector campo eléctrico tienen la misma dirección y sentido. Si la partícula solo está sometida a la fuerza eléctrica, describirá un MRUA.
    • Si la partícula tiene carga negativa, los vectores fuerza eléctrica y campo eléctrico tienen la misma dirección pero sentido contrario. Por tanto, la partícula llevará un MRUR.

Energía en el campo eléctrico

La fuerza eléctrica es una fuerza conservativa, lo que significa que el trabajo que realiza la fuerza eléctrica para trasladar una carga de un punto a otro no depende del camino seguido, sino de la posición inicial y final de esa carga.

Energía potencial eléctrica

La fuerza eléctrica es una fuerza conservativa, por lo que se le puede asociar una energía potencial eléctrica: W1-2 = -K * Q * q * (1 / r1 – 1 / r2). De donde se deduce que la energía potencial eléctrica de un sistema formado por dos cargas separadas a una distancia d es: Ep eléctrica = K * Q * q / d (J).

  • Si Q y q son del mismo signo, la Ep eléctrica es positiva, y viceversa.
  • Al aproximar cargas del mismo signo, es necesario realizar un trabajo externo. Por tanto, la energía potencial eléctrica del sistema aumenta: Wexterno = Ep(B) – Ep(A).
  • Al acercar cargas de signo opuesto, la energía potencial del sistema disminuye. Por eso, las cargas de distinto signo se atraen, por lo que la Ep del sistema es menor y, por tanto, el sistema es más estable.

Potencial eléctrico

Es la energía potencial por unidad de carga positiva que existe en un punto del campo eléctrico: Veléctrico = Ep eléctrica / q = (K * Q * q / d) / q = K * Q / d. Si Q es positiva, el potencial eléctrico es positivo, y viceversa.

Para un conjunto de varias cargas, se cumple el principio de superposición: el potencial eléctrico resultante en el punto P es igual a la suma de cada uno de los potenciales eléctricos creados por las cargas en ese punto P.

Vtotal = Veléctrico de carga 1 + Veléctrico de carga 2 + …

Vtotal = K * q1 / d1 + K * q2 / d2 + … (J/C)

  • Las cargas positivas se mueven espontáneamente, empujadas por el campo, desde los puntos de mayor a menor potencial.
  • Las cargas negativas se mueven espontáneamente desde los puntos de menor a mayor potencial.

Representación del campo eléctrico

Líneas de campo: Son líneas tangentes al vector intensidad en ese punto. Se dibujan de tal manera que el número de líneas de campo que atraviesa una superficie es proporcional a la intensidad de campo en el punto. Las líneas de campo tienen dirección radial y un sentido que depende del signo de la carga que crea el campo. Las cargas positivas se llaman manantiales de líneas de campo y las negativas, sumideros. En un campo creado por dos cargas, las líneas de campo se deforman en la zona intermedia. Si las cargas que crean el campo son de distinto signo, las líneas de campo salen de la carga positiva hacia la carga negativa.

Superficies equipotenciales: Son regiones del espacio para las cuales el potencial eléctrico tiene el mismo valor. El trabajo necesario para desplazar una carga de un punto a otro de una superficie equipotencial es nulo: Wi-f = -(Epf – Epi) = -(q * Vf – q * Vi) = 0. Si el campo está creado por una única carga puntual, las superficies equipotenciales son esferas con centro en la carga puntual. Si está creado por dos cargas, las superficies equipotenciales se deforman en la zona donde se aprecia el efecto de ambas. Las superficies equipotenciales no se pueden cortar, ya que, si lo hiciesen, en el punto de corte el potencial tendría dos valores distintos, lo cual es imposible. Las superficies equipotenciales son normales a las líneas de campo.