Conceptos Fundamentales de Física Cuántica y Nuclear: Un Recorrido Esencial

Hipótesis de Planck

La luz es emitida por la materia en cantidades discretas e indivisibles (cuantos), cuya energía es proporcional a la frecuencia f de la radiación emitida:

E = hf

Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por parte de ciertas sustancias (generalmente metales), cuando son irradiados con radiación electromagnética de frecuencia superior a una característica para cada sustancia.

• El efecto fotoeléctrico es instantáneo.
• Existe una frecuencia umbral para cada metal, por debajo de la cual no hay emisión de electrones.
• La energía cinética máxima de los electrones emitidos es: Ec = h(f - f₀) = hf - hf₀
  Donde h: constante de Planck; f: frecuencia de la radiación incidente; f₀: frecuencia umbral; W_L = hf₀: función trabajo o trabajo de extracción.

Hipótesis de De Broglie

Toda partícula de masa m que se mueve con velocidad v lleva asociada una onda cuya longitud de onda (λ) y frecuencia (f) vienen dadas por:

λ = h/mv = h/p
f = E/h

Donde h: constante de Planck; p = mv (cantidad de movimiento de la partícula); E: energía.

Modelo Atómico de Bohr

Las únicas órbitas estables son aquellas en las que el momento angular L del electrón respecto al centro del núcleo es un múltiplo entero de h/2π, es decir:

L = n * h/2π

Únicamente se produce emisión (absorción) de energía cuando el electrón pasa de una órbita de energía mayor (menor) a otra de energía menor (mayor). La frecuencia de la radiación emitida (absorbida) es:

f = |Ef - Ei| / h

Principio de Incertidumbre

Para todo par de variables conjugadas, existe un límite en la determinación simultánea de los errores.

Núcleo Atómico

Nucleones: protones (Z, número atómico) y neutrones (N). Cada elemento se caracteriza por su Z. El número másico A es el número de nucleones:

A = Z + N

Núcleo de un elemento de símbolo E: ^A_Z E

Masa del protón, masa del neutrón: 1 u. (unidad de masa atómica). 1 u. es la doceava parte de la masa del átomo de Carbono-12 (¹²₆C).

Isótopos

Átomos diferentes de un mismo elemento: igual Z y diferente A; diferente N. Poseen las mismas propiedades químicas (son el mismo elemento) pero diferentes propiedades físicas.

Radiactividad Natural

Transformación espontánea de un núcleo en otro, con la emisión de radiaciones (energía).

Emisiones Radiactivas

• Alfa (α): Mayor poder de ionización; menor poder de penetración.
• Beta (β): Resultan de la interacción nuclear débil. Un neutrón se transforma en un protón y un electrón (partícula beta) lanzado a gran velocidad (~90% de c).
• Gamma (γ): Radiación electromagnética de frecuencia muy elevada, emitida por núcleos excitados (con un exceso de energía). Es la más penetrante y la de menor poder de ionización. Sus efectos sobre los seres vivos pueden ser inmediatos o retardados.

Reacciones Nucleares

Se conserva:

• Carga eléctrica
• Número total de nucleones
• Masa-energía
• Cantidad de movimiento

Aplicaciones de los Isótopos Radiactivos

• Medicina: Diagnóstico, tratamiento.
• Industria: Trazadores, radiografías, medición.
• Investigación: Datación, trazadores.

Velocidad de Desintegración Radiactiva

Es un proceso espontáneo, que se desarrolla al azar: no está influido por agentes externos.

N = N₀ * e^(-λt)
ln(N₀/N) = λt

Donde N₀: número de átomos en el instante inicial; N: número de átomos al cabo de un tiempo t; λ: constante radiactiva (tiempo⁻¹), característica de cada especie nuclear.

A: actividad radiactiva en el instante t:

A = |dN/dt| = λN
A = A₀ * e^(-λt)

Periodo de Semidesintegración (Vida Media)

(T₁/₂) tiempo para desintegrar la mitad de la muestra:

T₁/₂ = ln(2)/λ

Defecto de Masa y Energía de Enlace Nuclear

La masa de un núcleo es más pequeña que la suma de las masas de sus nucleones. La diferencia es su defecto de masa:

Δm = (Z * m_p + (A - Z) * m_n) - m_núcleo

La energía equivalente al defecto de masa es la energía de enlace nuclear. La energía de enlace por nucleón informa de la estabilidad del núcleo: a mayor E_n, mayor estabilidad.

E_e = Δm * c²
E_n = E_e / A

Fisión Nuclear

Un núcleo pesado se rompe en dos fracciones más ligeras: es un proceso exoenergético. Los neutrones lentos emitidos provocan la fisión en cadena.

Reactor Nuclear de Fisión

• Combustible: Uranio-235 (²³⁵U).
• Moderador: Reduce la velocidad de los neutrones.
• Barras de control: Absorben neutrones (regulan la producción).
• Circuito primario de refrigeración: Extrae el calor del núcleo del reactor.
• Blindaje y sistemas de protección y seguridad.

Fusión Nuclear

Dos o más núcleos dan lugar a otro más pesado. Es un proceso exoenergético.