Física Nuclear: Conceptos Fundamentales y Fenómenos

Física Nuclear

Defecto de Masa

El defecto de masa es la diferencia entre la suma de las masas de los nucleones que forman un núcleo atómico y la masa del núcleo en sí.

Efecto Fotoeléctrico

Al iluminar la superficie de un metal, cuando un fotón choca con un electrón, la energía del fotón se utiliza para arrancar el electrón del material. La energía sobrante se convierte en energía cinética del electrón.

El efecto fotoeléctrico, según Einstein, se basa en que la energía luminosa no se distribuye uniformemente en la onda, sino que se concentra en paquetes de energía llamados fotones. Cuando la luz interactúa con la materia, absorbe estos fotones. Un fotón puede tener suficiente energía para arrancar un electrón del material. El electrón utiliza parte de esta energía para liberarse del material (trabajo de extracción) y la energía restante se convierte en energía cinética. La energía de extracción es diferente para cada material, de ahí la existencia de una frecuencia umbral. Si la energía del fotón incidente es mayor que el trabajo de extracción, se produce el efecto fotoeléctrico y la energía restante se convierte en energía cinética del electrón.

Limitaciones de la Mecánica Clásica

La mecánica clásica no puede explicar los siguientes hechos experimentales:

1. Solo se emiten electrones cuando la frecuencia de la luz incidente supera un valor mínimo (frecuencia umbral), que es diferente para cada material. Según la teoría clásica, el efecto fotoeléctrico debería ocurrir para cualquier frecuencia de luz, siempre que la intensidad fuera lo suficientemente alta.
2. Si la frecuencia incidente es mayor que la umbral, el número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la radiación incidente, pero la energía cinética de los electrones es independiente de la intensidad. La teoría clásica predecía que la energía cinética de los electrones debería aumentar con la intensidad de la luz.
3. Nunca se ha podido medir un tiempo de retraso entre la iluminación del metal y la emisión de electrones. La teoría clásica predecía que, si la intensidad de la luz era débil, debería haber un tiempo de retraso entre la iluminación del metal y la emisión de electrones.

Hipótesis de De Broglie

Basándose en los resultados de Planck, De Broglie propuso que cualquier partícula puede comportarse como una onda en determinadas situaciones (dualidad onda-partícula). Este comportamiento se caracteriza por la longitud de onda asociada a la partícula, conocida como longitud de onda de De Broglie.

Energía de Enlace Nuclear y Defecto de Masa

Un núcleo atómico está compuesto por neutrones y protones. La masa del núcleo es menor que la suma de las masas de los nucleones por separado. Esta diferencia de masa se conoce como defecto de masa y se debe a que parte de la masa se ha convertido en energía durante el proceso de formación del núcleo (energía de enlace nuclear).

Ley de Desintegración Radiactiva

Rutherford observó que el ritmo al que las sustancias radiactivas emiten partículas disminuye con el tiempo. Esta disminución se conoce como decaimiento radiactivo y se rige por la ley de desintegración radiactiva.

Radiactividad Alfa, Beta y Gamma

La radiactividad es un fenómeno por el cual algunos núcleos atómicos inestables se desintegran espontáneamente, emitiendo partículas o energía en forma de radiación. Existen tres tipos principales de radiación:

• Radiación alfa: Consiste en la emisión de partículas alfa, que son núcleos de helio (dos protones y dos neutrones). Son las menos penetrantes de las tres, pero las más ionizantes. Pueden ser detenidas por una hoja de papel o la piel humana.
• Radiación beta: Consiste en la emisión de partículas beta, que pueden ser electrones (beta negativa) o positrones (beta positiva). Son más penetrantes que las partículas alfa, pero menos ionizantes. Pueden ser detenidas por una lámina de aluminio.
• Radiación gamma: Consiste en la emisión de fotones de alta energía. Son las más penetrantes de las tres, pero las menos ionizantes. Se necesitan materiales densos como el plomo o el hormigón para detenerlas.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que es imposible conocer con precisión absoluta el valor de la posición y la cantidad de movimiento de una partícula simultáneamente. Cuanto más precisa sea la medida de una de estas magnitudes, mayor será la incertidumbre en la medida de la otra.

Fisión y Fusión Nuclear

• Fusión nuclear: Es la unión de dos núcleos ligeros para formar uno más pesado, liberando una gran cantidad de energía. Es el proceso que se produce en el Sol y las estrellas.
• Fisión nuclear: Es la división de un núcleo pesado en dos o más núcleos más ligeros, liberando también una gran cantidad de energía. Es el proceso que se utiliza en las centrales nucleares.

Dualidad Onda-Corpúsculo

La dualidad onda-corpúsculo es un concepto fundamental de la mecánica cuántica que establece que las partículas también pueden exhibir propiedades ondulatorias, y viceversa.

Experimento de Rutherford

Rutherford diseñó un experimento en el que bombardeó una fina lámina de oro con partículas alfa. Observó que la mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse, mientras que unas pocas se desviaban en ángulos grandes. Este experimento llevó al descubrimiento del núcleo atómico.

Leyes de Soddy y Fajans

 Ley de los desplazamientos radiactivos, cuando un atomo radiactivo emite una particula alfa, se crea un elemento que disminuye 2 unidades el numero atomico y 4 el numero masico, en la desintegracio beta el numero masico se mantiene y el numero atomico aumenta 1