Transcript Núcleo atómico y modos de decaimiento

Química General
Núcleo Atómico y Modos de decaimiento
Dra. Q.F. Lourdes Mallo
NÚCLEO ATÓMICO
El núcleo atómico es la parte del átomo que contiene toda
su carga positiva y la mayor parte de su masa.
Fue descubierto por Rutherford en 1911 mediante
experimentos de bombardeo de finas láminas de oro con
partículas 
Experimento de
Rutherford para medir
la dispersión de las
partículas 
Resultados esperados
según modelo de
Thomson y de
Rutherford
Conclusiones del experimento de Rutherford
- El átomo posee un núcleo central pequeño, con carga
eléctrica positiva, que contiene casi toda la masa del
átomo.
- Los electrones giran a grandes distancias alrededor
del núcleo en órbitas circulares.
- La suma de las cargas eléctricas negativas de los
electrones debe ser igual a la carga positiva del núcleo,
ya que el átomo es eléctricamente neutro
El núcleo ocupa una región muy
pequeña dentro del átomo, ya que
su radio es de aprox. 10-15 m,
varios órdenes de magnitud
inferior al radio atómico
(aprox. 10-10 m)

La mayor parte del átomo es espacio vacío
¿CÓMO ESTÁ FORMADO?
Las partículas básicas que constituyen el núcleo son
protones (Rutherford, 1919) y neutrones (Chadwick,
1932).
La cantidad de protones (Z) define al elemento y es igual a
la cantidad de electrones en el átomo neutro.
Cantidad de neutrones (N) + cantidad de protones (Z) =
número de nucleones (A).
A
Z
X
Carga del protón = carga del e- = 1.6x10-19 C
Carga del neutrón = 0
Masa del p+ = 1.6726 x 10-27 Kg
Masa del neutrón = 1.675 x 10-27 Kg
Masa del e- = 9,1094 × 10−31 kg
ENERGÍA DEL NÚCLEO
La distribución de los nucleones dentro del núcleo
determina la energía de éste.
En el núcleo, al igual que sucede con los electrones en la
periferia, existe un estado fundamental (de mínima
energía) y estados excitados, de mayor energía.
El pasaje de un núcleo en estado excitado al estado
fundamental está acompañado por la emisión de un fotón
(radiación ).
Todos los átomos con igual Z corresponden al mismo
elemento y tienen iguales propiedades químicas.
Sin embargo, no todos los núcleos con igual Z tiene
las mismas propiedades. Por este motivo es necesario
definir una nueva unidad, el nucleido.
Un nucleido es un tipo de átomo cuyo núcleo tiene un
número determinado de protones y de neutrones
y un estado energético definido.
El número de elementos conocidos hasta el momento es
cercano a los 120.
El número de nucleidos conocidos es alrededor de 2000,
de los cuales sólo 275 son estables. El resto son
radiactivos.

Átomos del mismo elemento pueden corresponder
a nucleidos diferentes.
TIPOS DE NUCLEIDOS
- Isótopos: átomos con = Z pero con  N y A
Pertenecen al mismo elemento, por lo que tienen iguales
propiedades químicas pero diferentes propiedades
nucleares. Ej: 1H, 2H, 3H
- Isóbaros: átomos con = A pero con  Z y N
Ej:
90Y
(Z = 39, N = 51) y
90Sr
(Z = 38, N = 52) .
Pertenecen a elementos diferentes.
-Isótonos: átomos con = N pero con  Z y A
También pertenecen a elementos diferentes.
Ej:
90Y
y
89Sr
tienen ambos 51 neutrones.
-Isómeros: átomos con los mismos valores de A y Z,
pero diferente estado energético en su núcleo.
Ej:
46m
Sc y
46
Sc (46g Sc).
La “m” identifica al isómero metaestable.
El estado fundamental se identifica con una “g” (ground)
ó solo con el valor de A.
RADIO NUCLEAR
Densidad del núcleo:
1.2 x 1014 g/cm3
 1013 veces más densos que
el átomo del que forman
parte
Alta repulsión e inestabilidad
FUERZAS NUCLEARES
Para que el núcleo sea estable debe existir una
fuerza atractiva intensa que supere dicha repulsión
electrostática: las fuerzas nucleares.
PROPIEDADES:
- Son fuerzas atractivas entre los nucleones.
- Son de rango muy corto (~ 2x10-13 cm). Su valor es
aproximadamente constante hasta una distancia del orden
de 10–15 m, cayendo bruscamente a 0 a distancias
mayores.
- Son extremadamente intensas (100 veces mayores
que las fuerzas electromagnéticas y 1035 veces
superiores a la gravedad).
- Son independientes de la carga.
- Se producen por intercambio de partículas virtuales
llamadas “gluones” (del inglés “glue”, pegamento).
- Dichos gluones no existen en el núcleo sino que
aparecen y desaparecen en períodos cortos.
Se han descubierto 4 tipos de interacciones fundamentales
en nuestro Universo.
- La gravitatoria: Es la que tiene mayor impacto a grandes
distancias. Tiene carácter de atracción y, en comparación
con el resto de las interacciones, es la mas débil.
Intercambia una partícula virtual llamada gravitón.
- La electromagnética: actúa entre partículas con carga
eléctrica. Incluye a la fuerza electrostática, que actúa entre
cargas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas
eléctrica y magnética, que actúan entre cargas que se
mueven una respecto a la otra. La partícula virtual
intercambiada es el fotón.
La nuclear fuerte: es despreciable a distancias
mayores que el núcleo atómico, por lo que no se
aprecia en la vida diaria. No obstante, todo depende de
ellas, ya que es la que permite unirse a los quarks para
formar los protones y neutrones, entre otros 
mantiene unidos los bloques fundamentales con los que
el universo está formado. La partícula virtual
intercambiada es el el gluón.
La nuclear débil: también es despreciable a distancias
mayores que el núcleo atómico, es 10 -13 veces menos
potente que la interacción fuerte y es responsable de
que los quarks y otras partículas decaigan a partículas
más livianas, así como de producir desintegraciones
beta. La partícula virtual intercambiada es el bosón.
Fuerza
Rango
Intensidad
a 10-15 m
Partícula
Carrier
Gravedad
Infinito
10-35
Gravitón
Electromagnetismo
Infinito
10-2
Fotón
Bosones
Fuerza débil
< 10-15 m
10-13
Fuerza fuerte
< 10-15 m
1
Gluón
PARTÍCULAS SUBATÓMICAS
 El avance de la Ciencia Nuclear experimental permitió
determinar que existen más de 100 tipos diferentes de
partículas subatómicas.
 Cada uno de ellos se caracteriza por propiedades como
masa, carga, spin, momento magnético total y tipo de
fuerza que experimentan.
 Cada partícula tiene su antipartícula.
 Partícula y antipartícula experimentan el fenómeno de
aniquilación (transformación de masa en energía
E = mc2).
 Algunas de ellas son elementales, otras en cambio
están constituídas por unión de otras.
 Las partículas elementales son de 3 tipos: quarks,
leptones y bosones.
 Los nucleones (protones y neutrones) no son
partículas elementales sino que están compuestas por
combinación de quarks.
QUARKS
- Son las partículas elementales que experimentan
interacción fuerte.
- Existen 6 tipos de quarks y otros tantos antiquarks.
- No se encuentran aisladas, sino formando grupos de 3
quarks, 3 antiquarks o 1 quark + 1 antiquark.
- Presentan carga eléctrica fraccionaria: -1/3 e- ó + 2/3 e-
CLASIFICACIÓN DE LOS QUARKS
Nombre
Símbolo
Masa en reposo
(MeV/c2)
Carga
Up
u
310
2/3 e-
Down
d
310
-1/3 e-
Charm
c
1500
2/3 e-
Strange
s
505
-1/3 e-
Top/Truth
t
>22500
2/3 e-
Botton/beauty
b
5000
-1/3 e-
Los quarks nunca se han observado aislados, sino
formando parte de las partículas compuestas
denominadas hadrones.
Los quarks se mantienen unidos a través de la
interacción fuerte (gluones).
Los hadrones se dividen en:
- bariones: formados por tres quarks o tres antiquarks
Ej: protones (u,u,d) y neutrones (u,d,d)
- mesones: compuestos por un quark y un antiquark.
Ej: Los mesones  están formados por un quark up
y un anti down
PROTÓN y NEUTRÓN
MESONES
Tres ejemplos de mesones formados por un quark y por
por un antiquark designado por una barra sobre la parte superior.
© KEK Laboratory
LOS LEPTONES
- Son las partículas elementales que experimentan la
fuerza débil.
- Se encuentran aisladas.
- Existen 6 tipos de leptones, 3 cargados
negativamente
y
3
neutros,
junto
con
sus
correspondientes antipartículas:
 Dentro de los leptones negativos se encuentra
el electrón.
 Dentro de los leptones neutros se encuentran
los diferentes tipos de neutrinos
LOS BOSONES
- Son las partículas virtuales portadoras de fuerza.
- Incluyen a los fotones, los gluones, los bosones W+, W- y
Z y a los gravitones (aun no descubiertos).
ESTABILIDAD NUCLEAR
- El núcleo es intrínsecamente inestable debido a la
repulsión electrostática entre los protones.
- El balance repulsión-atracción determina si un nucleido es
estable o radiactivo.
- La relación entre N y Z es de fundamental importancia en
dicho balance.
- Cada elemento puede tener varios nucleidos estables.
Estos nucleidos constituyen el “cinturón de estabilidad”.
Cinturón de estabilidad
- Si
Z < 20
N/Z
1
14
7
- Si
20 < Z < 83
1 < N/Z < 1.5
120
50
N  N/Z = 1
Sn  N/Z = 1.4
- Si
Z
> 83:
ningún nucleido es estable
209
21
Bi
N/Z = 1.52
Los nucleidos que caen fuera del “cinturón de
estabilidad” sufren transformaciones que dan al lugar al
fenómeno de radiactividad.
Sin embargo, aún para los nucleidos radiactivos la
existencia del núcleo como tal es más favorable que la
separación en los nucleones que lo constituyen.
- La masa de un átomo es siempre menor que la suma
de las masas de las partículas que lo constituyen.
- Esa diferencia se denomina defecto de masa y es
equivalente a la cantidad de energía que el núcleo gasta
en mantener juntos a sus nucleones.
Átomo de
6
3
Li
RADIACTIVIDAD
La radiactividad es un fenómeno espontáneo de
transformación de un nucleido en otro, con emisión
de partículas o radiación, y energía.
Cuando N/Z cae fuera del “cinturón de estabilidad” el
nucleido es radiactivo (radionucleido).
Al radionucleido que experimenta el proceso se le
denomina "padre" (P) y al decaer se convierte en el
nucleido "hijo" (H), el cual puede ser estable o ser
también radiactivo.
La radiactividad no depende de la naturaleza física o
química de los átomos, es una propiedad de su núcleo.
TIPOS DE RADIACIÓN
Existen 5 tipos de decaimiento radiactivo:
- alfa ()
(Núcleos de Helio)
- beta ()
+
Captura electrónica (CE)
- gamma ()
El modo de decaimiento más probable será aquel que
acerque ese radionucleido a la estabilidad.
EMISIÓN ALFA
Los radionucleidos con Z > 83
deben disminuir rápidamente
la cantidad total de nucleones
para acercarse a la estabilidad.
 Emiten una partícula 
A
Z
X
A-4
Z-2
Y +
4
2
He
+E
Partícula 
m = masa (P) – masa (H) + m (4He) > 0
NUCLEO ATOMICO
Es la parte del átomo que contiene toda la
carga positiva y la mayoría de la masa.
Ocupa una región muy pequeña dentro
del átomo que puede asumirse como una
esfera:
radio nuclear - 10- 15 m
radio atómico - 10- 10 m
Fue descubierto por Rutherford en 1911
mediante experimentos de bombardeo.
CONSTITUCIÓN DEL NÚCLEO
Las partículas básicas que constituyen el núcleo
son protones y neutrones (nucleones) .
La cantidad de protones (Z) define al elemento y
es igual a la cantidad de electrones en el átomo
neutro.
A=Z+N
Z = número de protones
N = número de neutrones
A = número de nucleones
ENERGÍA DEL NÚCLEO
La distribución de los nucleones dentro del
núcleo determina la energía de éste.
Existe un estado fundamental nuclear y estados
excitados.
La desexcitación del núcleo va acompañada, al
igual que la de los electrones, por la emisión de
radiación electromagnética (radiación γ).
DEFINICIÓN DE NUCLEIDO
Es un conjunto de átomos con un número definido de protones (Z) y
neutrones (N), distribuidos con
un determinado orden dentro del nue/eo
(Energia del nucleo). Los Momos que difieran
en cualquiera de estos tres para metros
pertenecen a nucleidos diferentes.
Es la unidad en Radioquimica, asi como el
elemento es la unidad en Quimica.
Se conocen hasta el momenta un os 117
elementos y mas de 2000 nucleidos.