MONOGRAFIA

. ESTRUCTURA ATOMICA

1.1. Partículas Elementales.

Todo lo que existe en la naturaleza está formado por combinaciones de diferentes tipos de partículas subatómicas fundamentales. Hasta la fecha, se ha descubierto un gran número de partículas, más sin embargo, solamente seis de ellas son de gran importancia en ingeniería nuclear, siendo estas las siguientes: electrón, positrón, protón, neutrón, fotón y neutrino.

ELECTRON.

-Esta partícula posee una carga eléctrica e=1.6x〖10〗^(-19) coulombios y una masa en reposo m_e = 9.10956 x 10-28 gramos. La partícula cuya carga eléctrica es negativa, -e, se llama electrón y existe su antipartícula llamada positrón cuya carga es +e ; excepto por su carga, ambas partículas son idénticas. El electrón ( o negatrón ) es una partícula muy abundante en la naturaleza conocida mientras que el positrón e: detectado muy rara vez en algunos procesos nucleares como se verá posteriormente.

PROTON.

La carga eléctrica de esta partícula es +e y su masa en reposo es m = 1.67261 x lO-24gramos. Se sabe que existe el antiprotón con carga -e y masa m_p pero no es de importancia en el área de la ingeniería nuclear. q_p=1.6 x 〖10〗^(-14) coul (+)

NEUTRON .

Esta es una partícula con carga eléctrica neta igual a cero y su masa es m = 1.67492 x 〖10〗^(-24)gramos, ligeramente mayor que la del protón. No es una partícula estable si se encuentra sola ya que se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino.

n→ p^++e^-+υ

Generalmente, el neutrón es estable cuando se encuentra dentro de un núcleo atómico pero en algunos casos a pesar de esto se desintegra como se ha mencionado. Al electrón producido se le conoce como partícula beta negativa, β^-.

FOTON.

Esta partícula es una radiación electromagnética similar a las ondas de radio y a la luz visible, distinguiéndose de ellas por su mayor energía cinética únicamente. Su carga eléctrica y su masa en reposo son iguales a cer0. Se desplaza en el vacío a la velocidad de la luz c=2.9979x〖10〗^8 m/s.

NEUTRINO.

Su masa en reposo y su=carca eléctrica son iguales a cero. Se producen en el decaimiento de algunos núcleos radiactivos. Existen dos tipos de partícula: neutrinos y antineutrinos; para los propósitos de este curso no es necesario hacer una distinción especial entre ambos.

1. 2. Materia .

La materia está constituida por partículas llamadas átomos; éstos son eléctricamente neutros (si no es así entonces se llaman iones), que poseen un núcleo donde está concentrada la mayor parte de la masa. El núcleo está formado por protones y neutrones (excepto el del hidrógeno que sólo contiene un protón sin neutrones);

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Para darnos idea de la gran concentración de masa que se tiene en el núcleo, es pertinente saber que los métodos experimentales que han sido utilizados para determinar las dimensiones de los átomos indican que el radio del núcleo está en función de su número de neutrones y protones (o número de nucleones denotado con A ) de acuerdo con la siguiente ecuación empírica:

R=1.2 x 〖10〗^(-13 ) A^(1/3)

Donde R= radio del núcleo en cm

A= suma de los números de neu trenes y pro tones (número de masa ).

También se ha determinado que el radio del átomo es mucho mayor que el del núcleo como se muestra en la siguiente tabla para algunos átomos:

ELEMENTO RADIO DEL ATOMO RADIO DEL NUCLEO

Carbón 0.77x〖10〗^(-8) cm 3.8x 〖10〗^(-13) cm

Aluminio 1.45x〖10〗^(-8) cm 4.6x 〖10〗^(-13) cm

Argón 1.50x〖10〗^(-8) cm 4.1x 〖10〗^(-13) cm

Estaño 1.40x〖10〗^(-8) cm 7.4x 〖10〗^(-13) cm

plomo 1.60x〖10〗^(-8) cm 7.8x 〖10〗^(-13) cm

Por ejemplo, para el átomo de argón se ve que su radio es 40 000 veces mayor que el de su núcleo; esta diferencia indica que una gran parte está vacía.

1. 3. Elemento .

Los elementos son las formas de la materia más simples que pueden existir y no pueden ser separados en sustancias más sencillas por los métodos físicos o químicos convencionales. Los elementos son los bloques de construcción de todos los tipos de materiales que existen ya que forman moléculas cuando se combinan dos o más átomos. Cada elemento está caracterizado por el hecho de que sus átomos tienen el mismo número de protones; por ejemplo todos los átomos de bario tienen 56 protones en su núcleo y todos los de zinc tienen 30. Si se combinan dos o más átomos de elementos diferentes la combinación se llama compuesto; para formar un compuesto específico es necesario combinar en una relaci6n precisa átomos de los elementos necesarios, por ejemplo, para formar agua es necesario combinar dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno siempre.

Existen alrededor de 107 elementos de los cuales menos de 90 son naturales y los demás son producidos artificialmente. Todos los elementos están clasificados de acuerdo con sus propiedades en una tabla llamada Tabla Periódica de los Elementos. Esta clasificación está basada en la llamada Ley Periódica que se enuncia como sigue: “las propiedades de los elementos y de sus compuestos son funciones periódicas del número atómico de los elementos". El número atómico es el número de protones que contiene el núcleo, En la figura 1.2 se tiene la tabla periódica empleada actualmente.

1.4, Núclido

En física nuclear es necesario en muchas ocasiones referirse precisamente a un núcleo más que a un elemento en general, debido a que al hablar de éste nos estamos refiriendo a una familia de átomos ( o núcleos) que tienen el mismo número de protones pero el número de neutrones puede variar. Por ejemplo al hablar del hidrógeno nos referimos a una familia compuesta por tres tipos de átomos cuya característica común es la de tener un protón en su núcleo, pero el primer tipo, llamado protio, ningún neutrón, el segundo tiene un protón y se llama deuterio mientras que el tercero, el tritio tiene dos neutrones; esto se ilustra en la figura

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