Proyecto de Física Nuclear.
ANTECEDENTES HISTÓRICOS.
La física
nuclear como una disciplina distinta de la física atómica comienza con el
descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel en 1896, mientras
investigaba la fosforescencia de uranio en las sales. El descubrimiento del
electrón por JJ Thomson , un año después fue una indicación de que el átomo tenía
estructura interna.
En 1898, los científicos Marie y Pierre Curie descubrieron
dos elementos radiactivos existentes en la naturaleza, el polonio (84Po)
y el radio
(88Ra).
A la vuelta del siglo 20 el modelo
aceptado del átomo era JJ Thomson “pudín de ciruelas” modelo en el que el átomo
era una gran bola de carga positiva con los pequeños electrones cargados
negativamente incrustados dentro de ella. Con el cambio de siglo los físicos
habían descubierto también tres tipos de radiaciones procedentes de los átomos,
que llamaron alfa, beta y gamma de la radiación.
En 1913 Niels Bohr publica su
modelo de átomo,
consistente en un núcleo
central compuesto por partículas que concentran la práctica mayoría de la masa
del átomo (neutrones y protones), rodeado por varias capas de partículas
cargadas casi sin masa (electrones).
Mientras que el tamaño del átomo resulta ser del orden del angstrom (10-10
m), el núcleo puede
medirse en fermis
(10-15 m), o
sea, el núcleo es 100.000 veces menor que el átomo.
Los
experimentos en 1911 por Lise Meitner y Otto Hahn, y por James Chadwick en 1914
descubrieron que la desintegración beta del espectro era continua y no
discreta. Es decir, los electrones son expulsados del átomo con una gama de
energías, en lugar de las cantidades discretas de energía que se observaron en
decae gamma y alfa.
Ernest Rutherford en el año
1918 definió la existencia
de los núcleos de hidrógeno.
Rutherford sugirió que el núcleo de hidrógeno, cuyo número atómico
se sabía que era 1, debía ser una partícula fundamental. Se adoptó para esta
nueva partícula el nombre de protón
sugerido en 1886 por Goldstein para definir ciertas
partículas que aparecían en los tubos catódicos.
Durante la década de 1930, Irène y Jean Frédéric
Joliot-Curie obtuvieron los primeros nucleidos radiactivos
artificiales bombardeando boro
(5B) y aluminio
(13Al) con partículas
α para formar isótopos
radiactivos de nitrógeno
(7N) y fósforo
(15P). Algunos isótopos de estos elementos presentes en la
naturaleza son estables. Los isótopos inestables se encuentran en proporciones
muy bajas.
En 1932 James Chadwick realizó una
serie de experimentos con una radiactividad especial que definió en términos de
corpúsculos, o partículas
que formaban esa radiación. Esta nueva radiación no tenía carga eléctrica y
poseía una masa casi idéntica a la del protón. Inicialmente se postuló que
fuera resultado de la unión de un protón y un electrón formando una
especie de dipolo
eléctrico. Posteriores experimentos descartaron esta idea llegando a la conclusión
de que era una nueva partícula procedente del núcleo a la que se llamó neutrones.
Los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann
descubrieron la fisión nuclear
en 1938. Cuando se irradia
uranio con neutrones, algunos núcleos se dividen en dos núcleos con números atómicos.
La fisión libera una cantidad enorme de energía y se utiliza en armas y reactores de fisión nuclear.
MEDIDAS DE SEGURIDAD.
El objetivo general del régimen de
seguridad física nuclear de un Estado es la protección de las personas, los bienes, la
sociedad y el medio ambiente de las consecuencias
nocivas de un suceso relacionado con la seguridad física nuclear.
Con la finalidad de lograr este
objetivo, los Estados deberían establecer, aplicar, mantener y sostener un
régimen de seguridad física nuclear eficaz y apropiado para prevenir y detectar
estos sucesos y responder a ellos. El régimen de seguridad física nuclear
abarca los materiales nucleares y otros materiales radiactivos, sometidos o no
a control reglamentario, las instalaciones conexas y las actividades conexas
durante toda su vida útil. Se podría alcanzar el objetivo general mediante la
aplicación de lo previsto en todas las publicaciones sobre recomendaciones en
materia de seguridad física nuclear, incluidas las Recomendaciones de Seguridad
Física Nuclear sobre la Protección
Física de los Materiales y las Instalaciones Nucleares (INFCIRC/225/Revisión 5)
[7] y sobre Materiales Radiactivos e Instalaciones Conexas [8] de manera
coherente. Los objetivos de un régimen de seguridad física nuclear relativo a
los materiales nucleares y otros materiales radiactivos no sometidos a control
reglamentario se logran mediante:
·
Un
conjunto amplio y completo de disposiciones legislativas que otorguen a las
distintas autoridades competentes dentro del Estado las facultades
administrativas y ejecutivas necesarias para llevar a cabo sus tareas
eficazmente;
·
El
suministro de recursos suficientes y de forma sostenida a las distintas
autoridades competentes para que puedan desempeñar las funciones que les han
sido asignadas, incluidas:
1) Las medidas para prevenir actos
delictivos o no autorizados con consecuencias para la seguridad física nuclear
relacionados con materiales nucleares y otros materiales radiactivos no
sometidos a control reglamentario.
2) La detección, mediante la alarma de
un instrumento y/o una alerta informativa, de la presencia o de indicios de un
acto delictivo o no autorizado con consecuencias para la seguridad física
nuclear relacionado con materiales nucleares u otros materiales radiactivos no
sometidos a control reglamentario, y, en particular, para:
§
Elaborar
una estrategia nacional de detección;
§
Establecer
sistemas de detección;
§
Realizar
la evaluación inicial de las alarmas de los instrumentos y de las alertas
informativas con prontitud a fin de determinar si se ha producido un suceso
relacionado con la seguridad física nuclear.
3) La respuesta a los sucesos
relacionados con la seguridad física nuclear,en particular:
·
notificar
a las autoridades competentes;
·
Evaluar
la validez y las posibles consecuencias de un suceso relacionado con la
seguridad física nuclear;
·
Localizar,
identificar, categorizar y caracterizar los materiales nucleares u otros
materiales radiactivos;
·
Proteger
esos materiales y aplicar otras medidas adecuadas de respuesta al suceso
relacionado con la seguridad física nuclear, como la neutralización del
dispositivo;
·
Recuperar,
retener y/o decomisar los materiales y someterlos a control reglamentario;
·
Recopilar,
conservar, almacenar, transportar y analizar, por ejemplo, aplicando medidas de
investigación forense nuclear, las pruebas relacionadas con los actos
delictivos o no autorizados con consecuencias para la seguridad física nuclear
relacionados con estos materiales;
·
Arrestar
y posteriormente procesar o extraditar a los presuntos delincuentes.
El Estado, por conducto de su órgano o
mecanismo coordinador, debería, entre otras cosas:
§
Asegurar
la elaboración de una amplia estrategia nacional de detección basada en un
enfoque de defensa en profundidad en múltiples niveles, en el marco de los
recursos disponibles;
§
Garantizar
la elaboración de un plan de respuesta nacional a cualquier suceso relacionado
con la seguridad física nuclear, empleando un enfoque graduado que sea
proporcional a la amenaza y se base en los recursos disponibles;
§
Supervisar
el desarrollo y aplicación de los sistemas de detección y de respuesta
nacionales;
§
Evaluar
y determinar las posibles deficiencias en la seguridad física nuclear y las
necesidades de recursos y poner en marcha medidas correctoras apropiadas de
forma periódica;
§
Garantizar
el establecimiento de puntos de contacto en el seno de las autoridades
competentes, como parte de una coordinación general dentro del Estado;
§
Alentar
el intercambio oportuno de información operacional entre las autoridades
competentes dentro del Estado;
§
Asegurar
el establecimiento y mantenimiento de un conjunto de registros confiable y
exhaustivo para cada suceso relacionado con la seguridad física nuclear, y
alentar el intercambio de información entre las autoridades competentes
relativa a estos sucesos, mediante un formato común de comunicación y
notificación;
§
Asegurar
la adecuada coordinación y colaboración con las autoridades pertinentes de otros
Estados y con las organizaciones internacionales.
AUTORIDADES COMPETENTES
Las autoridades competentes6deberían
ser responsables de la puesta en marcha y aplicación de las medidas de
detección y de respuesta en sus esferas de autoridad en relación con el régimen
de seguridad física nuclear del Estado.
Las funciones de las autoridades
competentes deberían ser, entre otras:
§
Contribuir
a la elaboración de la estrategia nacional de detección y del plan nacional de
respuesta;
§
Desarrollar,
poner en funcionamiento y mantener los sistemas de detección nacionales, los
procedimientos de evaluación y el plan nacional de respuesta, y suministrar los
recursos necesarios para aplicar y someter a ensayo las actividades conexas;
§
Brindar
la capacitación y la información adecuadas a todo el personal que participa en
las medidas de detección y respuesta relacionadas con la seguridad física
nuclear;
§
Sostener
las capacidades de detección y respuesta y garantizar la preparación
operacional mediante prácticas de gestión sólidas, abordando las cuestiones de
mantenimiento de los instrumentos, capacitación del personal, realización de
ejercicios y mejora de los procesos;
§
Cooperar
con el órgano coordinador, otras autoridades competentes y las contrapartes
bilaterales y multilaterales, según proceda, en parte con miras a garantizar la
eficacia de los procedimientos y responsabilidades de detección y respuesta.
Las autoridades competentes deberían
cooperar en el intercambio de información pertinente sobre la seguridad física
nuclear de materiales nucleares y otros materiales radiactivos no sometidos a
control reglamentario dentro del Estado.
Cuando una organización o institución
desempeña sus funciones de seguridad física nuclear en su calidad de persona
autorizada, no se considera que esté actuando como autoridad
competente.12ocupan de todos los aspectos de la seguridad física nuclear. Si
procede, deberían cooperar asimismo con sus contrapartes en otros Estados.
Las autoridades reguladoras deberían
tomar las medidas adecuadas si se les notifica la existencia de materiales
nucleares u otros materiales radiactivos no sometidos a control reglamentario,
es decir, perdidos, desaparecidos o robados. En particular, deberían informar
con prontitud a las demás autoridades competentes en el caso de que existieran
sospechas de un acto delictivo o no autorizado con consecuencias para la
seguridad física nuclear.
EVALUACIÓN DE AMENAZAS A ESCALA
NACIONAL
A fin de preparar la estrategia
nacional de detección, el plan nacional de respuesta y de diseñar los sistemas
de seguridad física nuclear, el Estado debería identificar lugares estratégicos
y realizar una evaluación de amenazas a escala nacional respecto de actos
delictivos y actos no autorizados, con consecuencias para la seguridad física
nuclear relacionados con materiales nucleares u otros materiales radiactivos no
sometidos a control reglamentario. Las autoridades competentes deberían
trabajar estrechamente entre ellas y considerar, entre otras cosas:
·
Las
amenazas relacionadas con los movimientos y el transporte transfronterizo de
bienes y el movimiento de personas;
·
las
amenazas para los lugares estratégicos;
·
Los
lugares en los que se podrían adquirir, de manera delictiva o no autorizada,
materiales nucleares y otros materiales radiactivos sometidos a control
reglamentario, la vulnerabilidad ante esta situación y las consecuencias del
uso indebido de estos materiales;
·
Las
intenciones y capacidades de los posibles delincuentes que podrían querer
adquirir o usar estos materiales para cometer actos delictivos o no autorizados
con consecuencias para la seguridad física nuclear, o para transportarlos desde
o hasta el territorio del Estado o través del él.
El Estado debería establecer
procedimientos para el intercambio fiable y oportuno de informaciones sobre
amenazas relacionadas con la seguridad física nuclear, en el ámbito nacional e
internacional, de conformidad con sus políticas y reglamentos nacionales de
seguridad de la información y con sus obligaciones internacionales.
El Estado debería asignar prioridades
y diseñar sistemas de detección y respuesta basados en su evaluación de
amenazas a escala nacional y en un enfoque basado en el riesgo en combinación
con los siguientes puntos:
§
La
vulnerabilidad ante un acto delictivo o no autorizado con consecuencias para la
seguridad física nuclear dentro y fuera de sus fronteras;
§
El
atractivo relativo de los blancos identificados de una amenaza para la
seguridad física nuclear;
§
Las
posibles consecuencias de un acto delictivo o no autorizado con repercusiones
para la seguridad física nuclear en el que se utilicen materiales nucleares u otros
materiales radiactivos;
§
La
posible evolución de las amenazas o las vulnerabilidades.
El Estado debería actualizar la
evaluación de amenazas periódicamente y cada vez que surja la necesidad. En
particular, debería considerar la realización de una evaluación de amenazas
para cada acontecimiento público importante.
Usos y aplicaciones tecnológicas.
La tecnología
nuclear es la que está relacionada
con las reacciones de los núcleos atómicos de ciertos elementos.
La física ha jugado
un papel muy importante en el desarrollo de la tecnología, gracias a los
grandes científicos que se han como Albert Einstein, Isaac Newton, Charles Coulomb,
Galileo Galilei, Michel Faraday entre
muchos otros destacados físicos.
Puede
considerarse que la Física Nuclear
comenzó hace aproximadamente un siglo durante la “década milagrosa” entre
1895 y 1905 cuando se establecieron los fundamentos de prácticamente toda la física moderna. Es
más las técnicas experimentales e
instrumentaciones típicamente nucleares
tienen hoy en día un inmenso
campo de aplicación y un ejemplo
de estos es en la medicina, en la
industria de la minería, historia, medio ambiente.
APLICACIONES INDUSTRIALES.
El hecho de
poder disponer de fuentes radioactivas naturales o artificiales ha permitido que existan aplicaciones en muy diversos campos.
La
gammagrafía industrial es utilizada para estudiar si en la fabricación de diversas piezas se han producido fisuras o defectos internos que podrían alterar la calidad de la pieza.
Las
radiaciones gamma se usan también
para la realización de imágenes de
tuberías , soldaduras o detección
de grietas en piezas aerodinámicas de
aviones donde un defecto pequeño podría tener
graves consecuencias .Los rayo
X son utilizados en este mismo sentido ,
pero su energía es menor aunque nos
vamos acostumbrados , por desgracia
, a los cada vez mas
frecuentes detectores de metales de los aeropuertos , despachos oficiales , dependencias administrativas etc.
Existen además indicadores de nivel de tanques que se basan en la detección de las
radiaciones emitidas por una fuente y
detectadas a través de liquido de
llenado .También se utilizan fuentes
radioactivas , en el mismo sentid para la comprobación del llenado de botellas , cigarrillos , bombonas,
uniformidad del espesor de laminas de papel , la minas de acero , grosor de
aglomerados de madera , revestimiento
de de capas materiales , capas de pintura etc. Estos procesos suelen utilizar la transmisión de rayos gamma a
través de los materiales estudiados.
Algunos
equipos con fuentes radioactivas
sirven para medir densidad y
humedad de los suelos en relación con la construcción de obras civiles como puentes ,carreteras ,líneas de
ferrocarril .También son utilizados mezclados
con el hormigón para la
determinación de la calidad de
inyecciones de cemento que fijan grandes
obras de ingeniería en el mar ( bases de puentes ,plataformas petrolíferas etc.)
En
minería también son importantes estos estudios , que suelen
completarse también con técnicas
neutrónicas .Entre las aplicaciones analíticas de las fuentes gamma usadas en minería puede destacarse el control del azufre (impurezas )en los productos
petrolíferos circulando por
oleoductos o en el de cenizas de hulla o lignito en cintas transportadoras
FÍSICA NUCLEAR Y MEDICINA.
La física
medica es la rama de la física que tiene que ver con la aplicación de la
física a la medicina se ocupa de forma
principal a la aplicaciones de
radiaciones ionizantes al diagnostico y tratamiento de enfermedades.
La física
atómica y nuclear tuvo un papel muy
importante durante el siglo XX en el desarrollo de instrumentación, teorías y técnicas aplicadas en este campo; se usan
rayos X de baja energía (Radiología diagnostica)
y rayos Y (medicina nuclear) . En procesos
terapéuticos se usan rayos X y
rayos Y o electrones de mega voltaje
(radioterapia) .La imagen de resonancia magnética (MRI)
ha sido otra aportación
importante de la física nuclear a la medicina .Las cuatro
subespecialidades a las que en la
investigación en física atómica y
nuclear ha aportado más son las
siguientes:
·
imagen
diagnostica con rayos X.
·
imagen diagnostica con radio nucleídos.
·
tratamiento del cáncer con radiaciones ionizantes.
·
estudio de los riesgos de las radiaciones ionizantes y protección
radiológica.
El estudio y
uso de las radiaciones ionizantes en Medicina empezó con tres importantes descubrimientos los rayos X por W Roentgen en 1895 , la radioactividad natural por H.
Becquerel en 1896 , y el radio por Pierre y Marie Curie en 1898.
FÍSICA NUCLEAR, AGRICULTURA Y ALIMENTACIÓN.
La población
mundial esta aumentado a pasos
agigantados y se hace mas necesaria la búsqueda de nuevas técnicas para poder mantener alimentos
conservados que puedan ser transportados
a diversos lugares y consumidos en diferentes ocasiones , las técnicas de
conservación tradicionales , se ha venido a proponer de la esterilización y conservación de los alimentos por
irradiación ; los alimento se irradian y
no solo se consigue eliminar insectos , durante su etapa de almacenamiento , sino también la inhibición de la brotacion en bulbos .
Si la
irradiación se
aplica cuando los alimentos están
herméticamente envasados entonces se
produce la muerte de los microorganismos
que deterioran el producto y el retardo
enzimático de la maduración de fruta o
la inhibición de germinación de semillas entre otros efectos.
Se usan
materiales radioactivos para estudiar la
eficacia de fertilizantes , la
absorción por las plantas y el
nivel de degradación de insecticidas las aéreas de
raíces activas en los arboles ,
la eficacia de sistemas de riego .
Otro uso extendido en la agricultura es la irradiación con objeto de obtener modificaciones genéticas que resulten en la mejora de la
producción de especies alimentarias
nuevas o ya existentes. Además también
se utiliza la irradiación para la lucha de
determinadas plagas.
También se ha utilizado
la irradiación para el estudio y conservación de obras de arte o
descubrimiento de falsificaciones
artísticas o históricas , en la conservación de obras de arte se ha logrado erradicar la presencia de insectos xilófagos , hongos y otros elementos destructivos sometiendo a las piezas a una fuente radioactiva .Para el estudio de la
pigmentación en cuadros y esculturas
suelen utilizarse la técnica de fluorescencia
en rayos X , de esta manera se han conseguido
ciertas diferencias en los colores utilizados en las obras , su
composición y ayudar así en la
determinación de obras originales o
copias posteriores.
APLICACIÓN DE LA FISICA NUCLEAR CON REACTORES NUCLEARES.
Los reactores nucleares
de fisión proporcionan una fuente de neutrones intensa y estable con la
que lleva a cabo una amplia variedad de
experimentos. Desde el punto de vista de la física nuclear aplicada puede destacarse dos
aplicaciones fundamentales: la
activación neutrónica y la difracción de neutrones.
ACTIVACIÓN NEUTRONICA.
Esta técnica consiste
en el bombardeo de una muestra con
neutrones con objeto de producir
reacciones de captura de tipo aX (n, Y) A+1.
La detección de la radiación y
emitida inmediatamente tras la captura las radiaciones que siguen la desintegración del núcleo
ayudan a identificar y cuantificar la presencia de aX en la muestra .La conexión entre la
información experimental obtenida y
las concentraciones de muestra no es fácil pero si es posible.
DIFRACCIÓN DE NEUTRONES.
Un uso cada vez más
frecuentes aunque no reciente de los
neutrones producidos en un reactor nuclear es el que conduce a estudios de estructuras cristalinas mediante la
difracción de neutrones .Desde
1912 se conoce la posibilidad de usar la
difracción de rayos X para estudiar la
estructura de los sólidos.
Y ya en 1927 se desarrollo una técnica similar a la de
difracción de electrones .La
contribución fundamental de esta
ultima técnica radica en su
capacidad para estudiar capas delgadas y superficies .En lo que se refiere a
neutrones , se pudieron obtener patrones
de difracción en materiales desde
prácticamente 1936 poco después del descubrimiento del neutrón. Ello constituyo
, de hecho , una nueva prueba de la
dualidad onda partícula de la materia .En efecto si bien las longitudes de onda asociada a los neutrones de fisión , que son rápidos ,
que son excesivamente pequeñas
comparadas con la de los átomos no
ocurre así con los neutrones térmicos.
Respecto de las bien
conocidas técnicas de difracción de rayos X
y electrones la difracción de neutrones ofrece varias ventajas .Dado que
no tiene carga , los neutrones pueden
explotar regiones más profundas de los materiales . Y como
experimentan interacción nuclear pueden
proporcionar información sobre la estructura isotópica del cristal analizado .Una
consecuencia de ello , no trivial
de deducir , es que la resolución entre
elementos cercanos del sistema
periódico es mejor con neutrones que con rayos X y electrones .
Como ya vimos el uso de la Física Nuclear en la actualidad es indispensable sin ella
no tendríamos todos estos aparatos tan maravillosos que
nos hacen mas sencillas nuestras
actividades de todo tipo así que esta gran tecnología juega un papel importante en la vida de todos
nosotros.
FUNDAMENTOS FÍSICOS QUE INTERVIENEN.
›ñElectrón
ñ›Protón
ñ›Neutrón
ñFotón
ñ›Neutrino
ñMasa
atómica
ñ›Número
de
Avogadro y masa molar de un elemento
ñ›Masa
molecular
ñ›Energías
química
y nuclear
ñ›Modelo
nuclear
ñ›Relación
entre
la masa y la energía
ñ›Energía
de
enlace
ñ›Nomenclatura
de
las reacciones nucleares
ݖLa
radiación
ݖFuentes
de radiación
ñ›La rapidez
del decaimiento radioactivo
Bibliografía:
›http://urania.udea.edu.co/sitios/cece/pages/fundamentos-astrofisica-estelar.rs/files/fundamentos-astrofisica-estelar3t9sp/files/elemfilesa8cud/presentaciona-diploma-estrellas-fisica_nuclear.pdf›http://www.cie.unam.mx/posg_ing/Apuntes-Fundamentos_de_Ingenieria_Nuclear.pdf›http://antifoton.blogspot.mx/2009/09/fundamentos-de-la-fisica-nuclear.html
Yerenia. Saludos.Buen trabajo, queda registrado. Falta la información de la semana 13.
ResponderEliminarProf. Agustín.