Isotopos Radiactivos Jose Javier Flores Morales y Marina Berenguel Márquez

Ernest Rutherford- Teresa Soriano y Claudia Salas.

Ernest Rutherford

1. Biografía.

 

 

 Nació en Nelson, Nueva Zelanda en 1871. Fue un fisico y químico británico. Tras licenciarse, en 1893, en Christchurch, Ernest Rutherford se trasladó a la Universidad de Cambridge para trabajar como ayudante de Thomson. En 1898 fue nombrado catedrático de la Universidad McGill de Montreal, en Canadá. A su regreso al Reino Unido se incorporó a la docencia en la Universidad de Manchester, y en 1919 sucedió al propio Thomson como director del Cavendish Laboratory de la Universidad de Cambridge.

Por sus trabajos en el campo de la física atómica está considerado como uno de los padres de esta disciplina. Investigó también sobre la detección de las radiaciones electromagnéticas y sobre la ionización del aire producida por los rayos X.

Los experimentos llevados a cabo por Rutherford permitieron el establecimiento de un orden de magnitud para las dimensiones reales del núcleo atómico.

Ernest Rutherford murió en Inglaterra en 1937 a los 66 años,  fue enterrado en la abadía de Westminster, junto a personajes como Isaac Newton y Kelvin.

2. Modelo atómico.

El modelo atómico de Rutherford es un modelo atómico creado para explicar  los resultados de su "experimento de la lámina de oro", realizado en 1911.

El modelo de Rutherford fue el primer modelo atómico que consideró al átomo formado por dos partes: la corteza, constituida por todos sus electrones, girando a gran velocidad alrededor de un núcleo; que concentra toda la carga eléctrica positiva y casi toda la masa del átomo.

Rutherford llegó a la conclusión de que la masa del átomo se concentraba en una región pequeña de cargas positivas que impedían el paso de las partículas alfa. Presentó un nuevo modelo en el cual el átomo poseía un núcleo o centro en el cual se concentra la masa y la carga positiva, y que en la zona extranuclear se encuentran los electrones de carga negativa.

3. Experimento de Rutherford.

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En 1911 se realizó en Manchester una experiencia encaminada a corroborar el modelo atómico de Thomson. Fue llevada a cabo por Geiger, Marsden y Rutherford, y consistía en bombardear con partículas alfa una fina lámina de metal. El resultado esperado era que las partículas alfa atravesasen la fina lámina sin apenas desviarse. Para observar el lugar de choque de la partícula colocaron, detrás y a los lados de la lámina metálica, una pantalla fosforescente.

 

Los resultados fueron sorprendentes. Tal y como esperaban, la mayor parte de las partículas atravesó la lámina sin desviarse. Pero algunas sufrieron desviaciones grandes y, lo más importante, un pequeño número de partículas rebotó hacia atrás

Estos hechos no podían ser explicados por el modelo atómico de Thomson, de modo que Rutherford abandonó dicho modelo y elaboró otro, sugiriendo lo que se conoce como átomo nuclear. En 1913 el modelo de Rutherford fue reemplazado por el de Bohr.

Neils Bohr / Sandra Clemente y Javier Galdeano

Neils Bohr

Biografía

Nació y murió en Copenhague (1885 – 1962), hijo de Christian Bohr y Ellen Adler. Tras doctorarse en la Universidad de Copenhague (1911) e intentar la ampliación de estudios en el Cavendish Laboratory de Cambridge con el químico John Thomson, completó sus estudios en Manchester, teniendo como maestro a Ernest Rutherford, con el que estableció una duradera relación científica y amistosa. En 1916, Bohr comenzó a ejercer como profesor de física teórica en la Universidad de Copenhague, consiguiendo los fondos para crear el Instituto Nórdico de Física Teórica, que dirigió desde 1920 hasta su fallecimiento. En 1943, con la Segunda Guerra Mundial,Bohr escapó a Suecia para evitar su arresto por parte de la policía alemana, viajando posteriormente a Londres. Una vez a salvo, apoyó el desarrollo de armas atómicas y trabajó para ello en el Proyecto Manhattan de Los Álamos, Nuevo México. Bohr es conocido por realizar importantes contribuciones para la comprensión de la estructura del átomo y  fue ganador del Premio Nobel de Física de 1922.

Modelo atómico de Bohr

Fue propuesto en 1913 para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos. Neils se basó en el átomo de hidrógeno para crear este modelo. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción que se observan en los gases. Describió el átomo con un núcleo donde están los protones y los neutrones, y los electrones girando alrededor del núcleo en unas órbitas concretas. Según Bohr, los electrones pueden “saltar” de una órbita a otra aportándole energía.

Fallos del modelo atómico de Bohr

►El principal fallo fue creer que los electrones se situaban en unas órbitas fijas.

►Esta teoría solo puede aplicarse a átomos hidrogenoides, es decir que solamente tengan un electrón en su corteza.

►Por otra parte, en el modelo atómico de Bohr se encuentran conviviendo de forma un tanto artificial la Mecánica Clásica y la Mecánica Cuántica, esto hace que los nuevos números cuánticos que van apareciendo lo hacen un poco forzados por los resultados experimentales.

Tabla Periodica- Francisco Garcia, Juan Francisco, Marco Antonio.

Desde hace siglos las personas han querido saber de qué está hecha la materia que nos rodea. Al principio creían que la materia estaba hecha de agua, fuego, aire y tierra, pero gracias a la mejora de las técnicas de la experimentación física y química, se dieron cuenta de que la materia es mucho más compleja que todo eso, y por el siglo XIX, los científicos vieron la necesidad de ordenar los elementos que eran descubiertos.
Desde el siglo XIX hasta hoy, la tabla periódica ha ido evolucionando de la siguiente forma hasta llegar a la que hoy conocemos gracias al estudio de numerosos científicos:

-Döbereiner (1780-1849)


Fue un químico alemán que descubrió en 1829 las tríadas en ciertos elementos químicos, que representa le existencia de similitudes entre elementos agrupados en tríos. Ej: el
cloro, el bromo y el yodo.
Se pudieron contar unas 20 tríadas para clasificarlas coherentemente

-Chancourtois (1820-1886) y Newlands (1837-1898)

Chancourtois (geólogo francés) y Newlands (químico inglés) anuncian en 1864 la ley de las octavas. Esta ley mostraba un orden de los elementos químicos (los cuales se agrupaban por grupos) que compartían propiedades muy similares entre sí, las propiedades se repiten cada ocho elementos. Pero esta ley no puede aplicarse a los elementos más allá del  Calcio. Esta clasificación es por lo tanto insuficiente, pero la tabla periódica comienza a ser diseñada.
-Meyer (1830-1895)

En 1869, el químico alemán pone en evidencia una cierta periodicidad en el volumen atómico. Para fundamentarla, Meyer estudió globalmente su variación y aplicó conceptos de la estructura cinético-corpuscular de la materia para determinar volúmenes relativos de los elementos.
-Mendeleïev (1834-1907)

En 1869, Mendeleïev, el químico ruso, presenta una primera versión de su tabla periódica. Esta tabla fue la primera presentación coherente de las semejanzas de los elementos.

 Él se dio cuenta de que clasificando los elementos según sus masas atómicas se veía aparecer una periodicidad en lo que concierne a ciertas propiedades de los mismos. La primera tabla contenía 63 elementos.

Mendeliëev propuso una ley periódica:

“Cuando los elementos se estudian en orden creciente de sus pesos atómicos, la similitud de las propiedades ocurre periódicamente, es decir, las propiedades de los elementos son función periódica de sus pesos atómicos”

La tabla de Mendeleïev condujo a la tabla periódica actual, la cual fue diseñada por Werner.

La tabla periodica actual fue creada por el químico alemán J. Werner, ayudandose de la Ley Periódica de Henry Moseley y la configuracion electrónica de los átomos, los cuales, se ponen en la tabla para ponerlos de mayor a menor. Hay 109 elementos. Se representan los elementos encontrados en la naturaleza, como los obtenidos en el laboratorio por medios de reacciones nucleares.

Los periodos son el orden de los elementos en línea horizontal.

Esta constituida por 7 filas: 

-Los 3 primeros periodos se llaman cortos.

-El cuarto y quinto se llaman largos. 

-El sexto y el septimo se llaman extralargos.

Hay 18 columnas divididas en:

-GRUPO A:

  -La configuración electrónica de sus átomos neutros terminan en el subnivel “s” o “p”.

-GRUPO B:

  -La configuración electrónica de sus átomos neutros termina en el subnivel “d”.

  -La configuración electrónica de sus átomos neutros termina en el subnivel “f”

CLASIFICACION DE LOS ELEMENTOS QUIMICOS:

Metales: Son conductores del calor y electricidad, se oxidan, son de carga positiva, son líquidos exceptuando el mercurio.

No Metales: No son conductores del calor y electricidad, se reducen, son oxidantes, son de carga negativa, la mayoria estan a temperatura ambiente.

Metaloides: Tienen propiedades metálicas y no metálicas.

Gases nobles: Se ubican en el extremo derecho de la tabla, tienen 8 electrones de valencia excepto el helio, no se combinan con ningun elemento, sus moléculas son monoatómicas.

Energía Nuclear - Antonio Segovia, María del Carmen Moya y Andrea Murcia

Energía nuclear

-Cómo funciona una central nuclear.

El principal uso que se le da actualmente a la energía nuclear es el de la generación de energía eléctrica. Las centrales nucleares son las instalaciones encargadas de este proceso.

Prácticamente todas las centrales nucleares en producción utilizan la fisión nuclear. (En energía nuclear llamamos fisión nuclear a la división del núcleo de un átomo. El núcleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones.)

El funcionamiento de una central nuclear es idéntico al de una central térmica que funcione con carbón, petróleo o gas excepto en la forma de proporcionar energía calorífica (calor) en el agua para convertirla en vapor. En el caso de los reactores nucleares este calor se obtiene mediante las reacciones de fisión nuclear de los átomos del combustible nuclear.

Vídeo sobre el funcionamiento de las centrales nucleares

-Centrales nucleares en España.

España cuenta con ocho centrales nucleares en funcionamiento. Tienen una edad media de 32 años aunque se diseñaron inicialmente para una vida útil de 25-30 años. Garoña es la más antigua con más de 40 años de actividad. Su diseño es idéntico a la central nuclear de Fukushima.

Las 8 centrales son:

-José Cabrera, más conocida como Zorita. Guadalajara, 1968. Clausurada en 2006 por sus numerosos problemas técnicos.

-Santa María de Garoña. Burgos, 1971. Parada desde 2012.

-Vandellós I. Tarragona, 1972. Cerrada en 1990 tras un accidente.

-Almaraz I y II. Cáceres, 1981 y 1983.

-Ascó I y II. Tarragona, 1983 y 1985.

-Cofrentes. Valencia, 1984.

-Vandellós II. Tarragona, 1987.

-Trillo. Guadalajara. 1988.

-Problemas derivados de la obtención de energía nuclear

Uno de los principales problemas del uso de la energía nuclear son los residuos nucleares ya que son muy peligrosos y difíciles de eliminar. Si estos residuos no se tratan bien, resultan altamente peligrosos para la población y el medio ambiente.

Los residuos radiactivos se pueden clasificar según sus características físicas y químicas y por su actividad:

-Residuos nucleares de alta actividad. (Uranio o plutonio usado)

-Residuos nucleares de media actividad. (Materiales contaminados con isótopos radioactivos)

-Residuos nucleares de baja actividad. (Tienen su origen al desmantelar las centrales nucleares)

El aislamiento se lleva a cabo con una serie de barreras:

Barrera química: inmoviliza el residuo en una matriz sólida, estable y duradera, que sea químicamente inerte. Esta operación se conoce como acondicionamiento. Los materiales más empleados para la matriz son: cemento, asfalto y polímeros.

Barrera física: es el contenedor donde están confinados los residuos nucleares inmovilizados evitando así su contacto con el exterior y su posible dispersión. Los contenedores son bidones metálicos, resistentes a la corrosión y con una elevada conductividad de energía calorífica que permita la evacuación del calor residual.

Barrera de ingeniería: constituida por las estructuras, blindajes y sistemas de almacenamiento.

Barrera geológica: está constituida por la formación geológica de la corteza terrestre donde se almacenan los residuos nucleares. Debe ser estable e impermeable, deteniendo así el escape de la radioactividad al medio ambiente en el caso de que superasen las tres barreras anteriores.

-Centrales nucleares del futuro

La forma en la que hasta ahora nos hemos librado de la basura nuclear ha sido  enterrándola lo más hondo posible en algún lugar.

Según los científicos del MIT eso podría terminarse ya que afirman haber dado con la forma de reutilizar desechos nucleares para generar suficiente energía como para abastecer el mundo hasta 2083. Pretenden hacerlo a base de nuevos reactores que funcionan con desechos nucleares como combustible.

Básicamente estos se basan en reactores de sal fundida, son plantas energéticas que utilizan una mezcla de sales radioactivas fundidas para generar calor. El calor genera vapor, como en las centrales nucleares clásicas, y éste electricidad. Como el combustible se encuentra en estado líquido, es mucho más fácil de manipular y mucho más seguro.

-¿Por qué no es llevado a cabo?

El proyecto MSRE, las siglas en inglés de “experimento de reactores de sal fundida”, lleva haciendo pruebas desde los años sesenta del siglo pasado. Se llevó a cabo un programa de pruebas extensivas y un programa de producción energética durante 5 años. Todos ellos con un éxito. De hecho, incluso se planteo la idea de comenzar a sustituir algunas de las centrales de fisión nuclear por estos novedosos reactores de sal fundida. Sin embargo, la prosperidad de las energías renovables junto con algunos importantes accidentes nucleares (como el de Chernobyl o el de la planta de Fukushima, más adelante) pararon por completo el interés de desarrollo en esta tecnología.

-Chernobyl

El accidente nuclear de Chernobyl (1986) es, con diferencia, el accidente nuclear más grave de la historia de la energía nuclear. Fue clasificado como nivel 7 (accidente nuclear grave) de la escala INES, el valor más alto. Aunque es el mismo nivel en el que se clasificó el accidente nuclear de Fukushima, las consecuencias del accidente de Chernobyl fueron todavía mucho peores.

La central nuclear de Chernobyl se encuentra junto a la ciudad de Prypyat, a 18km de la ciudad de Chernobyl.

En el momento del accidente la central nuclear Chernobyl disponía de 4 reactores en funcionamiento y dos más estaban en construcción.

En el 9 de septiembre de 1982, tuvo lugar una fusión parcial de la base en el reactor nº 1 de la planta. Aunque debido al secretismo de la Unión soviética, no se informó a la comunidad internacional hasta el 1985. Se reparó y continuó funcionando.

El accidente grave se produjo en 1986, cuando explotó el reactor número 4. Posteriormente, a pesar de la gravedad del accidente y debido a las necesidades energéticas los reactores 1, 2 y 3 siguieron en marcha.

El reactor nuclear 2 de Chernobyl se cerró en el 1991, el reactor 1 en el 1996 y el reactor tres dejó de funcionar en el 2000.

Durante los siete meses siguientes al accidente, los restos del reactor nuclear 4 accidentado fueron enterrados por los liquidadores, mediante la construcción de un “sarcófago” de 300.000 toneladas de hormigón y estructuras metálicas de plomo para evitar la dispersión de los productos de la fisión nuclear. En principio, este sarcófago fue una solución provisional y debía estar bajo estricto control dada su inestabilidad a largo plazo, ya que podía producirse un hundimiento.

Más fotos sobre este fatídico suceso, hace 30 años.

Propiedades de las sustancias según el tipo de enlace

  

Otras partículas subatómicas y los aceleradores de partículas - Por Pablo Villanueva Guillén y Marina García Camacho

Otras partículas subatómicas

LOS FOTONES

En el siglo XVII, Isaac Newton defendió la teoría que afirmaba que la luz son partículas. En esos mismos años, Huygens y Hooke (rivales de Newton) apoyaron la hipótesis que decía que la luz es una onda.

A pesar de que parezcan completamente distintas, ambas teorías fueron esenciales para que Albert Einstein, entre 1905 y 1917, desarrollara el concepto de fotón, al que originalmente llamó “cuanto de luz”. 

La luz está formada por fotones. Por tanto, podemos definir al fotón como una partícula de luz que se propaga en el vacío, y que es portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio.

El fotón no posee masa. Se comporta como una onda en algunos fenómenos, como la refracción que tiene lugar en una lente, y como una partícula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energía. Los fotones son aquellos que permiten tanto la percepción visual y la distinción de los colores.

El concepto de fotón es necesario para explicar el fenómeno fotoeléctrico y otros fenómenos que requieren que la luz tenga carácter de partícula. Con el concepto de fotón se han llevado a cabo avances muy importantes en la física teórica y experimental, y se han creado inventos como el láser.

Además, los fotones se aplican en muchas otras áreas, como la fotoquímica, el microscopio fotónico y la medición de distancias moleculares.

LOS QUARKS

Hasta la mitad del siglo pasado, la física de las partículas era relativamente simple. Las únicas partículas atómicas elementales conocidas eran el electrón (cargado negativamente), el protón (cargado positivamente),  el neutrón (sin carga) y el neutrino. Pero la mejora de los medios de detección ha permitido conocer la existencia de un número increíble de partículas diferentes. Esto sugería la existencia de partículas aún más elementales cuyas diferentes combinaciones serían las responsables de semejante variedad de partículas.

Los progresos teóricos en los años sesenta condujeron a los físicos a la conclusión de que protones y neutrones eran, de hecho, sistemas complejos que poseían una estructura interna, y que estaban constituidos por partículas más elementales que llamaron “quarks”. Estos trabajos mostraron que debían existir seis tipos de quarks, que fueron llamados: up (arriba), down (abajo), charm (encanto), strange (extraño), top (cima) y bottom (fondo).

En condiciones ordinarias, los quarks no existen en estado aislado; se les encuentra sólo asociados en pequeños grupos llamados “hadrones”. Existen dos tipos de hadrones: los bariones, formados por tres quarks, y los mesones, formados por un quark y un antiquark. Los dos bariones que constituyen los núcleos de los átomos son: el protón, formado por dos quarks “up” (arriba) y un quark “down” (abajo), y el neutrón, constituido de dos quarks “down” y un quark “up”.

LOS LEPTONES

Además de los quarks, se encuentra una segunda categoría de partículas elementales: los leptones. Los dos ejemplos más conocidos son el electrón y el neutrino. El electrón es una partícula de carga negativa que ayuda a los protones y neutrones a formar átomos. El neutrino es una partícula que interactúa muy poco con la materia ordinaria.

Los quarks, junto con los leptones, son los constituyentes fundamentales de la materia.

¿Qué es un acelerador de partículas?

Los físicos, hasta el siglo XX, aún estudiaban las propiedades de la materia macroscópicamente. Fue a finales del siglo XIX que los científicos mostraron interés por el mundo atómico y de las moléculas. En estas épocas por así decirlo la moda eran otros tipos de ciencias, no la física experimental, pues todavía no existían los medios necesarios para comprobar teorías y llevarlas a la práctica.

Al acelerador de partículas podría considerárselo como el mayor juguete de los físicos, pues supera en tamaño, complejidad… A cualquier otro.

El acelerador de partículas utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas hasta altas velocidades, y así, colisionarlas con otras partículas. De esta manera, se generan multitud de nuevas partículas que -generalmente- son muy inestables y duran menos de un segundo. Esto permite estudiar más a fondo las partículas que fueron colisionadas por medio de las que fueron generadas (estudiar el mundo subatómico y descubrir nuevas partículas). Los aceleradores de partículas imitan, en cierta forma, la acción de los rayos cósmicos sobre la atmósfera terrestre, lo cual produce al azar una lluvia de partículas exóticas e inestables.

Sin embargo, los aceleradores prestan un entorno mucho más controlado para estudiar estas partículas generadas, y su proceso de desintegración.

La mayoría de aceleradores constan de estas partes básicas:

-Una fuente de partículas elementales ionizadas.

-Un tubo con un vacío parcial donde se desplazan las partículas.

 -Un sistema para aumentar la velocidad de dichas partículas.

 -Un anillo de almacenamiento (este último no es preciso en todos los aceleradores).

Entre todos los aceleradores de partículas existen dos tipos distintos:

ACELERADORES LINEALES

El acelerador lineal también llamado LINAC (linear accelerator) es un tipo de acelerador en el cual las partículas son aceleradas a lo largo de una trayectoria recta sobre una línea, lo que hace que el tiempo disponible para el aceleramiento y la energía lograda por las partículas se vean limitados por las dimensiones de las que dispongan las instalaciones o simplemente del aparato, a diferencia de los circulares, que permiten que las partículas viajen muchas veces a lo largo de una circunferencia.

ACELERADORES CIRCULARES

En un acelerador circular, las partículas se mueven en una trayectoria casi circular hasta alcanzar la energía necesaria. Esa trayectoria se consigue usando potentes campos magnéticos. La ventaja sobre los lineales es que de esa forma podemos mantener una continua aceleración, dado que las partículas pueden circular todo el tiempo que se necesite. Otra ventaja es que son relativamente más pequeños que los aceleradores lineales de potencia semejante.

Dependiendo de la energía y del tipo de partículas aceleradas, los aceleradores circulares diseñados para la Física de Partículas tienen la desventaja de emitir radiación sincrotrón. Esto provoca una continua pérdida de energía y los problemas asociados a la presencia de este tipo de radiación.

En la imagen se ve una bolita girando rápidamente que en realidad sería imposible verla pues alcanza velocidades que llegan a rivalizar con las de la luz. Gracias a eso, en la colisión se producirán varias partículas.

EL GRAN COLISIONADOR DE HADRONES

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) es el mayor acelerador de partículas del mundo. En este experimento, los físicos del Laboratorio Europeo de Física de Partículas hacen chocar entre sí partículas subatómicas (principalmente protones, uno de los constituyentes del núcleo del átomo) en puntos seleccionados donde se ubican grandes detectores. Estos registran las partículas resultantes de las colisiones para estudiar los elementos que componen la materia de la que está hecho el Universo, incluidos nosotros mismos, y sus interacciones.

Situado en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra, el LHC es un anillo de 27 kilómetros de circunferencia ubicado a 100 metros bajo tierra. Es una de las máquinas más complejas construida nunca: cuenta con 9.300 imanes superconductores, fundamentales para hacer girar los haces de partícula.

Fue inaugurado en 2008, pero no empezó a funcionar hasta finales de 2009. En 2010 alcanzó los 7 teraelectrovoltios (TeV) de energía de colisión entre partículas, la mayor registrada en un experimento de este tipo.

El LHC se mantendrá operativo al menos 15 años. En ese tiempo, los científicos esperan obtener datos suficientes para profundizar en el conocimiento del origen y formación del Universo.