Fundamentos de Física Nuclear: Estructura, Radiación y Estabilidad Atómica

Conceptos Básicos del Núcleo Atómico

• Número atómico (Z): Número de protones.
• Número másico (A): Protones + neutrones.
• N: Número de neutrones.

Tamaño del núcleo atómico

El radio se calcula mediante la fórmula: R = 1,2 × 10⁻¹⁵ × A¹/³ (m), donde A es el número másico.

Ejemplo: Si A = 56, R = 1,2 × 10⁻¹⁵ × √³56 ≈ 4,6 × 10⁻¹⁵ m.

Tipos de Radiación

• a) Emisiones alfa: Son núcleos de helio (He). Tienen bajo poder de penetración (una hoja de papel o la piel humana las detiene). Se detectan con papel fotográfico o cámaras de niebla. Poseen carga eléctrica positiva (2p+) y la masa de sus cuatro nucleones.
• b) Emisión beta: Son electrones con un poder de penetración mediano; pueden ser detenidos por una lámina delgada de aluminio. Su velocidad alcanza 0,9 veces la velocidad de la luz en el vacío (3 × 10⁸ m/s).
• c) Emisiones gamma: Son radiaciones electromagnéticas (fotones) de alta energía, con frecuencias entre 3 × 10¹⁶ Hz y 3 × 10¹⁹ Hz. Los rayos X tienen la misma naturaleza pero menor energía. Su poder de penetración es muy alto; requieren varios centímetros de plomo o un muro de hormigón de al menos 3 metros de espesor.

Propiedades y Leyes Nucleares

La equivalencia entre la masa y la energía se define por la expresión de la teoría de la relatividad:

E = mc²

El espín es una propiedad física de las partículas elementales por la cual tienen un momento angular intrínseco de valor fijo.

Los isótopos son átomos con igual número atómico (protones), pero diferente número másico (suma de neutrones y protones). Difieren, por tanto, en el número de neutrones.

Fuerzas y Estabilidad Nuclear

Una fuerza nuclear tiene su origen exclusivamente en el interior de los núcleos atómicos. Existen dos tipos:

• Fuerza fuerte: Actúa sobre los nucleones.
• Fuerza débil: Actúa en el interior de los mismos.

Un núcleo es estable cuando existe un equilibrio entre las fuerzas que actúan, o cuando las fuerzas atractivas son mayores que las repulsivas. Es decir, la interacción nuclear fuerte es superior a las fuerzas de repulsión eléctrica de los protones. De lo contrario, el núcleo sufrirá una transformación para estabilizarse.

Radiactividad y Vida Media

La radiactividad es un fenómeno físico por el cual los núcleos de algunos elementos químicos emiten radiaciones capaces de impresionar placas radiográficas, ionizar gases, producir fluorescencia y atravesar cuerpos opacos. Por ello, se denominan radiaciones ionizantes.

La vida media (τ) es el promedio de vida de un núcleo o partícula subatómica antes de desintegrarse. La desintegración es un proceso probabilístico (sigue la ley de Poisson), por lo que no indica el tiempo exacto de desintegración de un núcleo específico. No debe confundirse con el periodo de semidesintegración o semivida.

Los isótopos radiactivos presentan distintos grados de inestabilidad y decaen siguiendo series radiactivas particulares. La vida media es el concepto clave para medir la velocidad de estas desintegraciones.