Objetivos del curso:
- Entender la estructura del núcleo atómico
- Identificar los tipos de radiación y sus propiedades
- Aplicar las leyes de decaimiento radiactivo
- Comprender las aplicaciones y riesgos de la radioactividad
Prerequisites::
- Conceptos básicos de química (átomo, electrones, protones)
- Conocimientos de física de secundaria (energía, fuerzas)
- Interés en las ciencias naturales
I. Introducción a la Física Nuclear
La física nuclear estudia los componentes y las interacciones dentro del núcleo atómico. Este campo es fundamental para entender desde la energía que usamos hasta los riesgos de la radiación.
En Colombia, la radioactividad tiene aplicaciones importantes, como en la medicina nuclear. Por ejemplo, el hospital de la Universidad Nacional usa isótopos para tratamientos.
Definición: Núcleo atómico: parte central del átomo que contiene protones y neutrones, responsabilidad de casi toda su masa.
El estudio de la física nuclear comenzó a principios del siglo XX con las obras de Rutherford y Einstein. Hoy, es clave para la tecnología moderna.
Key point: El núcleo atómico es muy pequeño (10^-15 m) pero contiene casi toda la masa del átomo.
II. Estructura del Átomo y Núcleo
Un átomo está compuesto por un núcleo con protones (carga positiva) y neutrones (sin carga), rodeado de electrones (carga negativa).
En Colombia, los isótopos se usan en agricultura para mejorar cultivos, como el fosforo-32.
Teorema: La carga total del núcleo es positiva e igual en magnitud a la de los electrones, haciendo al átomo neutro.
Los isótopos son átomos del mismo elemento con diferentes números de neutrones. Por ejemplo, el carbono-12 y carbono-14 son isótopos.
Ejemplo: El uranio-238 es un isótopo natural usado en reactores nucleares. Su vida media es de ~4.5 mil millones de años.
¡Cuidado! No confundir isótopos con isóbaros o isótonos. Los isótopos difieren en el número de neutrones, no de protones.
Key point: El número atómico (Z) define el elemento; el número másico (A) la suma de protones y neutrones.
III. Tipos de Radiación
La radiación puede ser ionizante (modifica átomos) o no ionizante (ondas de radio). Nos enfocamos en la ionizante, típica de la radioactividad.
En Bogotá, los hospitales usan radiación gamma para esterilizar equipos médicos.
Definición: Radiación alfa: partículas de helio (2 protones + 2 neutrones), poco penetrantes pero muy ionizantes.
Definición: Radiación beta: electrones o positrones de alta energía, más penetrantes que la alfa.
Definición: Radiación gamma: ondas electromagnéticas de alta frecuencia, muy penetrantes.
Ejemplo: La radiación alfa del polonio-210 se usa en sensores de humo. Su rango es de pocos centímetros.
Solución: Si un sensor tiene 5 cm de rango, la radiación alfa no lo atravesará, pero es segura para humanos a esa distancia.
¡Cuidado! La radiación gamma requiere blindaje grueso (plomo), no como la alfa que se detiene con un papel.
Key point: La penetración: alfa < beta < gamma. La ionización: alfa > beta > gamma.
IV. Leyes de Decaimiento Radiactivo
El decaimiento radiactivo es un proceso espontáneo donde un isótopo inestable se transforma en otro más estable, emitiendo radiación.
En la industria colombiana, se usa el cobalto-60 para radiografías de piezas metálicas.
Ley de decaimiento: $N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$ donde:
$N(t)$ = número de átomos en el tiempo t
$N_0$ = número inicial de átomos
$\lambda$ = constante de decaimiento
Ejemplo: El yodo-131 tiene una vida media de 8 días. Si tenemos 100 g inicialmente, ¿cuánto queda después de 24 días?
Solución: Como 24 días = 3 vidas medias, queda $$1$ g.
¡Cuidado! La vida media no es el tiempo de decaimiento total. Después de 10 vidas medias, queda solo el 0.1% de la muestra.
Key point: La constante de decaimiento $\lambda$ se mide en s-1; su unidad. La actividad $A = \lambda N$ se mide en becquerels (Bq).
V. Aplicaciones y Riesgos de la Radioactividad
La radioactividad tiene usos médicos, industriales y energéticos, pero también riesgos si no se controla.
En Colombia, la central de Cajamarca (Cesar) usa uranio para generar energía, produciendo ~700 MW.
Ejemplo: En medicina, el tecnicio-99m se usa para escáneres. Su vida media es de 6 horas, lo que permite uso seguro.
Solución: Después de 24 horas (4 vidas medias), menos del 6% queda, minimizando la exposición del paciente.
¡Cuidado! La exposición prolongada a radiación puede causar cáncer. Siempre usa dosimetría personal en laboratorios.
Key point: La dosis se mide en sieverts (Sv). Exposiciones >1 Sv son peligrosas; 0.02 Sv/año es el límite legal para trabajadores.
VI. Ejercicios de Aplicación
Ejercicio 1: Un isótopo tiene una vida media de 10 días. Si se miden 500 átomos hoy, ¿cuántos quedarán en 30 días?
Ejercicio 2: Calcula la constante de decaimiento para un isótopo con vida media de 12 horas.
Ejercicio 3: Si un hospital usa una fuente de cobalto-60 (vida media 5.27 años), ¿qué porcentajes quedan después de 10 y 20 años?
Ejercicio 4: Dada una muestra que emite 2000 desintegraciones por segundo (Bq), y su actividad cae a 500 Bq en 5 horas, calcula su vida media.
Ejercicio 5: Explica por qué la radiación alfa es más ionizante que la gamma, aunque menos penetrante.
Resumen Final
La física nuclear estudia el núcleo atómico, su inestabilidad y aplicaciones. Tipos de radiación: alfa, beta, gamma. Ley de decaimiento: $N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$.
Aplicaciones: medicina, energía, industria. Riesgos: exposición, dosimetría.
| Concepto | Característica |
|---|---|
| Núcleo atómico | Protones + neutrones, ~99.9% de la masa |
| Radiación alfa | Partículas, poco penetrante, muy ionizante |
| Vida media | Tiempo para que la mitad de los átomos decaigan |
| Becquerel (Bq) | 1 desintegración por segundo |
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