Efecto Fotoeléctrico y Reacciones Nucleares: Radiactividad, Fisión y Fusión

Efecto Fotoeléctrico

Efecto fotoeléctrico. Descripción. Explicación cuántica. Teoría de Einstein. Frecuencia umbral. Trabajo de extracción.

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones cuando los metales son irradiados con determinada radiación electromagnética.

Explicación Cuántica y Teoría de Einstein

Explicación cuántica: La energía que posee un haz de luz de determinada frecuencia depende de dos factores. En primer lugar, depende de la propia frecuencia (E_fotón = h·ν), ésta es la energía característica de la radiación, la energía de uno de sus fotones. En segundo lugar, depende del gran número de fotones que conforman el haz. Así, la energía total del haz es la suma de las debidas a cada uno de los fotones E_haz = N·E_fotón, siendo N el número de fotones. Manteniendo constante la frecuencia de la radiación, la intensidad (o potencia) está determinada por el número total de fotones que la componen.

Einstein: La radiación electromagnética no sólo se emite, sino que se propaga y absorbe en forma de pequeños paquetes de energía (fotones). Cuando un fotón choca contra la superficie del metal libera energía, y esa energía es empleada por el electrón en vencer la fuerza que lo mantiene enlazado al metal y, si sobra, en adquirir velocidad.

Radiactividad Natural

Describir el fenómeno de la radiactividad natural. Desintegración radiactiva. Emisión de partículas alfa, beta y gamma. Leyes de Soddy y Fajans. Ejemplos.

Radiactividad natural: Es el proceso por el cual los núcleos atómicos de ciertas sustancias emiten radiación de manera espontánea y se transforman en núcleos de elementos diferentes en un estado de menor energía. El fenómeno se produce en núcleos inestables que presentan bajos valores de energía de enlace por nucleón.

Tipos de Radiación

• Las partículas alfa son núcleos de helio (⁴₂α = ⁴₂He). Son partículas cargadas positivamente. Tienen alto poder ionizante pero poco poder de penetración. Pueden ser detenidas por un papel o la piel humana.
• Las partículas beta son partículas negativas idénticas a los electrones (⁰_-1β = ⁰_-1e). Su poder de penetración es superior al de las partículas alfa, pero pueden ser detenidas por una lámina de aluminio. Su poder de ionización es inferior al de las partículas alfa.
• Los rayos gamma (γ) son radiación electromagnética y, por ello, no se desvían al atravesar un campo eléctrico. Tienen el menor poder de ionización, pero el mayor poder de penetración.

Leyes de Soddy-Fajans

Leyes de Soddy – Fajans:

1. Primera ley: Cuando un núclido emite una partícula alfa, se transforma en otro núclido cuyo número atómico desciende en dos unidades y su número másico en cuatro.
2. Segunda ley: Cuando un núclido emite una partícula beta, se transforma en otro núclido cuyo número atómico aumenta en una unidad y su número másico no varía.
3. Tercera ley: Cuando un núclido emite radiación gamma, sigue siendo el mismo núclido (no varían ni el número atómico ni el másico), pero en un estado energético diferente.

Cinética de Desintegración Radiactiva

Cinética de desintegración radiactiva: La desintegración de una especie radiactiva es un proceso espontáneo que se desarrolla al azar y no está influenciado por factores externos. Las leyes que describen la desintegración radiactiva no son causales, sino estadísticas. En una muestra de isótopos radiactivos no se puede predecir cuándo se descompondrá un núcleo concreto, pero sí se puede determinar experimentalmente la velocidad de desintegración de la muestra.

Fisión Nuclear

Fisión nuclear. Descripción y ejemplos. Bombas y centrales nucleares. Pérdida de masa. Ecuación de Einstein para la energía desprendida.

Fisión: La fisión nuclear es el proceso en el que un núcleo, generalmente pesado, se rompe en dos fracciones más ligeras. Para iniciar la fisión se bombardea con neutrones la muestra que se quiere fisionar. Es necesaria una velocidad determinada para que el proceso sea eficaz. Si los neutrones son rápidos se producen choques elásticos contra los núcleos, no son capturados por éstos y no se produce la fisión. Para que haya fisión los neutrones deben ser lentos (o térmicos).

Centrales Nucleares

Centrales nucleares:

• Combustible: El uranio natural es mayoritariamente ²³⁸U. El material fisionable es ²³⁵U. El combustible nuclear suele ser uranio enriquecido hasta un 3-5% en ²³⁵U.
• Moderador y barras de control: Se introducen en el reactor y sirven para controlar la producción de neutrones lentos.
• Circuitos de refrigeración: Circuitos cerrados de agua o CO2 que eliminan el calor del núcleo del reactor.
• Blindaje: Pared exterior de hormigón que encierra al reactor.

Fusión Nuclear

Fusión nuclear. Descripción y ejemplos. Bombas y posibles centrales nucleares. Pérdida de masa. Ecuación de Einstein para la energía desprendida.

Fusión: Es el proceso que tiene lugar cuando dos o más núcleos ligeros dan lugar a otro más pesado y una o más partículas o radiación gamma.

Energía de Fusión

Las reacciones de fusión tienen lugar con pérdida de masa. La masa de los productos es inferior a la de los reactivos. Ese defecto de masa se convierte en energía según la ecuación de Einstein. De ahí la gran cantidad de energía liberada por estos procesos. La fusión nuclear es un fenómeno que se produce de forma natural en las estrellas.

Etiquetas: efecto fotoeléctrico, Einstein, Fisión nuclear, fusión nuclear, radiactividad