Divulgación Dudas de fisica atomica

[john500]

Hola!

Tengo dos dudas


Porque un atomo inestable se divide?
Porque un neutron desestabiliza un atomo?

[Julián]

Re: Dudas de fisica atomica

Porque el núcleo es inestable. Como sabes en el núcleo del átomo se concentra toda la masa de este, ya que la masa de los electrones es despreciable. Este está formado por protones con carga positiva y neutrones sin carga eléctrica. También como sabes los protones entre ellos sienten una fuerza eléctrica repulsiva, según la ley de Coulomb

$\vec{F}= K \frac{{q}^{2}}{{r}^{2} }$

Donde ${q}^{2}=q*q$ y $q$ es la carga de un protón y $r$ es la distancia entre estos. Como el núcleo es muy pequeño, la fuerza eléctrica repulsiva, es decir, que intenta separar a los protones es enorme.
Pero no tan enorme como la fuerza nuclear. Esta se da entre los quarks que forman los protones y neutrones. Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a estas partículas, venciendo la repulsión electromagnética entre los protones y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.
Pero esta fuerza nuclear es de corto alcance, a diferencia de la fuerza electromagnética que es de alcance infinito. Los efectos de la fuerza nuclear fuerte sólo se aprecian a distancias muy pequeñas, del tamaño de los núcleos atómicos, y no se perciben a distancias mayores a 1 fm.[FONT=comic sans ms]

Así que para que el núcleo se estable, la fuerza nuclear fuerte tiene que ser mayor o igual a la fuerza electromagnética. Si bombardeamos el núcleo de un átomo con neutrones, de manera que estos ingresen al núcleo, Al haber más partículas en este el tamaño de este aumenta por lo que aumenta la distancia entre las partículas. Por ejemplo, un neutrón ingresó al nucleo, aumento el tamaño de este pero todabía las partículas estan a una distancia en donde "funciona la fuerza nuclear fuerte entre los quarks". Pero otro neutron ingresó al nucleo, aumentando el tamaño de este y ahora las distancia entre las partículas es mayor y ya no sienten la fuerza nuclear fuerte, así que la única fuerza que queda es la eléctrica y los protones sienten una fuerza repulsiva que los separa y bumm el núcleo se divide.[/FONT]

[john500]

Re: Dudas de fisica atomica

Muchisimas gracias julian!
Y de donde sacan los neutrones? Y porque un atomo al dividirse emite un neutron?

[Julián]

Re: Dudas de fisica atomica

[FONT=century gothic]A ver la explicación que te di es porque se fisiona un átomo sin importar que sea causado a voluntad o no. Por ejemplo en el ambiente hay neutrones que andan por ahi y otra cosa es que se bombardee voluntariamente.

Es dificil una explicación clásica, ya que a ese nivel no se puede hablar de las partículas como pelotitas o puntitos estáticos pero tomemoslo así en este caso. Los protones y neutrones se encuentran unidos entre estos por las fuerzas nucleares que se da entre los quarks que los forman. Cuando al núcleo han ingresado más neutrones la distancia entre los protones de los lados exteriores ha aumentado y no sienten la fuerza nuclear fuerte así que la fuerza eléctrica que es repulsiva hace que se separen.
Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos. Los elementos que se producen son resultado del azar, pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones del átomo fisionado original. Asi que se obtienen dos nucleos más chicos con la misma cantidad de protones y neutrones y como en el nucleo anterior teniamos más neutrones los que qedan quedan libres.[/FONT]

[john500]

Re: Dudas de fisica atomica

Y porque no el atomo enves de dividirse, expulsa al neutron que hizo que la fuerza electrica gane?
Porque la fuerza electrica gana desde el neuteon hacia afuera... Porque el atomo se divide si en el centro del atomo sigue ganando la fuerza fuerte?

[Julián]

Re: Dudas de fisica atomica

Y porque no el atomo enves de dividirse, expulsa al neutron que hizo que la fuerza electrica gane?

Porque el átomo no es una persona con voluntad, no va a decir bueno queremos que el nucleo siga estable y la causa de que se destabilizó fueron estos dos neutrones así que lo sacamos. Sino que la materia esta subordinada a las leyes de la naturaleza, a las fuerzas. Si las partículas del núcleo sienten la fuerza eléctrica y la fuerza nuclear fuerte siendo la nuclear fuerte mayor, si esta disminuye más que la electrica entonces la eléctrica va a tener predominio. La eléctrica actúa en los protones.

Porque la fuerza electrica gana desde el neuteon hacia afuera... Porque el atomo se divide si en el centro del atomo sigue ganando la fuerza fuerte?

A eso me refería que tiene consecuencias tratar el tema desde un punto de vista clásico. Estas partículas son cuánticas y no están localizadas sino que se tienen la probabilidad de que estén en una cierta region, esa region es el núcleo. Por lo que el núcleo seria una nube protónica por así decirlo. No se puede afirmar de que el protón numero 1 está en la parte externa del núcleo y el proton 3 en el medio sino que sabemos que el protón 1 y 3 están en el núcleo. Sería como un todo, en donde ganó la fuerza eléctrica.

[john500]

Re: Dudas de fisica atomica

Okey pero no tan lejos, sino en el centro del nucleo la fuerza fuerte sige siendo la que gana... Osea la fuerza electrica gana solo desde el neutron hacia afuera... Entonces porque se va a dividir partes en donde la fuerza fuerte sige ganando?
Espero que me entiendas gracias!

[Julián]

Re: Dudas de fisica atomica

Si te entiendo pero eso es lo que te quise explicar en el comentario anterior. Para entender este fenómeno la explicación no es clásica, tomalo al núcleo como un todo, el núcleo es una región donde es muy probable que esten esas partículas, o sea protones y neutrones ahi. Pero no están localizadas puntualmente. Asi que la fuerza nuclear fuerte actúa en el núcleo, al ir aumentando disminuye.

[john500]

Re: Dudas de fisica atomica

Osea que si gana la fuerza electrica en los exteriores del atomo, disminuye la fuerza fuerte en el centro del nucleo?

[pod]

Re: Dudas de fisica atomica

Osea que si gana la fuerza electrica en los exteriores del atomo, disminuye la fuerza fuerte en el centro del nucleo?

La fuerza nuclear fuerte es de carácter muy diferente a la eléctrica. Sólo interaccionan mediante ella aquellas partículas que tienen carga de color (nada que ver con el color que vemos" es un nombre histórico; igual que las partículas con carga eléctrica interactuan mediante la fuerza electromagnética). Y, además, la interacción aumenta al separar dos partículas con carga de color. Por otra parte, si se juntan partículas para formar un estado compuesto que no tiene carga de color, entonces la fuerza nuclear fuerte queda neutralizada; se encarga de que ese "compuesto" permanezca ligado, pero a penas escapa fuerza al exterior de dicho cúmulo de partículas. De esta manera se crean los nucleones (neutrones y protones) a partir de quarks. Los quarks sí tienen carga de color, pero los neutrones y protones son "blancos", y por lo tanto no sienten la fuerza nuclear fuerte de forma directa.

Sin embargo, si que es posible que los nucleones (protones y neutrones) interaccionen mediante lo que se llama fuerza nuclear fuerte residual. Es un proceso diferente, y bastante más débil (aunque sigue siendo más poderoso que cualquier otra interacción). En este proceso, en el interior del nucleón se crea un par quark-antiquark que forma un estado ligado (llamado mesón; hay de varios tipos, pero los más usuales a este respecto son los piones). Este mesón es "blanco" (no tiene carga de color), así que deja de interaccionar fuertemente con el nucleón. Por lo tanto, puede salir de él y colisionar con otro nucleón.

Por lo tanto, los nucleones no interaccionan de forma directa, sino a través de mesones que transportan la interacción nuclear fuerte residual. Ahora bien, estos mesones son muy inestables, no pueden recorrer grandes distancias antes de desintegrarse. Por lo tanto, la fuerza nuclear fuerte residual es de muy corto alcance. No se deja sentir en escalas mayores que el núcleo atómico.

Por otra parte, la fuerza nuclear sólo puede afectar a partículas que o bien tienen carga de color (en cuyo caso interaccionan de forma directa) o bien que están compuestas por partículas más pequeñas que sí tienen carga de color (en cuyo caso sólo pueden interaccionar de forma residual mediante mesones de corto alcance, como los nucleones). Los electrones no cumplen ninguna de estas características, no tienen carga de color y no están formados por ninguna partícula más pequeña. Por lo tanto, los electrones de la corteza atómica no sienten ningún tipo de fuerza nuclear fuerte, para ellos es como si no existiera. Tan sólo interaccionan con el núcleo de forma electromagnética. Por lo tanto, no es que "gane" la fuerza eléctrica en los exteriores de los átomos, es que los electrones jamás sentirán la fuerza nuclear fuerte.

[john500]

Re: Dudas de fisica atomica

Pero porque se divide el atomo si la fuerza fuerte sige gananndo en donde se divide el atomo? Como veras tengo mucha confusion, me podrias recomendar una pagina o un libro?
Gracias

[pod]

Re: Dudas de fisica atomica

Pero porque se divide el atomo si la fuerza fuerte sige gananndo en donde se divide el atomo? Como veras tengo mucha confusion, me podrias recomendar una pagina o un libro?
Gracias

Lo que quieres preguntar es "¿por qué se divide el núcleo?". Los electrones irán allá donde estén los protones (por interacción electromagnética), así que lo que le pase al núcleo es lo que manda.

Lo que ocurre es consecuencia de lo que explicaba antes. La fuerza entre nucleones se debe a la interacción fuerte residual, que no es tan intensa como la interacción fuerte directa. Se establece una especie de balance de fuerzas opuestas. Por un lado, la interacción fuerte residual intenta mantener todos los nucleones juntos; pero la fuerza electromagnética intenta repeler los protones (todos tienen carga positiva).

También importa el tamaño del núcleo, como la interacción fuerte residual es de muy corto alcance, cuanto más grande sea el núcleo más difícil lo tendrá para mantenerlos unidos (y los nucleones que estén en la superficie tienen menos nucleones al rededor para atraer, así que la superficie del núcleo también importa). Hay un par de factores más, pero no son muy importantes (puedes leer sobre ellos en la wikipedia, en el artículo inglés sobre la fórmula semi-empírica de masas).

Todo esto significa que, para núcleos muy grandes, la interacción fuerte no sea suficiente para mantener todo el núcleo unido.

De hecho, lo que la naturaleza siempre busca es que la energía por cada nucleón sea menor (nota: en realidad, lo que importa es que la energía total sea menor; pero mediante la interacción fuerte no puede cambiar el número de nucleones, así que minimizar la energía total es lo mismo que minimizar la energía media por nucleón). Teniendo en cuenta todos los factores que hemos explicado (y los que no), se demuestra que la energía por nucleón disminuye fusionando núcleos que son muy pequeños, o fisionando (dividiendo) núcleos que son muy grandes.

Lo dicho tiene mucho sentido. Si el núcleo es pequeño, quiere decir que añadir más nucleones, éstos seguirán estando suficientemente cerca como para que la interacción nuclear fuerte sea efectiva. Si es demasiado grande, dividir el núcleo en dos permitiría tener dos agrupaciones diferentes de nucleones, donde en cada una de ellas los nucleones están más cerca, y por lo tanto se atraen mejor.

Ahora bien, todo esto no pasa de forma gratuita. En el caso de núcleos ligeros es necesario que ambos núcleos estén muy cerca para que se pueda producir la fusión. Y es muy difícil juntar núcleos (se repelen eléctricamente). Por eso, el proceso de fisión sólo es posible en condiciones de alta temperatura y presión, esto es lo que ocurre en el sol.

En el caso de núcleos pesados, aunque salga a cuenta realizar la división, si los nucleones se empiezan a separar, la fuerza nuclear residual siempre tenderá a volverlos a juntar. Para que la fisión sea posible, es necesario que los dos núcleos puedan salir con cierta velocidad relativa (es decir, que haya cierta energía extra) que les permita escapar de las interacciones. En condiciones naturales, la probabilidad de que ambos núcleos adquieran dicha velocidad es relativamente pequeña (dependiendo de cuán inestable sea el núcleo, cuanto más pesado usualmente más inestable). Sin embargo, si el núcleo es golpeado por una partícula externa (idealmente por un neutrón, ya que no es repelido eléctricamente), la colisión puede proporcionar la energía extra necesaria para favorecer la fisión.

Ahora, ¿por qué la fisión genera más neutrones que pueden propiciar reacciones en cadena? Resulta que, como dije, uno de los factores a tener en cuenta es la atracción nuclear fuerte residual debe ganar a la repulsión eléctrica de los protones. Y para ello, es necesario que haya muchos neutrones, ya que estos no generan repulsión (son neutros) pero sí atracción. Por norma general, los núcleos más pesados contienen un mayor porcentaje de neutrones que los ligeros, en caso contrario serían mucho más inestables y decaerían mucho antes por si solos. Por lo tanto, al dividirse en dos núcleos más pequeños, el porcentaje de neutrones necesarios disminuye, lo cual quiere decir que sobran neutrones, que quedan libres.

[john500]

Re: Dudas de fisica atomica

A okey entonces sale mas neutrones porque sobran.
y el nucleo se divide porque la fuerza fuerte en atomos pesados es mas debil que la electrica noo?

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Osea un atomo no puede expulsar protones donde la fuerza electrica es mayor, es decir un proton no puede repeler a todo el nucleo e irse el solo noo?

[pod]

Re: Dudas de fisica atomica

A okey entonces sale mas neutrones porque sobran.
y el nucleo se divide porque la fuerza fuerte en atomos pesados es mas debil que la electrica noo?

Es algo más complicado que eso, pero como idea divulgativa es un inicio.

Osea un atomo no puede expulsar protones donde la fuerza electrica es mayor, es decir un proton no puede repeler a todo el nucleo e irse el solo noo?

Es muy difícil que un sólo protón consiga desligarse del núcleo. El resto de nucleones lo atraen (mediante interacción nuclear residual). Es más probable que el núcleo se parta aproximadamente por la mitad. Cada parte forma un estado ligado que apantalla en cierta medida la fuerza nuclear.

[john500]

Re: Dudas de fisica atomica

En que libro o que pagina puedo leer mas sobre estos temas?