SISTEMA ITESM
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F-90-033 FÍSICA NUCLEAR
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OBJETIVOS GENERALES
Conocer y aplicar los conceptos, leyes y principios fundamentales que rigen los fenómenos físicos que se observan en:
a. La interacción entre partículas y núcleos
b. La desintegración natural y artificial de los núcleos radiactivos analizar y discutir los
diferentes modelos nucleares
OBJETIVOS GENERALES POR TEMA
1 Radiactividad
El alumno conocerá la radiactividad natural y las leyes que rigen la transformación
radiactiva
2 Desintegración nuclear artificial
El alumno conocerá la desintegración nuclear artificial, aprenderá la teoría de las
reacciones nucleares y el balance energético de una reacción nuclear
3 Radiactividad artificial
El alumno conocerá la radiactividad artificial, los procesos de desintegración artificial
que llevaron al conocimiento de nuevos elementos
4 Desintegración alfa
El alumno aprenderá la teoría de la desintegración alfa, la interacción de las
partículas alfa con la materia y la medida de la energía de las partículas alfa.
5 Desintegración beta
El alumno aprenderá la teoría de la desintegración beta la existencia del neutrino, la
interacción de las partículas beta con la materia y la medida de la energía de las
partículas beta.
6 Radiación gamma.
El alumno aprenderá el mecanismo de la emisión de la radiación gamma, su
interacción con la materia y la medida de la energía de la radiación gamma.
7 Reacciones nucleares
El alumno conocerá las leyes que rigen la reacción nuclear, los diferentes tipos de
reacciones, el concepto de la sección eficaz, la teoría del núcleo compuesto, energías
de resonancia.
8 Modelos nucleares
El alumno conocerá los diferentes modelos que existen para explica e
comportamiento de un núcleo: modelo de capas, modelo de capas de Fermi, modelo
de la gota líquida, modelo colectivo.
9 Las fuerzas nucleares y la estructura nuclear
El alumno conocerá los conceptos de fuerza y energía de ligadura, la teoría de campo entre dos nucleones, la fórmula semiempírica de la masa
10 Física del neutrón
El alumno aprenderá los métodos
utilizados para la ecuación de neutrones, los métodos
utilizados para la medición de energía de los neutrones,
conocerá los diferentes tipos de neutrones y su interacción
con la materia, conocerá la teoría de la fisión
nuclear
TEMAS Y SUBTEMAS DEL CURSO
1 Radiactividad.
1.1 Teoría de la desintegración radiactiva
1.2 Constante de desintegración
1.3 Período de semidesintegración
1.4 Vida media
1.5 Ley del decaimiento radiactivo
1.6 Transformaciones radiactivas sucesivas
1.7 Equilibrio secular
1.8 Equilibrio transitorio
1.9 Las series radiactivas naturales
1.10 Unidades de radiactividad
2 Desintegración nuclear artificial
2.1 Teoría de las reacciones nucleares
2.2 Balance energético de una reacción nuclear
2.3 Aceleración de partículas cargadas
2.4 Transmutaciones con protones
2.5 Transmutaciones con neutrones
2.6 Transmutaciones con partículas alfa
2.7 Transmutaciones con neutrones
3 Radiactividad artificial
3.1 Descubrimiento de la radiactividad artificial
3.2 Emisión de electrones
3.3 Emisión de positrones
3.4 Captura electrónica orbital
3.5 Elementos transuránidos
3.6 Serie de neptunio
3.7 Tabla de isótopos y carta de nucleidos
4 Desintegración alfa
4.1 Velocidad y energía de las partículas alfa
4.2 Interacción de las partículas alfa con la materia
4.3 Poder de frenado
4.4 Curvas de alcance en función de la energía
4.5 Teoría del decaimiento
alfa
5 Desintegración beta
5.1 Velocidad y energía de las partículas beta
5.2 Interacción de las partículas beta con la materia
5.3 Curvas de alcance en función de la energía
5.4 El espectro continuo de energía de las partículas beta
5.5 El neutrino
5.6 Teoría del decaimiento
beta
6 Radiación gamma
6.1 Absorción de los rayos gamma por la materia
6.2 Coeficiencia de absorción d los rayos gamma
6.3 Interacción de la radiación gamma y la materia
6.4 Efecto fotoeléctrico
6.5 Efecto Compton
6.6 Formación de pares
6.7 Medida de la energía de los rayos gamma
6.8 Teoría de la desintegración gamma
6.9 Isomería nuclear
6.10 Vida media de lo estados excitados
del núcleo
7 Reacciones nucleares
7.1 Conservación de la masa energía en una reacción nuclear
7.2 Balance energético de una radiación nuclear
7.3 Reacciones exoérgicas
7.4 Reacciones endoérgicas
7.5 Energía de umbral para las reacciones endoérgicas
7.6 Sección eficaz de las reacciones nucleares
7.7 Teoría del núcleo compuesto
7.8 Niveles de excitación del núcleo compuesto
7.9 Energías de resonancia
8 Modelos nucleares
8.1 Modelo de capas
8.2 Modelo de gas de Fermi
8.3 Modelo de gota líquida
8.4 Modelo colectivo
9 Las fuerzas nucleares y la estructura nuclear
9.1 Las energías nucleares de ligadura y la saturación de las fuerzas nucleares
9.2 Aspectos cualitativos de las fuerzas nucleares
9.3 El problema de las acciones mutuas entre dos nucleones
9.4 Fuerzas de intercambio entre dos nucleones
9.5 Teoría del campo entre dos nucleones, de H. Yukawa
9.6 La fórmula semiempírica
de la masa
10 Física del neutrón
10.1 Diferentes tipos de neutrones en relación a su energía
10.2 Algunas propiedades de los neutrones libres
10.3 Interacción de los neutrones con la materia
10.4 Producción de neutrones
10.5 Detección de los neutrones
10.6 Método de activación
10.7 Neutrones térmicos
10.8 Difracción de neutrones
10.9 Fusión nuclear
10.10 Teoría de la fusión
nuclear
OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE
APRENDIZAJE
1
1.1 Conocer y aplicar la ecuación del decaimiento radiactivo de una sustancia radiactiva
1.2 Definir que es la constante de desintegración
1.3 Definir el poderío de semidesintegración
1.4 Definir vida media
1.5 Definir y calcular la actividad de una muestra radiactiva conociendo su constante de
desintegración y el núcleo de átomos
1.6 Conocer y aplicar las ecuaciones de transformaciones radiactivas sucesivas, al tener
una cadena de elementos radiactivos
1.7 Conocer y aplicar el concepto de equilibrio radiactivo secular
1.8 Conocer y aplicar el concepto de equilibrio transitorio
1.9 Conocer las tres series radiactivas naturales
1.10 Conocer las diferentes unidades y sus equivalencias en el que se expresa la actividad
de una sustancia radiactiva
2
2.1 Definir que es una reacción nuclear y como se representa
2.2 Definir que es un balance energético de una reacción nuclear
2.3 Calcular el balance energético de una reacción nuclear conociendo las masas de los
reactantes y de los productos
2.4 Calcular la energía cinética de la partícula emergente en cualquier dirección con la
relación a la dirección inicial de la partícula bala, conociendo la energía cinética de la
partícula bala, el balance energético de la reacción y el ángulo de la partícula
emergente.
2.5 Conocer y describir los diferentes tipos de aceleradores de partículas
2.6 Completar reacciones nucleares dadas de manera que se observe la conservación del
número básico y de la carga eléctrica
2.7 Ser capaz de diferenciar reacciones nucleares exotérmicas y reacciones nucleares
endoérgicas
3
3.1 Conocer los antecedentes que llevaron al descubrimiento de la radiactividad artificial
3.2 Conocer el proceso de emisión de electrones
3.3 Aplicar en la solución de problemas las leyes físicas que rigen la emisión de
electrones
3.4 Conocer el proceso de emisión de positrones
3.5 Aplicar en la solución de problemas las leyes físicas que gobiernan la emisión de
positrones
3.6 Conocer el proceso de captura electrónica orbital
3.7 Aplicar la solución de problemas las leyes físicas que rigen la captura electrónica
orbital
3.8 Definir que son los elementos transuránidos
3.9 Conocer la serie radiactiva del neptunio
3.10 Utilizar en forma apropiada la tabla de isótopos y la carta e la solución de problemas
de desintegración artificial
4
4.1 Conocer los métodos experimentales para a medición de velocidades de las partículas
alfa
4.2 Describir el método del espectrógrafo magnético para la medición de velocidades de
las partículas alfa
4.3 Conocer la interacción de las partículas con la materia
4.4 Definir el poder de frenado de un material con relación a la absorción de las partículas
alfa
4.5 Obtener la expresión teórica para el poder de frenado de un material para las
partículas alfa de cierta energía cinética
4.6 Conocer la aplicación de las curvas de alcance vs energía de las partículas alfa en la
solución de problemas
4.7 Conocer la teoría de la desintegración alfa
4.8 Conocer y poder trazar los diagramas
de niveles de energía en una desintegración
5
5.1 Conocer los métodos experimentales para la medición de velocidades de las partículas
beta
5.2 Conocer la interacción de las partículas beta con la materia
5.3 Conocer las curvas de alcance vs energía de las partículas beta
5.4 Saber utilizar las curvas de alcance vs energía de las partículas beta
5.5 Conocer el espectro continuo de las partículas beta
5.6 Saber calcular el límite de la curva de distribución de energías de las partículas beta
emitidas en una desintegración beta
5.7 Conocer las características del neutrino
5.8 Conocer la teoría de Fermi acerca de la desintegración
5.9 Conocer y poder trazar los diagramas de niveles de energía en una desintegración
beta
5.10 Saber resolver problemas aplicando
la teoría de desintegración
6
6.1 Conocer el mecanismo de absorción de la radiación gamma por la materia
6.2 Conocer el carácter exponencial de la absorción gamma por la materia
6.3 Definir el coeficiente de absorción de radiación por la materia
6.4 Conocer y poder reproducir un experimento de una buena geometría para la
absorción de la radiación gamma por una sustancia
6.5 Definir semiespesor
6.6 Conocer lo que es el efecto fotoeléctrico
6.7 Conocer lo que es el efecto Compton
6.8 Conocer lo que es el fenómeno llamado formación de pares
6.9 Conocer la influencia que tiene la energía de los fotones y el número atómico del
absorbente par a la preponderancia de un efecto con relación a los otros, en una
absorción de radiación gamma por la materia
6.10 Poder trazar la curva del coeficiente de absorción total vs energía de los fotones par
diferentes valores de energía
7
7.1 Poder escribir una reacción nuclear dada
7.2 Conocer los principios físicos que se conservan en una reacción nuclear
7.3 Poder calcular el balance energético de una reacción nuclear dada
7.4 poder diferenciar entre una reacción exotérmica y una reacción endoérgica
7.5 Poder calcular la energía de umbral en una reacción endoérgica
7.6 Poder calcular la sección eficaz de una reacción nuclear dada
7.7 Definir que es un Barn
7.8 Conocer la teoría del núcleo compuesto propuesto por Bohr en 1936
7.9 Conocer y calcular la energía de excitación de un núcleo compuesto par una reacción
7.10 Conocer la teoría de la resonancia
7.11 Conocer el concepto de anchura
de nivel estado excitado
8
8.1 Conocer las limitaciones que existen con relación a la estructura nuclear
8.2 Conocer las características de modelo de capas y sus limitaciones
8.3 Conocer las características del modelo de gas de Fermi y sus limitaciones
8.4 Conocer e interpretar el modelo de la gota líquida, sus aciertos en la explicación de
la fisición de los núcleos, sus limitaciones en explicar otras propiedades de los
núcleos
8.5 Conocer las características del modelo colectivo, sus predicciones con relación a algunas propiedades de algunos núcleos y sus limitaciones
9
9.1 Comprender las características únicas de las fuerzas nucleares
9.2 Comprender la relación entre el efecto de saturación de las fuerzas nucleares y la
energía de la ligadura de nucleones
9.3 Comprender el efecto de las fuerzas nucleares y la estabilidad
9.4 Comprender el tratamiento mecánico-cuántico de la interacción entre el neutrón y el
protón del núcleo de deuterio en un estado no ligado, con energía positiva del sistema
9.5 Comprender la teoría de las fuerzas de intercambio entre dos nucleones
9.6 Comprender la teoría de H. Yukawa para explicar la fuerza de intercambio entre dos
nucleones
9.7 Ser capaz de deducir todos los términos que integran la fórmula semiempírica de la
masa
10
10.1 Definir los distintos tipos de neutrones en función de energía
10.2 Ser capaz de enumerar las propiedades físicas o características de los neutrones libres
10.3 Conocer la interacción de los neutrones con la materia
10.4 Poder describir dos formas distintas de producir neutrones
10.5 Poder escribir los diferentes métodos conocidos de detección de neutrones
10.6 Conocer en que consisten y que aplicaciones tiene el método de activación
10.7 Definir que son neutrones térmicos
10.8 Explicar con sus propias palabras el método experimental de difracción de neutrones
con cristal
10.9 Explicar en que consiste el fenómeno de fisión nuclear
10.10 Comprender la teoría
de la Fisión nuclear
ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE
En todos los temas:
1 Estudiar el tema previo a la exposición en clase en los libros de texto y consulta
2 Asistir la exposición del tema en clase por el profesor
3 Participar en la discusión de los temas organizados por el profesor
4 Resolver los ejercicios asignados, relacionados con el tema
5 Prepararse y participar en los
exámenes parcial y final
TIEMPO ESTIMADO DE CADA TEMA
Tema 1: 3 horas
Tema 2: 3 horas
Tema 3: 3 horas
Tema 4: 6 horas
Tema 5: 5 horas
Tema 6: 6 horas
Tema 7: 4 horas
Tema 8: 4 horas
Tema 9: 3 horas
Tema 10: 5 horas
EVALUACIÓN DEL CURSO
3 exámenes parciales 45%
1 examen final 45%
Tareas 10%
LIBRO(S) DE TEXTO
Irvin Kaplan
Física Nuclear
Editorial Aguilar
LIBRO(S) DE CONSULTA
Atam P. Arya.,
Fundamentos de Física Nuclear
Editorial Allyn D. Bacon
W.E. Burchman
Física Nuclear
Editorial Reverte
E. Segre.,
Núcleos y partículas
Editorial Reverte