1 Molecular y Nuclear(I)Física Atómica, Molecular y Nuclear(I) Ernest Rutherford, descubridor del núcleo atómico Felipe J. Llanes Estrada, Departamento de Física Teórica I, Fac. CC. Físicas

2 0.01 m = 1 cm 106 Tamaño típico de un insecto

3 Tamaño típico del ojo de un0.001 m = 1 milímetro Tamaño típico del ojo de un insecto

4 0,000.1 m = 0.1 milímetros

5 0, m = 10 micras Tamaño típico de un linfocito

6 Tamaño típico de un cromosoma 0, m = 1 micra Resolución típica del microscopio óptico

7 Detalle de un cromosoma0, m =0.1 micras Detalle de un cromosoma

8 Tamaño típico del grosor0, m = 100 angstrom Tamaño típico del grosor de una molécula de DNA

9 0,000.000.001 m = 10 angstrom = 1 nanómetroTamaño típico de una molécula Escala de la nanotecnología Resolución del microscopio electrónico

10 0, m = 1 angstrom Tamaño típico de un átomo

11 0, m = 0,1 angstrom

12 0, m = 1 picómetro

13 0, m = 0,1 picómetro

14 0, m = 10 fermi Tamaño típico de un núcleo atómico

15 0, m = 1 fermi Tamaño típico de un nucleón

16 0, m = 0,1 fermi

17 Comencemos en la escala atómica (0.1 nm)

18

19

20 El modelo de Bohr del atomo de hidrógeno (1916)

21 mediante la ecuación de SchroedingerÁTOMO DE HIDRÓGENO mediante la ecuación de Schroedinger “Nubes de probabilidad” (se verá en la lección de mecánica cuántica)

22 Solamente existen soluciones para valores discretos de la energíay del momento angular (cantidad de giro) n = 0, 1, 2, l = s, p, d, f

23 Energías de los niveles el átomo de hidrógeno

24 Espectros de absorciónE = h 

25 Espectros de emisión  h E E = h Indeterminación Tiempo-Energía E E = h 

26 Su ejercicio: construyan un espectrómetro casero con1) un tubo o caja alargada de cartón (p.ej. una cajita de té con tapa) 2) un trozo de disco CD. Agujero visión Ranura para entrada de luz Trozo de CD Trozo de CD Observen muy brevemente la luz emitida por 1) Una bombilla incandescente (o una lámpara halógena) 2) Un tubo fluorescente (o una bombilla de bajo consumo) 3) Un infiernillo de gas natural, propano o butano 4) Una farola de sodio ) Una luz LED 6) El sol (muy brevemente y a poder ser con gafas de sol) ¿En qué fuentes se observan rayas espectrales?

27 ORBITALES

28

29

30 Principio de Exclusión de Pauli

31 Regla de Madelung para el llenado de orbitales atómicos

32 TABLA PERIÓDICA DE MENDELEIEV

33 ENLACE QUÍMICO

34 Enlace iónico Enlace covalente

35 BIOMOLÉCULAS: la base de la vida

36 Hidratos de Carbono, carbohidratos o sacáridos (griego: Sakcharón, azúcar)componentes esenciales de los organismos vivos (y clase más abundante de moléculas biológicas), Átomos: C, O, H Existen como: Monosacáridos o azúcares sencillos : (p.ej. glucosa, fructosa, galactosa) disacáridos: (p.ej. maltosa (glu-glu), sacarosa (glu-fru), lactosa (glu-gal)) polisacáridos: (p.ej. almidón ( amilosa), glicógeno (almidón animal), celulosa Funciones: Productor de energía: como azúcar y almidón (=reserva) Reserva de energía ( Hígado y músculo) de uso rápido en organismos animales, incluyendo el hombre ( glicógeno) Estructural: pared de células vegetales (celulosa)                                                                                                                                                                                                                               

37 Lípidos: grupo de sustancias no solubles en agua (se agregan: bicapa en membranas y gotas en el citoplasma) pero sí solubles en disolventes orgánicos apolares (benceno, acetona...), de tacto untuoso y manchan el papel de forma característica. Componentes: Glicerina (Alcohol terciario) Acidos grasos (3 unidades) Átomos: C, O, H , con menos oxígeno en relación al H y C, que los azúcares. Se presentan como: Grasas y aceites Funciones: Productor y reserva de energía como grasa y aceite, ( de uso más lento que los carbohidratos) Estructural: membranas celulares forman una Bicapa (fosfolípidos) impermeable a sustancias solubles en agua. Térmica: aislante térmico. También importante: Algunos ácidos grasos “esenciales” no son sintetizables por el cuerpo y deben ser ingeridos. Algunas vitaminas son solubles en grasa y solo pueden ser ingeridas con ella, no se debe evitar del todo la ingestión de grasa.                                                                                                                          

38 Aminoácidos y unión péptica

39 Dipéptidos, ( conformados por 2 aminoácidos) Proteínas: Componen las estructuras celulares y son las herramientas para las reacciones químicas del metabolismo celular. Componentes: Aminoácidos ( 20 variedades distintas)‏ Átomos: C, O, H, N, S Se presentan como: Dipéptidos, ( conformados por 2 aminoácidos) Oligopéptidos ( más de 10 aminoácidos) y Proteínas ( más de 100 aminoácidos) Funciones: Estructural: por ejemplo musculatura, tejido conjuntivo, membranas celulares. Encimática: biocatalizadores en todos los procesos metabólicos. Defensa en el combate de infecciones: Inmunoglobulinas = anticuerpos. Hormonal: (sustancias mensajeras). Receptora: detección de estímulos en la superficie celular.                                                                                                                                       

40 Proteínas

41 Cromosomas Genes Estructura de las células

42 Ácidos nucleicos (Adenina, Citosina, Guanina y Timina, )‏

43 Watson y Crick

44 El átomo tiene un núcleo central muy denso, cargado positivamente

45 El núcleo es un objeto extenso, detamaño 1fm=1 femtometro = 1 Fermi = veces el radio atómico Acelerador de electrones de SLAC

46 Acelerador de electrones de Jefferson Lab

47 Difracción de la luz porun disco y un cuadrado Oscilaciones en intensidad -> radio

48 Difracción de electrones: radio nuclearNúcleo ligero Núcleo pesado

49 Radio nuclear

50 La probabilidad de interacción elásticacambia bruscamente: radio nuclear (el proyectil rompe el núcleo, no rebota)‏

51 Núcleos ligeros típicos11H 21D 31T 42He 126C 168O Núcleo más pesado que aparece en estado natural: U Z= número de protones A= masa respecto al hidrógeno

52 Dos tipos de componentes nuclearesprotones: carga + Masa 938 MeV neutrones: carga 0 Masa 939 MeV Descubrimiento del n: Chadwick El neutrón es inestable (se desintegra en promedio tras unos trece minutos)‏

53 Armamento nuclear 10 kg Plutonio 20 veces más Energía 100 toneladas TNT

54 Cráter Trinity Cráter test 100 ton Los Álamos, Nuevo México, 1945

55 Gran cantidad de energíade ligadura: 8 MeV/nucleón ¿Qué es un MeV? 1MeV=1Millón de electrón-voltios: la energía que gana un electrón al pasar de un polo - a un polo + con V

56 Amplificador de voltaje de Cockroft-Walton: hasta decenas de miles de voltios

57 Energía de ligadura por cada nucleónFisión

58 ¿Cuántos elementos químicos hay?

59 Carta de Segré o Valle de Estabilidad

60 Fisión inducida por neutronesFisión espontánea: muy rara Para el Uranio 23892U, vida 1016 años Fisión inducida por neutrones reacción en cadena n

61 ¿De dónde sale la energía en la fisión?Una vez separados los fragmentos, sus cargas positivas se repelen y los aceleran. Mientras están ligados en el núcleo, la energía está almacenada como masa inerte E=mc2

62 Reactores de fisión

63 Reactor de agua en ebullición Reactor de agua a presión

64 Fisión del Uranio: Los neutrones lentos fisionan el 235 Los neutrones rápidos tambien el 238 Enriquecimiento: 0.7% 235U -> 3% 235U

65

66

67 Residuos radiactivos

68 Los fragmentos de la fisión no son siempre igualesSe distribuyen entre distintas masas

69 Almacenaje de residuos en España:ENRESA Centro de almacenamiento de residuos de baja y media actividad del Cabril, Cordoba

70 Protección radiológicaActividad: 1 Becquerel = 1desintg/s Dosis absorbida: 1 Gray =1 J/kg Dosis equivalente (efecto biológico)‏ 1 Sievert = 1 Gray x Factor tipo e,m =1; X,g =1; n térmicos, n,p rápidos =5; n 2-20 MeV =10 n 100 keV-2 MeV, a, fragmentos =20 Radiación natural: mSv/año Máximo profesional: 20 mSv/año

71 La radiación natural depende de la geología del terreno

72 Exposición al gas Radón Mucho mayor en zonas graníticas 1 Año en mi domicilio=8760hr --> 175 mrem Equivalente a 1 mes cerca de Fukushima durante el primer año United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation: *Hasta 10 rem no es preocupante *No se han detectado aún efectos de salud pública causados por Fukushima (¿cáncer a largo plazo?)

73 ¿Y los residuos de alta actividad? Investigación en Transmutación artificial

74 Energía de ligadura por cada nucleónFusión

75 Conclusión por hoy: la piedra filosofalQue convierte el plomo en oro

76 No puede ser obtenida por métodos químico-físicos (cortar, quemar,disolver, tratar con acidos, evaporar...)‏ Solamente la comprensión de la radiactividad y el uso de intensos campos electromagnéticos nos ha abierto la puerta al núcleo átomico, y a un nuevo mundo por explorar.