RADIACTIVIDAD(PRIMEROS CONCEPTOS)

La radiactividad fue descubierta por el francés Henri Becquerel, que estando estudiando el fenómeno de la fluorescencia, le llega la noticia de los rayos X recientemente descubiertos por el alemán Roentgen.
De la historia detrás de estos descubrimientos y de la espectroscopía de los rayos X hablaremos dentro de poco para comenzar nuestro viaje por las bases de la física cuántica.

Fluorescencia: Luminosidad que presentan algunas sustancias mientras reciben la excitación de radiaciones electromagnéticas.

Bien, Becquerel quería comprobar si las sustancias fluorescentes emitían rayos X.
Para comprobar esto y sabiendo que los rayos X atraviesan grandes capas de papel, colocó una placa fotográfica y la envolvió de papel negro, encima de la misma colocó una sustancia fluorescente, la sal de uranio y la expuso al Sol.
En teoría el Sol emitiría una radiación a la sal de uranio que haría producir una fluorescencia en el mismo y si emitiese rayos X, estos atravesarían el papel negro velando la placa fotográfica.
Pues efectivamente, la placa fue velada, pero la sorpresa de Becquerel se produjo cuando descubrió que la radiación emitida por la sal de uranio no dependía de la radiación absorbida antes por el Sol.
Encontró que estas radiaciones eran similares a los rayos X, pero continuaban emitiéndose por la sal de uranio, irradiándose activamente en todas las direcciones.

Es importante no confundir la fluorescencia con la fosforescencia.

Fosforescencia: La fosforescencia es el fenómeno en el cual ciertas sustancias tienen la propiedad de absorber energía y almacenarla, para emitirla posteriormente en forma de radiación.
Es decir, un cuerpo fosforescente absorbe energía y la va emitiendo poco a poco según va transcurriendo el tiempo.

Saltando este paréntesis, Marie Curie llamó al fenómeno de Becquerel radiactividad demostrando que la radiactividad es proporcional a la cantidad de uranio que tiene la muestra, identificando la fuente de la radiación con los átomos de uranio.

TIPOS DE RADIACTIVIDAD
Radiactividad alfa(Rayos alfa):  Ernest Rutherford encuentra la evidencia experimental de que los rayos alfa son iones de átomos de helio2+ moviéndose rápidamente.
Estos rayos ionizan fuertemente el aire, poseen una velocidad aproximada de 1,6·10⁷m/s y una energía cinética que ronda entre 5 y 10 megaelectronvoltios.
Son unos rayos poco penetrantes que atraviesan 0,0005 cm de aluminio, esto es debido a que su masa y su carga le permiten establecer relaciones con muchas partículas del medio.

Radiactividad beta(Rayos beta): Becquerel mostró, mediante experiencias de desviación de campos eléctricos externos que los rayos beta son electrones rápidos.
Estos rayos ionizan poco el aire, poseen una velocidad aproximadamente igual a la de la luz y una energía cinética que ronda entre 0,21 y 1,2 megaelectronvoltios.
Son rayos un poco mas penetrantes que los alfa que atraviesan 0,05 cm de espesor de aluminio.

Radiactividad gamma(rayos gamma): Descubiertos en 1900 por Paul Villard, no sufren alteraciones en su trayectoria debido a campos eléctricos ya que no son partículas, es una radiación electromagnética.
Debido a esto no ionizan y tienen una energía menos que las anteriores radiactividades pero una frecuencia mucho más alta lo que, sumado también a la poca interacción con el medio, hace que sean muy penetrantes, llegando a atravesar hasta 8 cm de espesor de aluminio.

Neutrones: Los neutrones interaccionan de una manera especial, vamos a incluirlos porque es una radiación que interacciona con la materia de una manera muy interesante.
Como ya se vio, los neutrones tienen masa casi igual a la del protón, pero no tienen carga eléctrica. Sin embargo, se ven afectados por la fuerza nuclear. En consecuencia, no ionizan directamente a los materiales por no interaccionar con los electrones; el único efecto que pueden producir es chocar directamente con los núcleos. Como esto es poco probable, los neutrones pueden recorrer distancias de algunos centímetros sin sufrir ninguna colisión.
Cuando llegan a incidir directamente sobre un núcleo, puede suceder cualquiera de dos procesos: la dispersión elástica y la reacción nuclear (que incluye la dispersión inelástica, la captura radiactiva y la fisión nuclear).
En algunas reacciones hay absorción de neutrones, en otras hay producción adicional.
Avanzaremos en esto en otras entradas puesto que esto es una introducción básica y quiero comentar las reacciones nucleares próximamente.

RADIACTIVIDAD NATURAL
Se denomina radiactividad natural a la radiactividad que existe en la naturaleza sin intervención humana.
Es un proceso espontáneo que procede de la desintegración del núcleo, es impredecible(aleatorio), independiente del estado físico de la materia(sólido, líquido, gaseoso o plasma) e independiente del entorno de la materia(si se encuentra en una aleación por ejemplo).

RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL
La radiactividad artificial, también llamada radiactividad inducida, se produce cuando se bombardean ciertos núcleos estables con partículas apropiadas.
Si la energía de estas partículas tiene un valor adecuado, penetran el núcleo bombardeado y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra después radiactivamente.

PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN
La radiactividad cumple unos principios de conservación, los cuales son:
-Conservación de la energía.
-Conservación del momento lineal.
-Conservación de la carga.
-Conservación de los nucleones(elementos del núcleo; protones y neutrones).

LEYES DEL DESPLAZAMIENTO RADIACTIVO
1-Cuando un nuclido emite una partícula alfa, el número atómico del elemento disminuye dos unidades y su número másico será cuatro unidades mayor.
Además, el elemento resultante se desplaza dos lugares a la izquierda en un sistema periódico que veremos a continuación.
2-Cuando un nuclido emite una partícula beta su, el número atómico del elemento  aumenta una unidad y su número másico no varía.
Además, el elemento resultante se desplaza un lugar a la derecha en el sistema periódico.

Veamos un ejemplo del sistema periódico y la desintegración progresiva de un elemento, en este caso del plutonio, en otros elementos distintos emitiendo distintas partículas y por ende, distintas radiaciones.

Además vamos a comentar lo que es una familia radiactiva: Conjunto de nuclidos resultantes de la desintegración de un núcleo radiactivo.

PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN Y VIDA MEDIA
El período de semidesintegración de una sustancia radiactiva es el tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos de los átomos iniciales se reduzca a la mitad.

La vida media de una sustancia radiactiva es el valor promedio del tiempo que permanecen los núcleos de los átomos de una sustancia radiactiva sin desintegrarse.

Os he dejado las fórmulas de cada concepto, de momento no estamos profundizando en todas las fórmulas y procesos radiactivos ya que esto es un avance general, pero no os preocupéis que lo haremos más adelante.


De momento, esta es toda la entrada, espero que os haya servido y os haya gustado.
Si tenéis alguna duda, podéis dejármela en los comentarios.
Gracias.

FLUJO DE UN CAMPO ELÉCTRICO:LEY DE GAUSS

Una vez hemos hablado de los primeros conceptos de un campo eléctrico,
CAMPO ELÉCTRICO Y LEY DE COULOMB
pasamos a explicar que es el flujo de un campo eléctrico.
El flujo eléctrico se define como el número de líneas de campo eléctrico que atraviesan una determinada superficie y se muestra en la fórmula siguiente:

El vector S tiene de módulo el área de la superficie y de dirección la perpendicular a la misma.
El flujo de un campo eléctrico es simplemente una magnitud escalar que, como hemos dicho, representa gráficamente las líneas de campo que la atraviesan.
¿Qué ocurre cuando el campo eléctrico no es uniforme?

Cuando el campo eléctrico no es uniforme, se divide la superficie en superficies elementales

,

de forma que el campo eléctrico sea prácticamente uniforme en cada elemento de superficie. Si la superficie no es plana, el sentido del vector

es de la parte cóncava a la convexa. El flujo elemental del campo que atraviesa cada elemento de superficie es:

El flujo a través de la superficie es igual a la suma de los flujos elementales:

Y si la superficie es cerrada:

LEY DE GAUSS

La ley de Gauss indica que el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es proporcional a la carga total encerrada en dicha superficie.

Aunque a la hora de calcular el campo eléctrico generado por ciertas superficies cargadas es posible hacer uso de la ley de Coulomb, en muchas ocasiones resulta más sencillo utilizar el teorema de Gauss sobre el flujo eléctrico.

Pasemos a comprobarlo.

El caso más simple para calcular el flujo eléctrico es el del campo creado por una carga q contenida en una esfera de radio r.

El módulo del campo eléctrico es el mismo en todos los puntos de la superficie esférica y su dirección es radial, por lo que en todos los puntos de la superficie los vectores

son paralelos. El flujo del campo eléctrico que pasa a través de la superficie esférica de radio r es:

En el caso de que dentro de la superficie existiesen varias cargas eléctricas, cada una de ellas crea su propio campo eléctrico y, en consecuencia, su propio flujo eléctrico es igual a la suma de los debidos a cada carga.

Bien, con la fórmula deducida ya:

deducimos que el flujo del campo eléctrico que atraviesa una superficie esférica cerrada es independiente del radio de la esfera considerada y su signo coincide con el signo de la carga encerrada.

El flujo que atraviesa una superficie es independiente de la forma de la misma y de la distribución de la carga en su interior. La carga eléctrica situada fuera de la superficie cerrada no contribuye al flujo total.

CAMPO EN EL INTERIOR DE UN CONDUCTOR EN EQUILIBRIO

Cuando disponemos de un conductor que posee una exceso de carga q, dicha carga comenzará a distribuirse de tal forma que se minimicen las fuerzas de repulsión y todas ellas queden en reposo.
Si no hay movimiento de cargas quiere decir que no existe un campo eléctrico que las lleve a moverse.

El campo eléctrico en el interior de un conductor electrostático es nulo.

Imagina por un momento que aplicásemos una superficie gaussiana de igual tamaño que la del conductor.
Como el campo eléctrico es nulo en su interior, el flujo de líneas de campo a través de la superficie gaussiana será igualmente nulo. S
Si aplicamos, la expresión del teorema de Gauss:

Como podemos comprobar la carga neta en el interior de un conductor en equilibrio electrostático es nula.
La carga eléctrica de un conductor cargado por el que no pasa una intensidad de la corriente eléctrica uniformemente distribuida sobre su superficie.

CAMPO ELÉCTRICO CREADO POR UNA LÁMINA CARGADA UNIFORMEMENTE
Imagina una lámina conductora cargada uniformemente cuya densidad superficial de carga es σ (σ=Q/S).
El campo eléctrico generado por una lámina cargada uniformemente en un punto cuya distancia sea despreciable con respecto a su tamaño se obtiene por medio de la siguiente expresión:

E=σ2⋅ε

donde:
E es la intensidad del campo eléctrico en un punto muy próximo a la lámina.
σ es la densidad superficial de carga de la lámina.
ε es la permitividad del medio en el que se encuentra la lámina.

Para determinar el valor de la intensidad del campo eléctrico en cada punto próximo a nuestra lámina utilizaremos el teorema de Gauss y la definición de flujo eléctrico sobre una superficie cerrada. Pero previamente, haremos unas consideraciones previas.

En esencia, toda la carga de la lámina se puede ver como la unión de parejas de cargas simétricas (una y otra situadas en lados opuesto de la lámina), de tal forma que en cada punto próximo a ella, las componentes del campo eléctrico perpendiculares al radio de todas las parejas de cargas se anulan, haciendo que el campo eléctrico resultante esté formado únicamente por las componentes que siguen una dirección perpendicular a la superficie de la lámina.

Si utilizamos el teorema de Gauss para determinar el valor de E.

Escogemos una superficie cerrada que envuelva al objeto que crea el campo eléctrico. Dicha superficie denominada superficie gaussiana debe poseer un área fácil de obtener y debe ser perpendicular a dicho campo eléctrico.

Aplicamos la expresión general del flujo eléctrico para cualquier tipo de superficie. Aquí tendremos en cuenta que el flujo total que atraviesa el paralelepípedo es la suma de los flujos que atraviesan todas sus caras. Sin embargo, dado que las líneas de campo solo atraviesan S1 y S2, el flujo eléctrico en el resto de caras es nulo.

ΦE=ΦS1+ΦS2

En nuestro caso como en ambas bases  E→  y dS→  son paralelos, su producto escalar E→⋅dS→ = E⋅S⋅cos 0 = E⋅S

ΦE=ΦS1+ΦS2=∮SE→⋅dS→+∮SE→⋅dS→=2∮SE⋅dS =2 E⋅∮SdS = 2⋅E⋅S

El valor obtenido en el punto anterior se iguala a la expresión del teorema de Gauss. En nuestro caso, tendremos en cuenta que σ=Q/S.

ΦE= Qε=σ⋅Sε

Por tanto:

σ⋅Sε=2⋅E⋅S⇒E= σ2⋅ε

CAMPO ELÉCTRICO CREADO POR UN HILO CARGADO UNIFORMEMENTE
Imagina un hilo uniformemente cargado cuya densidad lineal de carga es λ (λ=Q/L).

El campo eléctrico generado por una distribución lineal de carga (hilo uniformemente cargado) en un punto próximo a él:

E=λ2⋅π⋅ε⋅d

donde:
E es la intensidad del campo eléctrico en un punto P.
λ es la densidad lineal de carga del hilo.
ε es la permitividad del medio en el que se encuentra el hilo.
d es la distancia al punto donde se calcula el campo eléctrico.

Si utilizamos el teorema de Gauss para determinar el valor de E, es común seguir los siguientes pasos:

Escogemos una superficie cerrada que envuelva al objeto que crea el campo eléctrico. Dicha superficie denominada superficie gaussiana debe poseer un área fácil de obtener y debe ser perpendicular a dicho campo eléctrico. En nuestro caso, parece evidente que la superficie gaussiana debería ser el cilindro "virtual".

Aplicamos la expresión general del flujo eléctrico para cualquier tipo de superficie. Aquí tendremos en cuenta que el flujo total que atraviesa el cilindro es la suma de los flujos que atraviesan todas sus caras. Sin embargo, dado que las líneas de campo solo atraviesan los laterales, el flujo eléctrico por las bases es nulo.

ΦE=ΦB+ΦL+ΦB ⇒ΦE = ΦL

En nuestro caso como en el el lateral E→  y dS→  son paralelos, su producto escalar E→⋅dS→ = E⋅S⋅cos 0 = E⋅S :

ΦE=ΦL =∮SLE→⋅dS→=∮SLE⋅dS =E⋅∮SLdS = E⋅SL

Teniendo en cuenta que la superficie lateral de un cilindro es SL=2·π·R·h

ΦE= E⋅SL = E⋅2⋅π⋅R⋅h

El valor obtenido en el punto anterior se iguala a la expresión del teorema de Gauss. En nuestro caso, tendremos en cuenta que λ=Q/L.

ΦE= Qε=λ⋅Lε

Por tanto, si consideramos que d es la distancia al punto donde medimos la intensidad del campo eléctrico d = R:

λ⋅Lε=E⋅2⋅π⋅d⋅h⇒E= λ2⋅π⋅ε⋅d

De momento esto es todo, espero que os haya servido para aprender nuevas cosas y disfrutar de los campos eléctricos en la física.

Como podéis observar, esto no es muy complejo, si tenéis alguna duda, podéis dejármela en los comentarios.

Gracias.