diff --git a/pres_apli.pdf b/pres_apli.pdf new file mode 100644 index 0000000..90d66bc Binary files /dev/null and b/pres_apli.pdf differ diff --git a/pres_apli.tex b/pres_apli.tex new file mode 100644 index 0000000..46cd77e --- /dev/null +++ b/pres_apli.tex @@ -0,0 +1,516 @@ +\documentclass[12pt]{beamer} +\usetheme{AnnArbor} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage[spanish]{babel} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{amsfonts} +\usepackage{amssymb} +\usepackage{graphicx} +\usepackage{braket} + +\usepackage{appendixnumberbeamer} + +%\setbeamerfont{page number in head}{size=\large} +%\setbeamertemplate{footline}{Diapositiva} +\setbeamertemplate{footline}[frame number] + +\newcommand{\backupbegin}{ + \newcounter{finalframe} + \setcounter{finalframe}{\value{framenumber}} +} + +\newcommand{\backupend}{ + \setcounter{framenumber}{\value{finalframe}} +} + +\author{Física Nuclear y subnuclear } +\title{Aplicaciones} +%\setbeamercovered{transparent} +%\setbeamertemplate{navigation symbols}{} +%\logo{} +%\institute{} +%\date{} +%\subject{} +\begin{document} + +\begin{frame} +\titlepage +\end{frame} + +%\begin{frame}{Contenido} +% \tableofcontents +%\end{frame} + +\begin{frame}{Fisión Nuclear} + \begin{itemize} + \item Neutrones para generar isótopos + \item $A$ impar basta con neutrones térmicos $T\approx 300K$, $kT\approx 1/40\ eV$ + \item $A$ par neutrones con energía por encima de los $2\ MeV$ + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{${}^{235}U^{92}$} + \begin{equation} + {}^{235}U^{92} + n \rightarrow {}^{148}La^{57} + {}^{87}Br^{35} + n + \end{equation} + + \begin{itemize} + \item Número de nucleones + \item Diferencia de las energías de enlace $\approx 200\ MeV$ + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Modelo de la gota} + \begin{figure}[ht!] + \begin{center} + \includegraphics[width=0.27\linewidth]{gota.png} + \caption{Oscilaciones del núcleo tras ser colisionado por un neutrón de acuerdo al modelo de la gota. Imagen de Hullernuc con licencia \href{https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en}{CC-BY-SA 3.0}} + \label{fig:gotas} + \end{center} + \end{figure} +\end{frame} + +\begin{frame}{Modelo de la gota} + Parametrización del elipsoide + \begin{align*} + a =& R(1+\epsilon) \\ + b =& \frac{R}{(1+\epsilon)^{\frac{1}{2}}} + \end{align*} + El volumen + \begin{equation*} + V=\frac{4}{3}\pi R^2 = \frac{4}{3}\pi ab^2 + \end{equation*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Términos dependientes de la forma} + Tensión superficial + \begin{equation*} + a_2 A^{\frac{2}{3}} \rightarrow a_2 A^{\frac{2}{3}} \left( 1+\frac{2}{3}\epsilon^2 \right) + \end{equation*} + Término coulombiano + \begin{equation*} + a_3 \frac{Z^2}{A^{\frac{1}{3}}} \rightarrow a_3 \frac{Z^2}{A^{\frac{1}{3}}} \left( 1-\frac{1}{5}\epsilon^2 \right) + \end{equation*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Diferencias de energía} + \begin{align*} + \Delta =& B.E.(\text{elipsoide}) - B.E.(\text{esfera}) \\ + =& \frac{2}{5} \epsilon^2 a_2 A^{\frac{2}{3}} - \frac{1}{5}\epsilon^2 a_3 \frac{Z^2}{A^{\frac{1}{3}}} \\ + =& \frac{1}{5}\epsilon^2 A^{\frac{2}{3}} \left( 2a_2 - a_3\frac{Z^2}{A^{\frac{1}{3}}} \right) + \end{align*} + + \begin{align*} + \left( 2a_2 - a_3\frac{Z^2}{A^{\frac{1}{3}}} \right) >& 0 \\ + \text{es decir, } \frac{Z^2}{A} <& 47 + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Diferencias de enegía núcleos hijos} + \begin{align*} + \Delta =& B.E.(A,Z) - 2B.E.(\frac{A}{2},\frac{Z}{2})\\ + =& a_2 A^{\frac{2}{3}}\left( 1-2\left( \frac{1}{2} \right)^{\frac{2}{3}} \right) + a_3\frac{Z^2}{A^{\frac{1}{3}}} \left( 1-2\frac{(\frac{1}{2})^2}{(\frac{1}{2})^{\frac{1}{3}}} \right) \\ + \approx & 0.27 A^{\frac{2}{3}}\left( -16.5 + \frac{Z^2}{A} \right)\ MeV + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Estabilidad} + \begin{figure}[ht!] + \begin{center} + \includegraphics[width=0.7\linewidth]{binding.png} + \caption{Gráfica de energía de enlace por nucleón contra número de nucleones $A$ en el núcleo. Imagen de dominio público} + \label{fig:binding} + \end{center} + \end{figure} + +\end{frame} + +\begin{frame}{Reacción en cadena} + ${}^{235}U^{92}$ libera $\sim 200\ MeV$ + + \begin{equation} + {}^{235}U^{92} + n \rightarrow {}^{148}La^{57} + {}^{87}Br^{35} + n + \end{equation} + + \begin{equation*} + k=\frac{\text{Número de neutrones producido en la etapa } n+1}{\text{Número de neutrones producidos en la etapa }n} + \end{equation*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Posibilidades de $k$} + \begin{enumerate} + \item $k<1$ es un proceso \emph{subcrítico}, la reacción no se mantiene y no es útil para producir energía + \item $k=1$ es un proceso \emph{crítico}, se puede tener una reacción sosntenida y constante, es lo mejor para tener energía + \item $k>1$ es un proceso \emph{supercrítico}, la reacción en cadena es incontrolable y cada vez se produce más y más energía, una explosión. + \end{enumerate} +\end{frame} + +\begin{frame}{Reactores} + \begin{itemize} + \item ${}^{235}U^{92} \Rightarrow t_{\frac{1}{2}} \sim 7\times 10^8 \text{ años}$ + \item ${}^{238}U^{92} \Rightarrow t_{\frac{1}{2}} \sim 5\times 10^9\text{ años}$ + \item ${}^{235}U^{92} : {}^{238}U^{92} \Rightarrow \sim 1:138$ + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Reactor nuclear} + \begin{figure}[ht!] + \begin{center} + \includegraphics[width=0.7\linewidth]{reactor.jpg} + \caption{Reactor CROCUS, instalaciones nucleares del EPFL. Imagen de \href{https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Rama}{Rama}, con licencia \href{https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/deed.en}{CC-BY-SA 2.0 Francia}} + \label{fig:reactor} + \end{center} + \end{figure} + +\end{frame} + +\begin{frame}{Energía liberada} + ¿Cuánta energí libera $1gr$ de ${}^{235}U^{92}$? Sabemos que $200\ MeV = 2\times 10^8 eV = 3.2\times 10^{-11}J$ + \begin{align*} + E &\approx (3.2\times 10^{-11}J)(2.56\times 10^{21}) \\ + &\approx 8.19\times 10^{10} J \\ + &\approx 1\times 10^{11} J = 1MWD + \end{align*} + + En comparación 1 tonelada de carbón porduce $0.36\ MWD$. +\end{frame} + +\begin{frame}{Fusión Nuclear} + \begin{itemize} + \item Partimos de nucleos ligeros a más pesados + \item Al fusionar también se libera energía + \item Los núcleos ligero son más abundantes + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Fusión Nuclear} + \begin{align*} + V_{Coulomb} &= \frac{ZZ'e^2}{R+R'} \\ + &= \frac{e^2}{\hbar c} \frac{\hbar c Z Z'}{1.2[A^{\frac{1}{3}}+{A'}^{\frac{1}{3}}]fm}\\ + &= \frac{1}{137} \left( \frac{197 MeV-fm}{1.2 fm} \right) \frac{ZZ'}{A^{\frac{1}{3}}+{A'}^{\frac{1}{3}}} \\ + &\approx \frac{ZZ'}{{A^{\frac{1}{3}}+{A'}^{\frac{1}{3}}}} MeV \approx \frac{1}{8} A^{\frac{5}{3} MeV} + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Temperatura} + Colisionar no es práctico, mejor elevar la tenperatura ($300K\approx 1/40\ eV$, $2\ MeV$) + \begin{equation*} + \frac{2\times 10^6 eV}{\frac{1}{40}eV}\times 300K \approx 10^10 K + \end{equation*} + + Temperatura promedio del Sol $\approx 10^7 K$ +\end{frame} + +\begin{frame}{El Sol} + \begin{itemize} + \item Masa del Sol: $10^30 kg$ + \item Principal,mente hidrogeno es el combustible + \item Tiene $\sim 10^{56}$ átomos de ${}^1H^1$ + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Ciclo $p-p$} + \begin{align*} + {}^1H^1 + {}^1H^1 &\rightarrow {}^2H^1 + e^+ + \nu_e + 0.42MeV, \\ + {}^1H^1 + {}^2H^1 &\rightarrow {}^3He^2 + \gamma + 5.49MeV, \\ + {}^3He^2 + {}^3He^2 &\rightarrow {}^4He^2 + 2({}^1H^1) + 12.86MeV. + \end{align*} + Global + \begin{align*} + 6({}^1H^1) &\rightarrow {}^4He^2 + 2({}^1H^1) + 2e^+ + 2\nu_e + 2\gamma + 24.68MeV \\ + 4({}^1H^1) &\rightarrow {}^4He^2 + 2e^+ + 2\nu_e + 2\gamma + 24.68MeV + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Cantidad de combustible restante} + \begin{itemize} + \item Edad del universo: $\sim 10^{10}$ años + \item Tiempo restante de combustible: $10^9$ años + \end{itemize} +\end{frame} + + +\begin{frame}{Ciclo del carbono o CNO} + \begin{equation*} + 3({}^4He^2) \rightarrow {}^{12}C^6 + 7.27MeV + \end{equation*} + + \begin{align*} + {}^{12}C^6 + {}^1H^1 &\rightarrow {}^{13}N^7 + \gamma + 1.95MeV \\ + {}^{13}N &\rightarrow {}^{13}C^6 + e^+ + \nu_e + 1.20MeV \\ + {}^{13}C^6 + {}^1H^1 &\rightarrow {}^{14}N^7 + \gamma + 7.55MeV \\ + {}^{14}N^7 + {}^1H^1 &\rightarrow {}^{15}O^8 + \gamma + 7.34MeV \\ + {}^{15}O^8 &\rightarrow {}^{15}N^7 + e^+ + \nu_e + 1.68MeV \\ + {}^{15}N^7 + {}^1H^1 &\rightarrow {}^{12}C^6 + {}^4He^2 + 4.96MeV + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Ciclo del carbono} + \begin{align*} + {}^{12}C^6 +4({}^1H^1) &\rightarrow {}^{12}C^6 + {}^4He^2 + 2e^+ + 2\nu_e + 3\gamma + 24.68MeV \\ + 4({}^1H^1) &\rightarrow {}^4He^2 + 2e^+ + 2\nu_e + 3\gamma + 24.68MeV + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Fusión controlada} + \begin{align*} + {}^2H^1 + {}^3H^1 &\rightarrow {}^4He^2 + n + 17.6MeV \\ + {}^2H^1 + {}^2 H^1 &\rightarrow {}^3He^2 + n + 3.2MeV \\ + {}^2H^1 + {}^2H^1 &\rightarrow {}^3H^1 + {}^1H^1 + 4.0MeV + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Radiactividad natural} + \begin{itemize} + \item $\sim 1000$ núcleos radiactivos artificiales + \item $60$ núcleos radiactivos encontrados en la naturaleza + \item Por lo regular $81\leq Z \leq 92$ + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Islas de estabilidad otra vez} + \begin{figure}[ht!] + \begin{center} + \includegraphics[width=0.7\linewidth]{estabilidad.png} + \caption{Tabla de nucleones. Imagen de Hiroyuki Koura en el dominio público} + \label{fig:estabilidad} + \end{center} + \end{figure} +\end{frame} + +\begin{frame}{Series de núcleos} + \begin{itemize} + \item $A=4n$ serie del Torio, + \item $A=4n+1$ serie del Neptunio, + \item $A=4n+2$ serie del Uranio-Radio, + \item $A=4n+3$ serie del Uranio-Actinio, + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Vidas medias} + \begin{itemize} + \item $t_{\frac{1}{2}}({}^{232}Th^{90})= 9.63\times 10^9$ años + \item $t_{\frac{1}{2}}({}^{237}Np^{93})= 1.5\times 10^6$ años + \item $t_{\frac{1}{2}}({}^{238}U^{92})= 3.12\times 10^9$ años + \item $t_{\frac{1}{2}}({}^{235}U^{92})= 4.96\times 10^8$ años + \end{itemize} + Estabilidad: ${}^{208}Pb^{82}$ para el Th, ${}^{206}Pb^{82}$ para el ${}^{238}U^{92}$ y ${}^{207}Pb^{82}$ para el ${}^{235}U^{92}$ +\end{frame} + +\begin{frame}{Datación de carbono} + \begin{itemize} + \item ${}^{12}C^6$ y el ${}^{14}N^7$ abundantes en la atmósfera + \item En particular el ${}^{12}C^6$ forma la molécula de $CO_2$ + \item Rayos cósmicos atmosféricos generando interacciones + \item Neutrones lentos + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{El ${}^{14}C$} + \begin{equation*} + {}^{14}N^7 + n \rightarrow {}^{14}C^6 + p + \end{equation*} + + \begin{equation*} + {}^{14}C^6 \rightarrow {}^{14}N^7 + e^- + \bar{\nu_e} + \end{equation*} + + $t_{\frac{1}{2}}({}^{14}C^6) = 5730\text{ años}$ por decaimiento $\beta^-$ +\end{frame} + +\begin{frame}{Seres vivos} + \begin{itemize} + \item Ambos isótopos forman $CO_2$ + \item Los seres vivos absorben $CO_2$ constantemente + \item Una razón de ${}^{14}C^6/{}^{12}C^6\approx 1.3\times 10^{-12}$ en materia orgánica viva + \item Ya sea medir la razón o la actividad y comparar con la inicial + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Un ejemplo} + Un pedazo de madera de $50gr$, con una actividad de $320$ desintegraciones por minuto, sabemos que la actividad de una planta viva es de $12$ dsintegraciones/minuto/gramo y $t_{\frac{1}{2}}=5730$ años +\end{frame} + +\begin{frame}{Un ejemplo II} + \begin{equation*} + \lambda = \frac{ln(2)}{t_{\frac{1}{2}}} = \frac{ln(2)}{1.8\times 10^{11} seg} = 3.83\times 10^{-12} \frac{1}{seg.} + \end{equation*} + + \begin{equation*} + \mathcal{A}_0 = 0.2Bq/gr \times 50gr. = 10 Bq + \end{equation*} + + \begin{equation*} + \mathcal{A}(t=?) = 5.34Bq/ + \end{equation*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Un ejemplo III} + \begin{align*} + \mathcal{A}(t) =& \mathcal{A}_0 e^{-\lambda t}\\ + \text{reacomodando } \frac{\mathcal{A}(t)}{\mathcal{A}_0} =& e^{-\lambda t}\\ + \text{despejando } t=& \frac{1}{\lambda}ln\left( \frac{\mathcal{A}_0}{\mathcal{A}(t)} \right) + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Un ejemplo IV} + \begin{align*} + t &= \frac{1}{\lambda}ln\left( \frac{\mathcal{A}_0}{\mathcal{A}(t)} \right) \approx \frac{1}{3.83\times 10^{-12} \frac{1}{seg.}}ln\left( \frac{10Bq}{5.34Bq} \right) \\ + &\approx 1.64 \times 10^{11} seg \approx 5194\text{ años} + \end{align*} + La pieza de madera tienen alrededor de 5194 años, debe ser un fósil. +\end{frame} + +\begin{frame}{Dosimetría} + \begin{itemize} + \item No tenemos detectores naturales de radiación ionizante + \item El principal daño se debe a la ionización o la energía depositada + \item Hay fuentes de manera natural y artificial + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Roentgen} + La unidad más antigua de exposición + \begin{align*} + 1\text{ Roentgen} =& \text{ la cantidad de rayos X que producen una ionización de }\\ + &1\ esu/cm^3 \\ + =& 2.58 coul./kg \text{ para aire en STP} + \end{align*} + Solo rayos $X$ y $\gamma$ en el aire. Ionización por electrones. +\end{frame} + +\begin{frame}{Razón de exposición} + Radiación isotrópica de un punto y despreciando atenuación + \begin{equation*} + \text{Razón de exposición } = \frac{\Gamma \mathcal{A}}{d^2}, + \end{equation*} + \begin{table}[ht!] + \begin{tabular}{|p{0.3\textwidth} p{0.3\textwidth}|} + \hline + Fuente & $\Gamma [R\cdot cm^2/(hr\cdot mCi)]$ \\ + \hline + ${}^{137}Ce$ & 3.3 \\ + ${}^{57}Co$ & 13.2 \\ + ${}^{22}Na$ & 12.0 \\ + ${}^{60}Co$ & 13.2 \\ + ${}^{222}Ra$ & 8.25 \\ + \hline + \end{tabular} + \label{tab:razon} + \end{table} +\end{frame} + +\begin{frame}{Dosis absorbida} + \begin{align*} + 1rad &= 100erg/gr \\ + 1Gray &= 1 Joule/kg = 100rad + \end{align*} + + No diferencia entre funtes +\end{frame} + +\begin{frame}{Un ejemplo} + Calcula la dosis absorbida en el aire para 1 Roentgen de rayos $\gamma$. Asume que para electrones, la energía promedio necesaria para producir un par ión-electrón es de $32eV$. + + \begin{equation} + 1 R = 1 esu/cm^3 = \frac{1}{3.33\times 10^{-10}coul/esu} + \end{equation} + + \begin{equation*} + \text{dosis absorbida} = \frac{1}{3.33\times 10^{-10}coul/esu} \times 32eV/\text{ión-electrón} \times \frac{1}{\rho} + \end{equation*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Efectividad biológica relativa y dosis equivalente} + La ionizacipon depende de la trasferencia de energía lineal ($dE/dx$) + \begin{table}[ht!] + \begin{tabular}{|p{0.1\textwidth} p{0.1\textwidth} p{0.1\textwidth} p{0.1\textwidth} p{0.1\textwidth} p{0.1\textwidth} p{0.1\textwidth}|} + \hline + & $\gamma$ & $\beta$ & $p$ & $\alpha$ & $n$ rap. & $n$ term. \\ + \hline + RBE & $1$ & $1$ & $10$ & $20$ & $10$ & $3$ \\ + + \hline + \end{tabular} + \end{table} + + \begin{align*} + \text{rem} &= \text{RBE} \times rad \\ + \text{Sievert}(Sv) &= \text{RBE} \times Gray\ (1Sv=100rem) + \end{align*} +\end{frame} + + +\begin{frame}{Dosis típicas} + \begin{table}[ht!] + \begin{tabular}{|p{0.4\textwidth} p{0.4\textwidth} |} + \hline + Fuentes naturales & \\ + \hline + Rayos cósmicos & $28mrem/\text{año}$ \\ + Fondo natural (U, Th, Ra) & $26mrem/\text{año}$ \\ + Fuentes radiactivas dentro del cuerpo (${}^{40}K$, ${}^{14}C$) & $26mrem/\text{año}$ \\ + \hline + Fuentes ambientales & \\ + \hline + Debidas a la tecnología & $4mrem/\text{año}$ \\ + Contaminación radiactiva global & $4mrem/\text{año}$ \\ + Energía nuclear & $0.3mrem/\text{año}$ \\ + \hline + \end{tabular} + \end{table} +\end{frame} + +\begin{frame}{Dosis típicas II} + \begin{table}[ht!] + \begin{tabular}{|p{0.4\textwidth} p{0.4\textwidth} |} + \hline + Fuentes médicas & \\ + \hline + Diagnostico & $78mrem/\text{año}$ \\ + Rayos X & $100-200mrem/\text{año}$ \\ + Fármacos & $14mrem/\text{año}$ \\ + Ocupacional & $1mrem/\text{año}$ \\ + Productos (TV) & $5mrem/\text{año}$ \\ + \hline + \end{tabular} + \end{table} +\end{frame} + +\begin{frame}{Física nuclear y de partículas en la astrofísica} + \begin{table}[ht!] + \begin{tabular}{|p{0.18\textwidth} p{0.15\textwidth} p{0.15\textwidth} p{0.18\textwidth} p{0.18\textwidth}|} + \hline + Edad & Temperatura (K) & Energia (eV) & Transición & Era \\ + \hline + $1.4\times 10^{10}$ años & $2.7$ & $\sim 10^{-4}$ & & Epoca actual, estrellas \\ + \hline + $4\times 10^{5}$ años & $3\times 10^3$ & $\sim 10^{-1}$ & Plasma a átomos & Fotón \\ + \hline + 3 minutos & $10^9$ & $\sim 10^{5}$ & Nucleosíntesis & Particulas \\ + \hline + \end{tabular} + \end{table} +\end{frame} + +\begin{frame}{Física nuclear y de partículas en la astrofísica} + \begin{table}[ht!] + \begin{tabular}{|p{0.18\textwidth} p{0.15\textwidth} p{0.15\textwidth} p{0.18\textwidth} p{0.18\textwidth}|} + \hline + Edad & Temperatura (K) & Energia (eV) & Transición & Era \\ + \hline + $10^{-6}$ seg. & $10^{12}$ & $\sim 10^8$ & Cuarks (hadronización) & Cuark \\ + \hline + $10^{-10}$ seg. & $10^{15}$ & $\sim 10^{11}$ & Unificación electrodébil & Electrodébil \\ + \hline + $10^{-33}$ seg. & $10^{28}$¿? & $\sim 10^{24}$ & Inflación & Inflación \\ + \hline + $10^{-43}$ seg. & $10^{32}$ & $\sim 10^{28}$ & Todas las fuerzas unificadas & SUSY, Planck \\ + \hline + 0 & & & Vacío a materia & \\ + \hline + \end{tabular} + \end{table} +\end{frame} + +\end{document} diff --git a/pres_apli.tex~ b/pres_apli.tex~ new file mode 100644 index 0000000..adddb42 --- /dev/null +++ b/pres_apli.tex~ @@ -0,0 +1,516 @@ +\documentclass[12pt]{beamer} +\usetheme{AnnArbor} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage[spanish]{babel} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{amsfonts} +\usepackage{amssymb} +\usepackage{graphicx} +\usepackage{braket} + +\usepackage{appendixnumberbeamer} + +%\setbeamerfont{page number in head}{size=\large} +%\setbeamertemplate{footline}{Diapositiva} +\setbeamertemplate{footline}[frame number] + +\newcommand{\backupbegin}{ + \newcounter{finalframe} + \setcounter{finalframe}{\value{framenumber}} +} + +\newcommand{\backupend}{ + \setcounter{framenumber}{\value{finalframe}} +} + +\author{Física Nuclear y subnuclear } +\title{Aplicaciones} +%\setbeamercovered{transparent} +%\setbeamertemplate{navigation symbols}{} +%\logo{} +%\institute{} +%\date{} +%\subject{} +\begin{document} + +\begin{frame} +\titlepage +\end{frame} + +%\begin{frame}{Contenido} +% \tableofcontents +%\end{frame} + +\begin{frame}{Fisión Nuclear} + \begin{itemize} + \item Neutrones para generar isótopos + \item $A$ impar basta con neutrones térmicos $T\approx 300K$, $kT\approx 1/40\ eV$ + \item $A$ par neutrones con energía por encima de los $2\ MeV$ + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{${}^{235}U^{92}$} + \begin{equation} + {}^{235}U^{92} + n \rightarrow {}^{148}La^{57} + {}^{87}Br^{35} + n + \end{equation} + + \begin{itemize} + \item Número de nucleones + \item Diferencia de las energías de enlace $\approx 200\ MeV$ + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Modelo de la gota} + \begin{figure}[ht!] + \begin{center} + \includegraphics[width=0.27\linewidth]{gota.png} + \caption{Oscilaciones del núcleo tras ser colisionado por un neutrón de acuerdo al modelo de la gota. Imagen de Hullernuc con licencia \href{https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en}{CC-BY-SA 3.0}} + \label{fig:gotas} + \end{center} + \end{figure} +\end{frame} + +\begin{frame}{Modelo de la gota} + Parametrización del elipsoide + \begin{align*} + a =& R(1+\epsilon) \\ + b =& \frac{R}{(1+\epsilon)^{\frac{1}{2}}} + \end{align*} + El volumen + \begin{equation*} + V=\frac{4}{3}\pi R^2 = \frac{4}{3}\pi ab^2 + \end{equation*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Términos dependientes de la forma} + Tensión superficial + \begin{equation*} + a_2 A^{\frac{2}{3}} \rightarrow a_2 A^{\frac{2}{3}} \left( 1+\frac{2}{3}\epsilon^2 \right) + \end{equation*} + Término coulombiano + \begin{equation*} + a_3 \frac{Z^2}{A^{\frac{1}{3}}} \rightarrow a_3 \frac{Z^2}{A^{\frac{1}{3}}} \left( 1-\frac{1}{5}\epsilon^2 \right) + \end{equation*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Diferencias de energía} + \begin{align*} + \Delta =& B.E.(\text{elipsoide}) - B.E.(\text{esfera}) \\ + =& \frac{2}{5} \epsilon^2 a_2 A^{\frac{2}{3}} - \frac{1}{5}\epsilon^2 a_3 \frac{Z^2}{A^{\frac{1}{3}}} \\ + =& \frac{1}{5}\epsilon^2 A^{\frac{2}{3}} \left( 2a_2 - a_3\frac{Z^2}{A^{\frac{1}{3}}} \right) + \end{align*} + + \begin{align*} + \left( 2a_2 - a_3\frac{Z^2}{A^{\frac{1}{3}}} \right) >& 0 \\ + \text{es decir, } \frac{Z^2}{A} <& 47 + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Diferencias de enegía núcleos hijos} + \begin{align*} + \Delta =& B.E.(A,Z) - 2B.E.(\frac{A}{2},\frac{Z}{2})\\ + =& a_2 A^{\frac{2}{3}}\left( 1-2\left( \frac{1}{2} \right)^{\frac{2}{3}} \right) + a_3\frac{Z^2}{A^{\frac{1}{3}}} \left( 1-2\frac{(\frac{1}{2})^2}{(\frac{1}{2})^{\frac{1}{3}}} \right) \\ + \approx & 0.27 A^{\frac{2}{3}}\left( -16.5 + \frac{Z^2}{A} \right)\ MeV + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Estabilidad} + \begin{figure}[ht!] + \begin{center} + \includegraphics[width=0.7\linewidth]{binding.png} + \caption{Gráfica de energía de enlace por nucleón contra número de nucleones $A$ en el núcleo. Imagen de dominio público} + \label{fig:binding} + \end{center} + \end{figure} + +\end{frame} + +\begin{frame}{Reacción en cadena} + ${}^{235}U^{92}$ libera $\sim 200\ MeV$ + + \begin{equation} + {}^{235}U^{92} + n \rightarrow {}^{148}La^{57} + {}^{87}Br^{35} + n + \end{equation} + + \begin{equation*} + k=\frac{\text{Número de neutrones producido en la etapa } n+1}{\text{Número de neutrones producidos en la etapa }n} + \end{equation*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Posibilidades de $k$} + \begin{enumerate} + \item $k<1$ es un proceso \emph{subcrítico}, la reacción no se mantiene y no es útil para producir energía + \item $k=1$ es un proceso \emph{crítico}, se puede tener una reacción sosntenida y constante, es lo mejor para tener energía + \item $k>1$ es un proceso \emph{supercrítico}, la reacción en cadena es incontrolable y cada vez se produce más y más energía, una explosión. + \end{enumerate} +\end{frame} + +\begin{frame}{Reactores} + \begin{itemize} + \item ${}^{235}U^{92} \Rightarrow t_{\frac{1}{2}} \sim 7\times 10^8 \text{ años}$ + \item ${}^{238}U^{92} \Rightarrow t_{\frac{1}{2}} \sim 5\times 10^9\text{ años}$ + \item ${}^{235}U^{92} : {}^{238}U^{92} \Rightarrow \sim 1:138$ + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Reactor nuclear} + \begin{figure}[ht!] + \begin{center} + \includegraphics[width=0.7\linewidth]{reactor.jpg} + \caption{Reactor CROCUS, instalaciones nucleares del EPFL. Imagen de \href{https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Rama}{Rama}, con licencia \href{https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/fr/deed.en}{CC-BY-SA 2.0 Francia}} + \label{fig:reactor} + \end{center} + \end{figure} + +\end{frame} + +\begin{frame}{Energía liberada} + ¿Cuánta energí libera $1gr$ de ${}^{235}U^{92}$? Sabemos que $200\ MeV = 2\times 10^8 eV = 3.2\times 10^{-11}J$ + \begin{align*} + E &\approx (3.2\times 10^{-11}J)(2.56\times 10^{21}) \\ + &\approx 8.19\times 10^{10} J \\ + &\approx 1\times 10^{11} J = 1MWD + \end{align*} + + En comparación 1 tonelada de carbón porduce $0.36\ MWD$. +\end{frame} + +\begin{frame}{Fusión Nuclear} + \begin{itemize} + \item Partimos de nucleos ligeros a más pesados + \item Al fusionar también se libera energía + \item Los núcleos ligero son más abundantes + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Fusión Nuclear} + \begin{align*} + V_{Coulomb} &= \frac{ZZ'e^2}{R+R'} \\ + &= \frac{e^2}{\hbar c} \frac{\hbar c Z Z'}{1.2[A^{\frac{1}{3}}+{A'}^{\frac{1}{3}}]fm}\\ + &= \frac{1}{137} \left( \frac{197 MeV-fm}{1.2 fm} \right) \frac{ZZ'}{A^{\frac{1}{3}}+{A'}^{\frac{1}{3}}} \\ + &\approx \frac{ZZ'}{{A^{\frac{1}{3}}+{A'}^{\frac{1}{3}}}} MeV \approx \frac{1}{8} A^{\frac{5}{3} MeV} + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Temperatura} + Colisionar no es práctico, mejor elevar la tenperatura ($300K\approx 1/40\ eV$, $2\ MeV$) + \begin{equation*} + \frac{2\times 10^6 eV}{\frac{1}{40}eV}\times 300K \approx 10^10 K + \end{equation*} + + Temperatura promedio del Sol $\approx 10^7 K$ +\end{frame} + +\begin{frame}{El Sol} + \begin{itemize} + \item Masa del Sol: $10^30 kg$ + \item Principal,mente hidrogeno es el combustible + \item Tiene $\sim 10^{56}$ átomos de ${}^1H^1$ + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Ciclo $p-p$} + \begin{align*} + {}^1H^1 + {}^1H^1 &\rightarrow {}^2H^1 + e^+ + \nu_e + 0.42MeV, \\ + {}^1H^1 + {}^2H^1 &\rightarrow {}^3He^2 + \gamma + 5.49MeV, \\ + {}^3He^2 + {}^3He^2 &\rightarrow {}^4He^2 + 2({}^1H^1) + 12.86MeV. + \end{align*} + Global + \begin{align*} + 6({}^1H^1) &\rightarrow {}^4He^2 + 2({}^1H^1) + 2e^+ + 2\nu_e + 2\gamma + 24.68MeV \\ + 4({}^1H^1) &\rightarrow {}^4He^2 + 2e^+ + 2\nu_e + 2\gamma + 24.68MeV + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Cantidad de combustible restante} + \begin{itemize} + \item Edad del universo: $\sim 10^{10}$ años + \item Tiempo restante de combustible: $10^9$ años + \end{itemize} +\end{frame} + + +\begin{frame}{Ciclo del carbono o CNO} + \begin{equation*} + 3({}^4He^2) \rightarrow {}^{12}C^6 + 7.27MeV + \end{equation*} + + \begin{align*} + {}^{12}C^6 + {}^1H^1 &\rightarrow {}^{13}N^7 + \gamma + 1.95MeV \\ + {}^{13}N &\rightarrow {}^{13}C^6 + e^+ + \nu_e + 1.20MeV \\ + {}^{13}C^6 + {}^1H^1 &\rightarrow {}^{14}N^7 + \gamma + 7.55MeV \\ + {}^{14}N^7 + {}^1H^1 &\rightarrow {}^{15}O^8 + \gamma + 7.34MeV \\ + {}^{15}O^8 &\rightarrow {}^{15}N^7 + e^+ + \nu_e + 1.68MeV \\ + {}^{15}N^7 + {}^1H^1 &\rightarrow {}^{12}C^6 + {}^4He^2 + 4.96MeV + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Ciclo del carbono} + \begin{align*} + {}^{12}C^6 +4({}^1H^1) &\rightarrow {}^{12}C^6 + {}^4He^2 + 2e^+ + 2\nu_e + 3\gamma + 24.68MeV \\ + 4({}^1H^1) &\rightarrow {}^4He^2 + 2e^+ + 2\nu_e + 3\gamma + 24.68MeV + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Fusión controlada} + \begin{align*} + {}^2H^1 + {}^3H^1 &\rightarrow {}^4He^2 + n + 17.6MeV \\ + {}^2H^1 + {}^2 H^1 &\rightarrow {}^3He^2 + n + 3.2MeV \\ + {}^2H^1 + {}^2H^1 &\rightarrow {}^3H^1 + {}^1H^1 + 4.0MeV + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Radiactividad natural} + \begin{itemize} + \item $\sim 1000$ núcleos radiactivos artificiales + \item $60$ núcleos radiactivos encontrados en la naturaleza + \item Por lo regular $81\leq Z \leq 92$ + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Islas de estabilidad otra vez} + \begin{figure}[ht!] + \begin{center} + \includegraphics[width=0.7\linewidth]{estabilidad.png} + \caption{Tabla de nucleones. Imagen de Hiroyuki Koura en el dominio público} + \label{fig:estabilidad} + \end{center} + \end{figure} +\end{frame} + +\begin{frame}{Series de núcleos} + \begin{itemize} + \item $A=4n$ serie del Torio, + \item $A=4n+1$ serie del Neptunio, + \item $A=4n+2$ serie del Uranio-Radio, + \item $A=4n+3$ serie del Uranio-Actinio, + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Vidas medias} + \begin{itemize} + \item $t_{\frac{1}{2}}({}^{232}Th^{90})= 9.63\times 10^9$ años + \item $t_{\frac{1}{2}}({}^{237}Np^{93})= 1.5\times 10^6$ años + \item $t_{\frac{1}{2}}({}^{238}U^{92})= 3.12\times 10^9$ años + \item $t_{\frac{1}{2}}({}^{235}U^{92})= 4.96\times 10^8$ años + \end{itemize} + Estabilidad: ${}^{208}Pb^{82}$ para el Th, ${}^{206}Pb^{82}$ para el ${}^{238}U^{92}$ y ${}^{207}Pb^{82}$ para el ${}^{235}U^{92}$ +\end{frame} + +\begin{frame}{Datación de carbono} + \begin{itemize} + \item ${}^{12}C^6$ y el ${}^{14}N^7$ abundantes en la atmósfera + \item En particular el ${}^{12}C^6$ forma la molécula de $CO_2$ + \item Rayos cósmicos atmosféricos generando interacciones + \item Neutrones lentos + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{El ${}^{14}C$} + \begin{equation*} + {}^{14}N^7 + n \rightarrow {}^{14}C^6 + p + \end{equation*} + + \begin{equation*} + {}^{14}C^6 \rightarrow {}^{14}N^7 + e^- + \bar{\nu_e} + \end{equation*} + + $t_{\frac{1}{2}}({}^{14}C^6) = 5730\text{ años}$ por decaimiento $\beta^-$ +\end{frame} + +\begin{frame}{Seres vivos} + \begin{itemize} + \item Ambos isótopos forman $CO_2$ + \item Los seres vivos absorben $CO_2$ constantemente + \item Una razón de ${}^{14}C^6/{}^{12}C^6\approx 1.3\times 10^{-12}$ en materia orgánica viva + \item Ya sea medir la razón o la actividad y comparar con la inicial + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Un ejemplo} + Un pedazo de madera de $50gr$, con una actividad de $320$ desintegraciones por minuto, sabemos que la actividad de una planta viva es de $12$ dsintegraciones/minuto/gramo y $t_{\frac{1}{2}}=5730$ años +\end{frame} + +\begin{frame}{Un ejemplo II} + \begin{equation*} + \lambda = \frac{ln(2)}{t_{\frac{1}{2}}} = \frac{ln(2)}{1.8\times 10^{11} seg} = 3.83\times 10^{-12} \frac{1}{seg.} + \end{equation*} + + \begin{equation*} + \mathcal{A}_0 = 0.2Bq/gr \times 50gr. = 10 Bq + \end{equation*} + + \begin{equation*} + \mathcal{A}(t=?) = 5.34Bq/ + \end{equation*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Un ejemplo III} + \begin{align*} + \mathcal{A}(t) =& \mathcal{A}_0 e^{-\lambda t}\\ + \text{reacomodando } \frac{\mathcal{A}(t)}{\mathcal{A}_0} =& e^{-\lambda t}\\ + \text{despejando } t=& \frac{1}{\lambda}ln\left( \frac{\mathcal{A}_0}{\mathcal{A}(t)} \right) + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Un ejemplo IV} + \begin{align*} + t &= \frac{1}{\lambda}ln\left( \frac{\mathcal{A}_0}{\mathcal{A}(t)} \right) \approx \frac{1}{3.83\times 10^{-12} \frac{1}{seg.}}ln\left( \frac{10Bq}{5.34Bq} \right) \\ + &\approx 1.64 \times 10^{11} seg \approx 5194\text{ años} + \end{align*} + La pieza de madera tienen alrededor de 5194 años, debe ser un fósil. +\end{frame} + +\begin{frame}{Dosimetría} + \begin{itemize} + \item No tenemos detectores naturales de radiación ionizante + \item El principal daño se debe a la ionización o la energía depositada + \item Hay fuentes de manera natural y artificial + \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Roentgen} + La unidad más antigua de exposición + \begin{align*} + 1\text{ Roentgen} =& \text{ la cantidad de rayos X que producen una ionización de }\\ + &1\ esu/cm^3 \\ + =& 2.58 coul./kg \text{ para aire en STP} + \end{align*} + Solo rayos $X$ y $\gamma$ en el aire. Ionización por electrones. +\end{frame} + +\begin{frame}{Razón de exposición} + Radiación isotrópica de un punto y despreciando atenuación + \begin{equation*} + \text{Razón de exposición } = \frac{\Gamma \mathcal{A}}{d^2}, + \end{equation*} + \begin{table}[ht!] + \begin{tabular}{|p{0.3\textwidth} p{0.3\textwidth}|} + \hline + Fuente & $\Gamma [R\cdot cm^2/(hr\cdot mCi)]$ \\ + \hline + ${}^{137}Ce$ & 3.3 \\ + ${}^{57}Co$ & 13.2 \\ + ${}^{22}Na$ & 12.0 \\ + ${}^{60}Co$ & 13.2 \\ + ${}^{222}Ra$ & 8.25 \\ + \hline + \end{tabular} + \label{tab:razon} + \end{table} +\end{frame} + +\begin{frame}{Dosis absorbida} + \begin{align*} + 1rad &= 100erg/gr \\ + 1Gray &= 1 Joule/kg = 100rad + \end{align*} + + No diferencia entre funtes +\end{frame} + +\begin{frame}{Un ejemplo} + Calcula la dosis absorbida en el aire para 1 Roentgen de rayos $\gamma$. Asume que para electrones, la energía promedio necesaria para producir un par ión-electrón es de $32eV$. + + \begin{equation} + 1 R = 1 esu/cm^3 = \frac{1}{3.33\times 10^{-10}coul/esu} + \end{equation} + + \begin{equation*} + \text{dosis absorbida} = \frac{1}{3.33\times 10^{-10}coul/esu} \times 32eV/\text{ión-electrón} \times \frac{1}{\rho} + \end{equation*} +\end{frame} + +\begin{frame}{Efectividad biológica relativa y dosis equivalente} + La ionizacipon depende de la trasferencia de energía lineal ($dE/dx$) + \begin{table}[ht!] + \begin{tabular}{|p{0.1\textwidth} p{0.1\textwidth} p{0.1\textwidth} p{0.1\textwidth} p{0.1\textwidth} p{0.1\textwidth} p{0.1\textwidth}|} + \hline + & $\gamma$ & $\beta$ & $p$ & $\alpha$ & $n$ rap. & $n$ term. \\ + \hline + RBE & $1$ & $1$ & $10$ & $20$ & $10$ & $3$ \\ + + \hline + \end{tabular} + \end{table} + + \begin{align*} + \text{rem} &= \text{RBE} \times rad \\ + \text{Sievert}(Sv) &= \text{RBE} \times Gray\ (1Sv=100rem) + \end{align*} +\end{frame} + + +\begin{frame}{Dosis típicas} + \begin{table}[ht!] + \begin{tabular}{|p{0.4\textwidth} p{0.4\textwidth} |} + \hline + Fuentes naturales & \\ + \hline + Rayos cósmicos & $28mrem/\text{año}$ \\ + Fondo natural (U, Th, Ra) & $26mrem/\text{año}$ \\ + Fuentes radiactivas dentro del cuerpo (${}^{40}K$, ${}^{14}C$) & $26mrem/\text{año}$ \\ + \hline + Fuentes ambientales & \\ + \hline + Debidas a la tecnología & $4mrem/\text{año}$ \\ + Contaminación radiactiva global & $4mrem/\text{año}$ \\ + Energía nuclear & $0.3mrem/\text{año}$ \\ + \hline + \end{tabular} + \end{table} +\end{frame} + +\begin{frame}{Dosis típicas II} + \begin{table}[ht!] + \begin{tabular}{|p{0.4\textwidth} p{0.4\textwidth} |} + \hline + Fuentes médicas & \\ + \hline + Diagnostico & $78mrem/\text{año}$ \\ + Rayos X & $100-200mrem/\text{año}$ \\ + Fármacos & $14mrem/\text{año}$ \\ + Ocupacional & $1mrem/\text{año}$ \\ + Productos (TV) & $5mrem/\text{año}$ \\ + \hline + \end{tabular} + \end{table} +\end{frame} + +\begin{frame}{Física nuclear y de partículas en la astrofísica} + \begin{table}[ht!] + \begin{tabular}{|p{0.18\textwidth} p{0.15\textwidth} p{0.15\textwidth} p{0.18\textwidth} p{0.18\textwidth}|} + \hline + Edad & Temperatura (K) & Energia (eV) & Transición & Era \\ + \hline + $1.4\times 10^{10}$ años & $2.7$ & $\sim 10^{-4}$ & & Epoca actual, estrellas \\ + \hline + $4\times 10^{5}$ años & $3\times 10^3$ & $\sim 10^{-1}$ & Plasma a átomos & Fotón \\ + \hline + 3 minutos & $10^9$ & $\sim 10^{5}$ & Nucleosíntesis & Particulas \\ + \hline + \end{tabular} + \end{table} +\end{frame} + +\begin{frame}{Física nuclear y de partículas en la astrofísica} + \begin{table}[ht!] + \begin{tabular}{|p{0.18\textwidth} p{0.15\textwidth} p{0.15\textwidth} p{0.18\textwidth} p{0.18\textwidth}|} + \hline + Edad & Temperatura (K) & Energia (eV) & Transición & Era \\ + \hline + $10^{-6}$ seg. & $10^{12}$ & $\sim 10^8$ & Cuarks (hadronización) & Cuark \\ + \hline + $10^{-10}$ seg. & $10^{15}$ & $\sim 10^{11}$ & Unificación electrodébil & Electrodébil \\ + \hline + $10^{-33}$ seg. & $10^{28}$¿? & $\sim 10^{24}$ & Inflación & Inflación \\ + \hline + $10^{-43}$ seg. & $10^{32}$ & $\sim 10^{28}$ & Todas las fuerzas unificadas & SUSY, Planck \\ + \hline + 0 & & & Vacío a materia & \\ + \hline + \end{tabular} + \end{table} +\end{frame} + +\end{document}