1. Ley de la desintegración

$$ N = N_0\,e^{-\lambda t} \qquad T_{1/2} = \frac{\ln2}{\lambda} \qquad A = \lambda N\ (\mathrm{Bq}) $$

Después de $n$ semividas queda $N_0/2^n$. La vida media es $\tau = 1/\lambda$.

2. Fisión y fusión

  • Fisión: un núcleo pesado se rompe (p. ej. $^{235}$U + n), liberando ≈ 200 MeV. Se usa en centrales nucleares; problema: residuos radiactivos.
  • Fusión: núcleos ligeros se unen (D + T → He + n, 17,6 MeV). Es la fuente de energía del Sol; requiere temperaturas de millones de grados.

3. Ejemplos resueltos

Un isótopo con $T_{1/2}=5$ años. ¿Qué fracción queda a los 15 años?

3 semividas: $(1/2)^3 = 1/8 = 12{,}5\,\%$

Constante de desintegración del yodo-131 ($T_{1/2}=8$ días).

$\lambda = \ln2/8 = 0{,}0866\ \mathrm{d^{-1}}$

Actividad de una muestra con $N = 10^{6}$ núcleos y $\lambda=0{,}01\ \mathrm{s^{-1}}$.

$A = \lambda N = 10^{4}$ Bq

Una muestra arqueológica contiene el 25 % del carbono-14 que tendría un ser vivo ($T_{1/2}=5730$ años). Estima su edad.

$25\%=\left(\tfrac12\right)^2$: han pasado 2 semividas, $t=2\cdot5730=11500$ años.

Una muestra tiene $10^{12}$ núcleos radiactivos con $T_{1/2}=2$ h. Calcula la actividad inicial y la actividad a las 6 h.

$\lambda=\dfrac{\ln2}{T_{1/2}}=9{,}63\cdot10^{-5}\ \mathrm{s^{-1}}$; $A_0=\lambda N_0=9{,}63\cdot10^{7}\ \mathrm{Bq}$.

A las 6 h han pasado 3 semividas: $A=\dfrac{A_0}{8}=1{,}20\cdot10^{7}\ \mathrm{Bq}$

En la fisión de un núcleo de $^{235}$U se liberan unos 200 MeV. Calcula la energía liberada al fisionar 1 g.

$N=\dfrac{6{,}022\cdot10^{23}}{235}=2{,}56\cdot10^{21}$ núcleos. $E=N\cdot200\ \mathrm{MeV}=8{,}20\cdot10^{10}\ \mathrm{J}$ (equivalente a unas 20 toneladas de TNT).

En la fusión $^2_1\mathrm{H}+{}^3_1\mathrm{H}\to{}^4_2\mathrm{He}+n$ se liberan 17,6 MeV. Compara la energía por nucleón con la de la fisión del uranio (200 MeV).

Fusión: $\dfrac{17{,}6}{5}=3{,}52\ \mathrm{MeV/nucleón}$. Fisión: $\dfrac{200}{236}=0{,}847\ \mathrm{MeV/nucleón}$. La fusión libera más energía por unidad de masa.

4. Errores frecuentes

  • Olvidar que el defecto de masa se calcula con las masas de las partículas libres menos la del núcleo.
  • Usar $T_{1/2}$ en lugar de $\lambda$ en la exponencial.

Contenido ampliado de los apuntes completos

5. Fórmulas fundamentales

ConceptoFórmula
Factor de Lorentz$\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$
Dilatación temporal$t = \gamma \tau$
Contracción de longitudes$L = \frac{L_0}{\gamma}$
Energía en reposo$E = mc^2$
Energía del fotón$E = hf = \frac{hc}{\lambda}$
Longitud de onda de De Broglie$\lambda = \frac{h}{p}$
Efecto fotoeléctrico$hf = W + E_{c,\text{máx}}$
Incertidumbre$\Delta x \Delta p \geq \frac{\hbar}{2}$
Niveles de Bohr$E_n = -\frac{13.6}{n^2}\ \text{eV}$
Radiactividad$N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$

6. Aplicaciones de la física moderna

  • La relatividad se usa para corregir el GPS.
  • La mecánica cuántica explica el funcionamiento de semiconductores, láseres y LED.
  • La física nuclear tiene aplicaciones médicas y energéticas.
  • El efecto fotoeléctrico es la base de sensores y células solares.

7. Ideas para repasar

  • Diferencia entre física clásica y física moderna.
  • Significado físico del factor de Lorentz.
  • Interpretación del efecto fotoeléctrico y de la dualidad onda-corpúsculo.
  • Uso correcto de $E = hf$, $E = mc^2$ y $N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$.

1. Frente a la fisión, la fusión nuclear: (1 punto)

2. Problemas numéricos (c = 3·10⁸ m/s; h = 6,63·10⁻³⁴ J·s; 1 eV = 1,6·10⁻¹⁹ J; 1 u = 931,5 MeV/c²; m_e = 9,1·10⁻³¹ kg): (6 puntos)

a ) Porcentaje de muestra que queda tras 3 semividas.

b ) Núcleos que quedan de 8000 tras 20 días con T½ = 10 días.

c ) Constante λ (s⁻¹) para T½ = 10 s.

d ) Porcentaje de núcleos que quedan tras 2 semividas.

e ) Semivida (años) de una sustancia de la que queda 1/16 tras 20 años.

f ) Porcentaje de núcleos que quedan tras un tiempo igual a media semivida.