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Apuntes/Física/Física nuclear y de partículas
ES · Selectividad

Física nuclear y de partículas

Este tema cierra el Bloque D del currículo de Física de 2.º de Bachillerato y aborda el corazón de la materia: el núcleo atómico, su estabilidad mediante el defecto de masa y la energía de enlace, la radiactividad natural con sus emisiones α, β y γ y su ley exponencial, las reacciones de fisión y fusión, sus aplicaciones (energía, datación y medicina) y, por último, el Modelo Estándar y las interacciones fundamentales como intercambio de bosones. Es un contenido plenamente evaluable en la fase de acceso de la Selectividad/PAU, donde se combinan cálculos cuantitativos (energía de enlace, ley de desintegración, balances de masa-energía) con la descripción cualitativa de procesos y un debate ético sobre el uso de la energía nuclear.

5 secciones·~34 min de lectura·4 competencias·Revisado · 07/2026

T·111111 / 11
Perfil de examen
CE1 · Resolver problemas de física nuclear (defecto de masa, energía de enlace, ley de desintegración, balances de masa-energía) por métodos analíticos, reconociendo la relevancia tecnológica y social de la disciplina.CE2 · Describir aplicaciones prácticas de la física nuclear en los campos tecnológico, industrial y biosanitario (reactores, datación por carbono-14, radioterapia y diagnóstico por imagen).CE5 · Debatir de forma argumentada sobre la implicación de la física nuclear en la sociedad desde un punto de vista ético (residuos, riesgo, beneficio médico y energético).CE6 · Reconocer el carácter multidisciplinar y el recorrido histórico de la física nuclear y de partículas, desde Becquerel y los Curie hasta el Modelo Estándar y el bosón de Higgs (CERN/LHC).
Operadores:calculaexplicajustificainterpretaanalizarazonarelacionadescribedebate

nivel básico

Como materia de modalidad en la fase de acceso, domina lo nuclear cuantitativo: defecto de masa, energía de enlace por nucleón, ley de desintegración N = N₀·e^(−λt) y periodo de semidesintegración, además de las emisiones α, β y γ y los balances de fisión y fusión.

nivel avanzado

Para la fase de admisión y para una nota alta, profundiza en la curva de energía de enlace (por qué fisión y fusión liberan energía), la datación por carbono-14, las aplicaciones biosanitarias y el Modelo Estándar (quarks, leptones y bosones mediadores) con el argumentario ético.

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Contenido · 5 secciones▾
  1. Física nuclear y de partículas
    • 01El núcleo atómico: defecto de masa y energía de enlace◐
    • 02Radiactividad: emisiones α, β, γ y ley de desintegración◐
    • 03Reacciones nucleares: fisión y fusión◐
    • 04Aplicaciones (energía, datación y medicina) y debate ético○
    • 05Modelo estándar, interacciones fundamentales y aceleradores●

5 secciones · 20 puntos clave · 16 fórmulas · 20 errores típicos

§ 01
§ 01

El núcleo atómico: defecto de masa y energía de enlace#

~8 min de lectura●●○EstándarCVBOE-A-2022-5521 · Anexo II · Física (2.º de Bachillerato) · Saberes básicos, bloque D (Física relativista, cuántica, nuclear y de partículas): «Núcleos atómicos y estabilidad de isótopos. Radiactividad natural y otros procesos nucleares. Aplicaciones en los campos de la ingeniería, la tecnología y la salud.»

El defecto de masa: los nucleones libres pesan más que el núcleo

El defecto de masaEsquema con 10 elementos, p, p, n, n, He-4, 2m_p + 2m_n, M < 2m_p + 2m_n, E = Δm·c² (enlace)ppnnHe-42mp + 2mnM < 2mp + 2mnE = Δm·c²(enlace)

Puntos clave

El núcleo atómico es la región central, diminuta y densísima del átomo donde se concentra prácticamente toda su masa y la totalidad de su carga positiva. Está formado por nucleones —protones y neutrones—, y se describe con dos números: el número atómico Z (número de protones, que identifica el elemento) y el número másico A (número total de nucleones, A = Z + N, siendo N el número de neutrones). Un nucleido concreto se simboliza como «ᴬ_Z X»; los núclidos con el mismo Z pero distinto N se llaman isótopos. El diámetro nuclear es del orden de unos pocos femtómetros (1 fm = 10⁻¹⁵ m), unas cien mil veces menor que el del átomo completo.
Si el núcleo está formado por protones (con carga positiva, que se repelen eléctricamente con enorme intensidad a tan corta distancia) y neutrones, surge una pregunta inevitable: ¿qué lo mantiene unido? La respuesta es la interacción nuclear fuerte, una fuerza atractiva de muy corto alcance (~1 fm) que actúa entre nucleones, mucho más intensa que la repulsión electrostática dentro de esa distancia, pero que se anula fuera de ella. Este equilibrio entre la atracción fuerte y la repulsión coulombiana explica por qué solo ciertas combinaciones de Z y N dan núcleos estables: para núcleos ligeros la estabilidad exige N ≈ Z, mientras que para núcleos pesados se necesita un exceso de neutrones (N > Z) que amortigüe la repulsión entre los muchos protones.
El hecho experimental clave es que la masa de un núcleo es siempre MENOR que la suma de las masas de los nucleones que lo forman por separado. Esa diferencia se denomina defecto de masa, Δm = [Z·m_p + N·m_n] − M_núcleo. La masa que «falta» no ha desaparecido: se ha transformado en la energía que mantiene unidos a los nucleones, de acuerdo con la equivalencia masa-energía de Einstein E = Δm·c². Esta energía liberada al formarse el núcleo (o, equivalentemente, la energía que habría que aportar para disgregarlo en sus nucleones libres) es la energía de enlace E_e = Δm·c² (véase la Fig. 1). Las masas se manejan en unidades de masa atómica (u), con la equivalencia fundamental 1 u = 931,49 MeV/c², que convierte directamente defecto de masa en energía.

Curva de energía de enlace por nucleón frente al número másico A

Energía de enlace por nucleónGráfica de E_e/A (MeV), raíces en x = 0.738, máximo en (58.641, 8.786), en el intervalo x de 0 a 24050100150200246810Fe-56 (máx. ~8,8MeV)He-4 (~7,07 MeV)U-238 (~7,5 MeV)Ee/A (MeV)Ee/A (MeV)Número másico A
Fig. 1 ↓
Para comparar la estabilidad de núcleos distintos no se usa la energía de enlace total, sino la energía de enlace POR NUCLEÓN, E_e/A: cuanto mayor es este valor, más fuertemente ligado y más estable es el núcleo. Al representar E_e/A frente a A se obtiene la célebre curva de energía de enlace (Fig. 1): crece rápidamente para los núcleos ligeros, alcanza un máximo en torno a A ≈ 56–62 (en la zona del hierro y el níquel, con unos 8,8 MeV por nucleón) y después decrece lentamente para los núcleos pesados. Esta forma «de campana» es la idea más rentable del tema: explica de un solo golpe por qué la FUSIÓN de núcleos ligeros y la FISIÓN de núcleos pesados liberan energía —ambos procesos llevan a productos con mayor E_e/A, es decir, más estables.

Vocabulario

→ Tarjetas
  • NucleónNombre común para protones y neutrones, las partículas que forman el núcleo.
  • Número másico (A) y atómico (Z)A es el número total de nucleones y Z el de protones; A − Z da los neutrones.
  • Defecto de masa (Δm)Diferencia entre la masa de los nucleones libres y la del núcleo formado; es la masa que se convirtió en energía al unirlos.
  • Energía de enlace (E_e)Energía que habría que aportar para separar el núcleo en sus nucleones: E_e = Δm·c².
  • Energía de enlace por nucleónE_e/A. Mide la ESTABILIDAD del núcleo y es la magnitud con la que se comparan núcleos distintos.
  • Interacción nuclear fuerteFuerza atractiva de muy corto alcance que mantiene unidos los nucleones venciendo la repulsión eléctrica entre protones.

Defecto de masa

Δm=[Z⋅mp+N⋅mn]−Mnuˊcleo\Delta m = [Z \cdot m_p + N \cdot m_n] - M_{\text{núcleo}}Δm=[Z⋅mp​+N⋅mn​]−Mnuˊcleo​

Diferencia entre la masa de los nucleones libres y la masa real del núcleo; A = Z + N. Si se parte de la masa atómica, hay que considerar los Z electrones.

Energía de enlace

Ee=Δm⋅c2E_e = \Delta m \cdot c^2Ee​=Δm⋅c2

Energía liberada al formar el núcleo (o necesaria para disgregarlo). Con Δm en u, basta multiplicar por 931{,}49 MeV/u para obtenerla en MeV.

Equivalencia masa-energía

1 u=931,49 MeVc2=1,6605×10−27 kg1\ \text{u} = 931{,}49\ \frac{\text{MeV}}{c^2} = 1{,}6605 \times 10^{-27}\ \text{kg}1 u=931,49 c2MeV​=1,6605×10−27 kg

Conversión directa de defecto de masa a energía de enlace, evitando manejar c² explícitamente.

Criterio de estabilidad

EeA(energıˊa de enlace por nucleoˊn)\frac{E_e}{A} \quad \text{(energía de enlace por nucleón)}AEe​​(energıˊa de enlace por nucleoˊn)

Magnitud que mide la estabilidad: a mayor E_e/A, más ligado está el núcleo. Su máximo está en la zona del hierro (A ≈ 56).

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Ejemplo resuelto

Energía de enlace del núcleo de hierro-56

Calcula el defecto de masa, la energía de enlace total y la energía de enlace por nucleón del núcleo de hierro-56 (Z = 26, A = 56), cuya masa nuclear es 55,920678 u. Datos: m_p = 1,007276 u, m_n = 1,008665 u, 1 u = 931,49 MeV/c².

  1. 01Número de neutrones

    N = A − Z = 56 − 26 = 30 neutrones; el núcleo tiene 26 protones y 30 neutrones.

  2. 02Masa de los nucleones libres

    Suma de las masas por separado.

  3. 03Defecto de masa

    Diferencia con la masa real del núcleo.

  4. 04Energía de enlace total

    Se multiplica el defecto de masa por la equivalencia 931,49 MeV/u.

  5. 05Energía de enlace por nucleón

    Se divide entre los 56 nucleones.

Resultado: Δm ≈ 0,5284 u; E_e ≈ 492,2 MeV; E_e/A ≈ 8,79 MeV por nucleón. Este valor, cercano al máximo de la curva, confirma que el hierro-56 es uno de los núcleos más estables de la naturaleza.

Explicación paso a paso6 pasos
  1. 1

    Una sola curva explica la energía nuclear entera: la fisión, la fusión y por qué el hierro es el final del camino para una estrella. Vamos a construirla desde el hecho más raro del núcleo: que pesa menos de lo que debería.

  2. 2

    Si se suman las masas de los protones y los neutrones de un núcleo por separado, el resultado NO coincide con la masa del núcleo. Falta masa, y esa diferencia tiene nombre.

    El defecto de masa

    Δm=Z mp+(A−Z) mn−mnuˊcleo>0\Delta m = Z\,m_p + (A-Z)\,m_n - m_{\text{núcleo}} > 0Δm=Zmp​+(A−Z)mn​−mnuˊcleo​>0

    Z es el número de protones, A − Z el de neutrones. La diferencia es siempre positiva, y para el helio-4 vale unas 0,0304 u: alrededor de un 0,8 % de la masa total.

  3. 3

    Esa masa no ha desaparecido: se liberó como energía al formarse el núcleo, y es exactamente la que habría que devolver para deshacerlo. Aquí es donde la relatividad entra en la física nuclear.

    La energía de enlace

    Ee=Δm c2,1 u=931,5 MeV/c2E_e = \Delta m\,c^{2}, \qquad 1\ \mathrm{u} = 931{,}5\ \mathrm{MeV}/c^{2}Ee​=Δmc2,1 u=931,5 MeV/c2

    La equivalencia con 931,5 MeV evita pasar por julios: basta multiplicar el defecto de masa en unidades atómicas por ese número. Para el helio-4 salen unos 28,3 MeV.

  4. 4

    Pero la energía de enlace total no sirve para comparar núcleos: el uranio tiene mucha más que el helio simplemente porque tiene más piezas. Hay que dividir por el número de nucleones.

    Por nucleón, no en total

    EeAes la medida honesta de la estabilidad\frac{E_e}{A} \quad \text{es la medida honesta de la estabilidad}AEe​​es la medida honesta de la estabilidad

    Es la energía media que ata a cada nucleón. Cuanto mayor es, más cuesta desarmar el núcleo y más estable es.

  5. 5

    Al representar esa magnitud frente al número másico aparece una curva con una joroba: sube muy deprisa en los núcleos ligeros, alcanza su máximo cerca del hierro y luego baja lentamente hacia el uranio.

    La cima de la curva

    (EeA)max⁡≈8,8 MeV(hierro-56)\left(\frac{E_e}{A}\right)_{\max} \approx 8{,}8\ \mathrm{MeV} \quad (\text{hierro-56})(AEe​​)max​≈8,8 MeV(hierro-56)

    El hierro-56 es el núcleo más estable en la práctica. Ni fisionándolo ni fusionándolo se obtiene energía: por eso una estrella masiva se queda sin combustible cuando su núcleo llega al hierro.

  6. 6

    Y ahora la lectura que lo resuelve todo: cualquier proceso que MUEVA los núcleos hacia arriba en la curva libera energía. Los pesados suben partiéndose, y los ligeros suben uniéndose. Eso es la fisión y la fusión, leídas en la misma gráfica.

    Los dos caminos cuesta arriba

    A>56: fisioˊnA<56: fusioˊnA > 56:\ \text{fisión} \qquad A < 56:\ \text{fusión}A>56: fisioˊnA<56: fusioˊn

    La regla no depende de aprenderse ninguna reacción concreta. Basta situar reactivos y productos en la curva y comprobar hacia dónde se sube.

Objetivo Selectividad

  • Calcular el defecto de masa, la energía de enlace total y la energía de enlace por nucleón de un núcleo a partir de las masas del protón, del neutrón y del núcleo (o del átomo), usando 1 u = 931,49 MeV/c² o c = 3·10⁸ m/s.
  • Interpretar la curva de energía de enlace por nucleón y justificar con ella por qué la fisión de núcleos pesados y la fusión de ligeros liberan energía y dónde se sitúa el máximo de estabilidad (zona del hierro).
  • El defecto de masa es Δm = Z·m_p + (A − Z)·m_n − m_núcleo y SIEMPRE sale positivo: el núcleo pesa menos que sus piezas por separado. La energía de enlace es E_e = Δm·c², y con las masas en unidades de masa atómica el atajo es 1 u = 931,5 MeV/c².
  • Compara núcleos por la energía de enlace POR NUCLEÓN, nunca por la total: la curva alcanza su máximo cerca del hierro-56, en torno a 8,8 MeV por nucleón, y esa forma es la que explica a la vez la fisión y la fusión.

Errores frecuentes

  • Confundir energía de enlace TOTAL con energía de enlace POR NUCLEÓN: la estabilidad se compara con E_e/A, no con E_e; un núcleo pesado tiene mucha E_e total pero no por ello es el más estable.
  • Olvidar restar la masa de los Z electrones cuando el dato es la masa ATÓMICA (no la nuclear), o mezclar unidades —operar masas en u y velocidades en m/s sin convertir, en lugar de usar directamente la equivalencia 1 u = 931,49 MeV/c².
  • Usar la masa del ÁTOMO donde va la del núcleo sin descontar los electrones. Si el enunciado da masas atómicas hay que restar Z·m_e, o bien emplear masas atómicas de forma consistente en los dos lados de la resta.
  • Obtener un defecto de masa negativo. Si sale negativo, los términos están intercambiados: la masa de los nucleones libres es siempre mayor que la del núcleo que forman.

§ 01

Repaso activo

El núcleo de helio-4 (partícula α) tiene una masa NUCLEAR de 4,001505 u (ojo: no confundas con la masa atómica 4,002602 u, que incluye los 2 electrones). Sabiendo que m_p = 1,007276 u, m_n = 1,008665 u y que 1 u = 931,49 MeV/c², calcula su defecto de masa, su energía de enlace total y su energía de enlace por nucleón. Deberías obtener Δm ≈ 0,0304 u, E_e ≈ 28,3 MeV y E_e/A ≈ 7,07 MeV/nucleón; comenta si el resultado es coherente con su gran estabilidad.

Practicar con ejercicios afines50 preguntas de este tema→

Recuerdo activo

Recuerda los puntos clave — luego revela.

Fuentes: Real Decreto 243/2022 — enseñanzas mínimas del Bachillerato (saberes básicos, Anexo II) (Gobierno de España — Boletín Oficial del Estado (BOE))

§ 02
§ 02

Radiactividad: emisiones α, β, γ y ley de desintegración#

~7 min de lectura●●○EstándarCVBOE-A-2022-5521 · Anexo II · Física (2.º de Bachillerato) · Saberes básicos, bloque D (Física relativista, cuántica, nuclear y de partículas): «Núcleos atómicos y estabilidad de isótopos. Radiactividad natural y otros procesos nucleares. Aplicaciones en los campos de la ingeniería, la tecnología y la salud.»

Puntos clave

La radiactividad es la emisión espontánea de partículas o radiación electromagnética por parte de los núcleos inestables, que se transforman así en núcleos más estables. Fue descubierta por Henri Becquerel en 1896 al observar que unas sales de uranio velaban placas fotográficas sin luz; Marie y Pierre Curie ampliaron el fenómeno aislando el polonio y el radio y acuñaron el término «radiactividad». Es un proceso nuclear, no químico: no depende de la temperatura, la presión ni del enlace químico, sino únicamente de la inestabilidad intrínseca del núcleo.
Existen tres tipos clásicos de emisión radiactiva, distinguidos por Rutherford según su carga y poder de penetración (Fig. 4). La emisión alfa (α) consiste en la expulsión de un núcleo de helio-4 (2 protones y 2 neutrones): el núcleo pierde 2 unidades de Z y 4 de A. La emisión beta menos (β⁻) ocurre cuando un neutrón se transforma en un protón emitiendo un electrón y un antineutrino: Z aumenta en 1 y A no cambia. La emisión gamma (γ) es radiación electromagnética de altísima energía que el núcleo emite al pasar de un estado excitado a uno de menor energía, sin cambio de Z ni de A; suele acompañar a una desintegración α o β previa. El poder de penetración crece en el orden α < β < γ: las α se detienen con una hoja de papel, las β con una lámina de aluminio y las γ requieren gruesos blindajes de plomo u hormigón.

Las tres emisiones radiactivas y su poder de penetración

Poder de penetración de α, β y γEsquema con 7 elementos, fuente, α, β, γ, papel, Al, PbfuenteαβγpapelAlPb
Fig. 4 ↓
Toda desintegración cumple las leyes de conservación de Soddy y Fajans: en la reacción nuclear se conservan el número másico A (suma de los superíndices a ambos lados) y el número atómico/carga Z (suma de los subíndices). Estas reglas permiten escribir y ajustar cualquier ecuación de desintegración y predecir el núcleo hijo. Así, por ejemplo, el uranio-238 (Z = 92) emite una partícula α y se convierte en torio-234 (Z = 90), mientras que el torio-234 emite una β⁻ y se transforma en protactinio-234 (Z = 91). Encadenadas, estas desintegraciones forman las series radiactivas naturales que terminan en isótopos estables del plomo.
La desintegración de un núcleo individual es un suceso aleatorio: no se puede predecir CUÁNDO se desintegrará un núcleo concreto, solo la probabilidad de que lo haga por unidad de tiempo, dada por la constante de desintegración λ (característica de cada radionúclido). Para un número grande de núcleos, esto conduce a una ley estadística determinista: el número de núcleos sin desintegrar decrece exponencialmente con el tiempo, N = N₀·e^(−λt) (Fig. 3). De aquí se definen dos magnitudes fundamentales: el periodo de semidesintegración T₁/₂ = ln 2/λ, tiempo en el que se desintegra la mitad de los núcleos presentes, y la vida media τ = 1/λ. La actividad A = λ·N (también decreciente, A = A₀·e^(−λt)) mide el número de desintegraciones por segundo y se expresa en becquerel (1 Bq = 1 desintegración/s).

Ley de desintegración: N(t) y el periodo de semidesintegración

Desintegración radiactiva (T_1/2 = 8 días)Gráfica de N/N0, ordenada en el origen y = 1, decreciente, en el intervalo x de 0 a 405101520253035400.20.40.60.81N0N0/2 (T1/2)N0/4 (2·T1/2)N0/8 (3·T1/2)1/2N/N0Fracción N/N0Tiempo (días)
Fig. 3 ↓

Vocabulario

→ Tarjetas
  • RadiactividadEmisión espontánea de partículas o radiación por núcleos inestables al transformarse en otros más estables.
  • Emisión alfa (α)Expulsión de un núcleo de helio-4; el número másico baja 4 unidades y el atómico, 2. Es la de menor poder de penetración.
  • Emisión beta (β⁻)Un neutrón se convierte en protón emitiendo un electrón y un antineutrino; A no cambia y Z aumenta en 1.
  • Emisión gamma (γ)Radiación electromagnética muy energética emitida por un núcleo que se desexcita; no altera ni A ni Z, y es la más penetrante.
  • Constante de desintegración (λ)Probabilidad de que un núcleo se desintegre por unidad de tiempo; se mide en s⁻¹.
  • Actividad (A)Número de desintegraciones por segundo, A = λ·N; se mide en becquerelios (Bq).

Ley de desintegración radiactiva

N=N0⋅e−λtN = N_0 \cdot e^{-\lambda t}N=N0​⋅e−λt

Número de núcleos sin desintegrar en función del tiempo; λ es la constante de desintegración (s⁻¹) y N₀ el número inicial.

Periodo de semidesintegración y vida media

T1/2=ln⁡2λτ=1λT_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda} \qquad \tau = \frac{1}{\lambda}T1/2​=λln2​τ=λ1​

T₁/₂ es el tiempo en que N se reduce a la mitad; la vida media τ es su inverso de la constante λ.

Actividad radiactiva

A=λ⋅N=A0⋅e−λtA = \lambda \cdot N = A_0 \cdot e^{-\lambda t}A=λ⋅N=A0​⋅e−λt

Número de desintegraciones por segundo (becquerel, Bq); decae con la misma constante λ.

Desintegraciones α y β⁻

ZAX→Z−2A−4Y+24αZAX→Z+1AY+−10β+νˉ{}^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow {}^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + {}^{4}_{2}\alpha \qquad {}^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow {}^{A}_{Z+1}\text{Y} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}ZA​X→Z−2A−4​Y+24​αZA​X→Z+1A​Y+−10​β+νˉ

Reglas de Soddy-Fajans: se conservan A y Z. En α se pierden 2 protones y 2 neutrones; en β⁻ un neutrón pasa a protón emitiendo un electrón y un antineutrino.

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Ejemplo resuelto

Datación y restos de una muestra radiactiva

El fósforo-32, usado como trazador biológico, tiene un periodo de semidesintegración de 14,3 días. Una muestra contiene inicialmente 6,0·10¹⁸ núcleos. Calcula: a) la constante de desintegración λ; b) el número de núcleos que quedan al cabo de 30 días; c) la actividad inicial de la muestra. Dato: ln 2 = 0,693.

  1. 01Constante de desintegración

    Se despeja de T₁/₂ = ln 2/λ con el periodo en días.

  2. 02Núcleos restantes a los 30 días

    Se aplica la ley exponencial con t = 30 días.

  3. 03Cálculo numérico

    e^(−1,454) ≈ 0,2337.

  4. 04Actividad inicial

    A₀ = λ·N₀, con λ convertida a s⁻¹: 0,04846/86400 = 5,61·10⁻⁷ s⁻¹.

Resultado: a) λ ≈ 0,0485 día⁻¹; b) quedan ≈ 1,40·10¹⁸ núcleos a los 30 días; c) la actividad inicial es ≈ 3,4·10¹² Bq. Han transcurrido algo más de dos periodos, por lo que queda en torno a la cuarta parte de los núcleos.

Objetivo Selectividad

  • Escribir y ajustar ecuaciones de desintegración α, β⁻ y γ aplicando la conservación de A y Z (reglas de Soddy-Fajans) e identificar el núcleo hijo.
  • Aplicar la ley N = N₀·e^(−λt) y las relaciones T₁/₂ = ln 2/λ, A = λ·N para calcular tiempos, número de núcleos restantes, actividad o el periodo de semidesintegración a partir de datos experimentales.
  • Ajusta las desintegraciones conservando A y Z: la α resta 4 al número másico y 2 al atómico, la β⁻ deja A igual y SUMA 1 a Z, y la γ no cambia ninguno de los dos. Escribir la ecuación completa con el elemento resultante es lo que se puntúa.
  • Relaciona las tres magnitudes de la desintegración: N = N₀·e^(−λ·t), T₁/₂ = ln 2/λ y A = λ·N. Cuando el enunciado dé el periodo de semidesintegración, obtén λ en el primer paso y no vuelvas a tocar el periodo.

Errores frecuentes

  • Equivocar el efecto de cada emisión sobre Z y A: en la β⁻ el número atómico AUMENTA en 1 (un neutrón pasa a protón) y A se mantiene; muchos alumnos lo bajan por confundir el electrón emitido con una pérdida de carga del núcleo.
  • Manejar mal la exponencial: olvidar que λ y t deben ir en unidades coherentes, o calcular el tiempo para que «quede 1/4» como 2·T₁/₂ correctamente pero aplicar mal la fórmula con logaritmos; recordar que tras n periodos queda N₀/2ⁿ.
  • Mezclar unidades entre λ y t. Si el periodo viene en años, λ sale en años⁻¹ y el tiempo debe ir en años; combinarlas con segundos cambia el resultado en órdenes de magnitud.
  • Confundir el periodo de semidesintegración con la vida media. T₁/₂ = ln 2/λ ≈ 0,693/λ es el tiempo en que queda la MITAD de los núcleos; la vida media es τ = 1/λ y es mayor.

§ 02

Repaso activo

Una muestra de yodo-131, usado en medicina, tiene un periodo de semidesintegración de 8,0 días. Si inicialmente hay 4,0·10²⁰ núcleos, calcula la constante de desintegración λ, el número de núcleos que quedan al cabo de 24 días y la actividad inicial de la muestra en becquerel.

Practicar con ejercicios afines50 preguntas de este tema→

Recuerdo activo

Recuerda los puntos clave — luego revela.

Fuentes: Currículo de Bachillerato (LOMLOE) — materias y saberes básicos (Ministerio de Educación, Formación Profesional y Deportes — educagob)

§ 03
§ 03

Reacciones nucleares: fisión y fusión#

~6 min de lectura●●○EstándarCVBOE-A-2022-5521 · Anexo II · Física (2.º de Bachillerato) · Saberes básicos, bloque D (Física relativista, cuántica, nuclear y de partículas): «Núcleos atómicos y estabilidad de isótopos. Radiactividad natural y otros procesos nucleares. Aplicaciones en los campos de la ingeniería, la tecnología y la salud.»CVAlcance de este apunte: La fisión y la fusión no se nombran una por una en el saber básico: entran como «otros procesos nucleares».

Puntos clave

Una reacción nuclear es un proceso en el que los núcleos cambian su composición al interaccionar entre sí o con otras partículas (neutrones, protones, etc.), de modo que se forman núcleos distintos de los iniciales. A diferencia de la desintegración radiactiva, que es espontánea, las reacciones nucleares de fisión y fusión que nos interesan suelen estar inducidas o requerir condiciones específicas. En todas ellas se conservan el número másico A, la carga Z y la energía total (incluida la equivalente a la masa): la energía liberada, llamada energía de reacción o valor Q, procede de la diferencia de masas entre reactivos y productos, Q = Δm·c² (Fig. 6).

Balance de masa en una reacción exoenergética

Δm = 0,018884 u se convierte en energía (Q ≈ 17,6 MeV)Gráfica de reactivos (D+T), en el intervalo x de 1 a 4, Gráfica de productos (He+n), en el intervalo x de 6 a 924681055.015.025.035.04reactivos (D+T)productos (He+n)masa total (u)antes / después
Fig. 6 ↓
La fisión nuclear es la división de un núcleo pesado e inestable en dos núcleos medianos (fragmentos de fisión) más ligeros, acompañada de la liberación de varios neutrones y una gran cantidad de energía. El caso paradigmático es el del uranio-235: al capturar un neutrón lento se forma uranio-236, que se fragmenta en dos núcleos (por ejemplo, bario y kriptón) y emite 2 o 3 neutrones. La clave energética está en la curva de energía de enlace del primer apartado de este tema: los fragmentos tienen mayor E_e/A que el núcleo original, de modo que el sistema pasa a un estado más estable y libera del orden de 200 MeV por fisión. Los neutrones emitidos pueden provocar nuevas fisiones: si se controla la población neutrónica se logra una reacción en cadena sostenida.
La reacción en cadena es el fundamento de los reactores nucleares y de las armas nucleares (Fig. 5). En un reactor de fisión, el combustible (uranio enriquecido) se dispone con un moderador (agua, grafito) que frena los neutrones para que sean eficaces, y con barras de control (cadmio, boro) que absorben el exceso de neutrones para mantener el factor de multiplicación k ≈ 1 (régimen crítico estacionario). El calor generado produce vapor que mueve turbinas y genera electricidad. La gestión de los residuos radiactivos de larga vida y la seguridad frente a accidentes son sus principales inconvenientes.

Fisión del uranio-235 y reacción en cadena

Fisión del U-235 y reacción en cadenaGrafo, neutrón → U-235, U-235 → Ba, U-235 → Kr, U-235 → 3 neutrones, 3 neutrones → U-235 (nuevas fisiones)neutrónU-235BaKr3 neutronesU-235 (nuevasfisiones)
Fig. 5 ↓
La fusión nuclear es el proceso inverso: dos núcleos muy ligeros se unen para formar un núcleo más pesado, liberando todavía más energía por nucleón que la fisión. El ejemplo fundamental es la fusión de deuterio y tritio (isótopos del hidrógeno) para dar helio-4 y un neutrón. La fusión es la fuente de energía de las estrellas y del Sol, donde el hidrógeno se fusiona en helio a temperaturas de millones de grados. Su gran ventaja es el combustible casi inagotable y la escasez de residuos de larga vida; su gran dificultad técnica es vencer la repulsión electrostática entre los núcleos, que exige temperaturas y presiones extremas (confinamiento del plasma) muy difíciles de mantener en la Tierra, objetivo de proyectos como el ITER.

Vocabulario

→ Tarjetas
  • Reacción nuclearProceso en el que los núcleos cambian su composición; a diferencia de la desintegración, suele estar inducida.
  • Fisión nuclearDivisión de un núcleo pesado en dos fragmentos medianos con emisión de neutrones y de unos 200 MeV por fisión.
  • Fusión nuclearUnión de dos núcleos ligeros en uno mayor; libera más energía por nucleón que la fisión y es la fuente de las estrellas.
  • Reacción en cadenaSecuencia autosostenida en la que los neutrones de una fisión provocan las siguientes.
  • Masa críticaCantidad mínima de combustible para que la reacción en cadena se mantenga; por debajo, demasiados neutrones escapan.
  • Valor QEnergía liberada en la reacción, obtenida de la diferencia de masas entre reactivos y productos.

Fisión del uranio-235

92235U+01n→56141Ba+3692Kr+3 01n{}^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}92235​U+01​n→56141​Ba+3692​Kr+301​n

Ejemplo de fisión inducida por captura de un neutrón; los neutrones liberados pueden mantener una reacción en cadena. Se conservan A (235+1 = 141+92+3) y Z (92 = 56+36).

Fusión deuterio-tritio

12H+13H→24He+01n{}^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \rightarrow {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{1}_{0}\text{n}12​H+13​H→24​He+01​n

Reacción de fusión que alimenta los reactores experimentales (ITER) y se asemeja a las que ocurren en las estrellas.

Energía de reacción (valor Q)

Q=Δm⋅c2=(mreactivos−mproductos)⋅c2Q = \Delta m \cdot c^2 = (m_{\text{reactivos}} - m_{\text{productos}}) \cdot c^2Q=Δm⋅c2=(mreactivos​−mproductos​)⋅c2

Energía liberada (Q > 0, exoenergética) o absorbida (Q < 0); con Δm en u se multiplica por 931,49 MeV/u.

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Ejemplo resuelto

Energía liberada en la fusión deuterio-tritio

Calcula la energía liberada en la reacción de fusión ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n. Datos: m(²₁H) = 2,014102 u, m(³₁H) = 3,016049 u, m(⁴₂He) = 4,002602 u, m(¹₀n) = 1,008665 u, 1 u = 931,49 MeV/c². Comprueba primero que se conservan A y Z.

  1. 01Conservación de A y Z

    A: 2 + 3 = 4 + 1 = 5 ✓; Z: 1 + 1 = 2 + 0 = 2 ✓. La reacción está ajustada.

  2. 02Masa de los reactivos

    Suma de las masas de deuterio y tritio.

  3. 03Masa de los productos

    Suma de las masas del helio-4 y del neutrón.

  4. 04Defecto de masa

    La masa desaparecida se convierte en energía.

  5. 05Energía liberada

    Se multiplica el defecto de masa por 931,49 MeV/u.

Resultado: La reacción está ajustada y libera Q ≈ 17,6 MeV por cada fusión. Es una energía enorme: comparada por nucleón (≈3,5 MeV) supera a la de la fisión, lo que explica el interés por dominar la fusión como fuente de energía.

Objetivo Selectividad

  • Ajustar ecuaciones de fisión y de fusión conservando A y Z, identificar los productos y los neutrones liberados, y calcular la energía liberada (valor Q) a partir de las masas mediante Q = Δm·c².
  • Explicar cualitativamente la reacción en cadena, el papel del moderador y de las barras de control en un reactor, y comparar fisión y fusión apoyándose en la curva de energía de enlace por nucleón.
  • Justifica siempre la energía liberada con la CURVA de energía de enlace por nucleón: tanto al partir un núcleo pesado como al unir dos ligeros, los productos quedan más arriba en la curva, y esa subida ES la energía que sale.
  • Calcula el valor Q como Q = (Σm_reactivos − Σm_productos)·c² y da el resultado en MeV con 1 u = 931,5 MeV/c². Una reacción es exoenergética cuando Q > 0, y decirlo cierra el apartado.

Errores frecuentes

  • Pensar que la fusión libera menos energía que la fisión: aunque cada fisión libera más energía TOTAL (≈200 MeV), por nucleón la fusión es más eficiente, lo que se ve en el mayor salto de E_e/A hacia el helio.
  • No conservar A y Z al ajustar la reacción —en particular olvidar contar todos los neutrones libres emitidos— o tomar el signo equivocado del defecto de masa: la masa de los productos es MENOR que la de los reactivos en una reacción exoenergética.
  • Decir que la fusión es más difícil porque libera menos energía. Libera MÁS por nucleón; lo difícil es acercar dos núcleos positivos lo suficiente como para vencer su repulsión eléctrica, lo que exige temperaturas de millones de kelvin.
  • Olvidar los neutrones al ajustar una fisión. En la del uranio-235 se emiten dos o tres neutrones, y sin ellos ni se conserva el número másico ni se explica la reacción en cadena.

§ 03

Repaso activo

En la fusión deuterio-tritio se produce la reacción ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n. Con las masas m(²₁H) = 2,014102 u, m(³₁H) = 3,016049 u, m(⁴₂He) = 4,002602 u y m(¹₀n) = 1,008665 u, comprueba que la reacción conserva A y Z y calcula la energía liberada en MeV. Dato: 1 u = 931,49 MeV/c².

Practicar con ejercicios afines50 preguntas de este tema→

Recuerdo activo

Recuerda los puntos clave — luego revela.

Fuentes: Real Decreto 243/2022 — enseñanzas mínimas del Bachillerato (saberes básicos, Anexo II) (Gobierno de España — Boletín Oficial del Estado (BOE))

§ 04
§ 04

Aplicaciones (energía, datación y medicina) y debate ético#

~6 min de lectura●○○BásicoCVBOE-A-2022-5521 · Anexo II · Física (2.º de Bachillerato) · Saberes básicos, bloque D (Física relativista, cuántica, nuclear y de partículas): «Núcleos atómicos y estabilidad de isótopos. Radiactividad natural y otros procesos nucleares. Aplicaciones en los campos de la ingeniería, la tecnología y la salud.»CVBOE-A-2022-5521 · Anexo II · Física (2.º de Bachillerato) · Criterio de evaluación 5.3: «Valorar la física, debatiendo de forma fundamentada sobre sus avances y la implicación en la sociedad, desde el punto de vista de la ética y de la sostenibilidad.»

Aplicaciones de la física nuclear

Aplicaciones de la física nuclearDiagrama de árbol, 6 caminos, Datos: energía → reactores de fisión; energía → fusión (ITER); datación → C-14 (arqueología); datación → U-Pb (geología); medicina → PET / gammagrafía; medicina → radioterapiaenergíadataciónmedicinafísica nuclearreactores de fisiónfusión (ITER)C-14 (arqueología)U-Pb (geología)PET / gammagrafíaradioterapia

Puntos clave

La física nuclear no es solo teoría: ha transformado la ingeniería, la energía, la datación y la medicina, y este apartado conecta el contenido con sus implicaciones tecnológicas y sociales, eje de las competencias específicas CE2 y CE5. En el plano energético, las centrales nucleares de fisión aportan una parte significativa de la electricidad de muchos países, incluida España: liberan grandes cantidades de energía sin emitir gases de efecto invernadero durante la operación, pero generan residuos radiactivos de larga vida y plantean problemas de seguridad. La fusión, aún en fase experimental (ITER), promete una energía más limpia y abundante.
Una aplicación muy presente en la PAU es la datación radiactiva, que aprovecha la ley exponencial de desintegración como «reloj natural». La datación por carbono-14 es el caso emblemático (Fig. 7): el ¹⁴C se forma continuamente en la atmósfera y los seres vivos lo incorporan en proporción constante mientras viven; al morir dejan de captarlo y su ¹⁴C se desintegra con un periodo de 5730 años, de modo que midiendo la actividad residual (o la proporción ¹⁴C/¹²C) se calcula el tiempo transcurrido, t = (1/λ)·ln(N₀/N). Es útil para restos orgánicos de hasta unos 50000 años; para edades geológicas se usan otros isótopos de periodo mucho mayor (uranio-plomo, potasio-argón).

Datación por carbono-14: actividad residual frente al tiempo

Reloj del carbono-14 (T_1/2 = 5730 años)Gráfica de fracción de C-14, ordenada en el origen y = 1, decreciente, en el intervalo x de 0 a 2000050001000015000200000.20.40.60.8150% (1 T1/2)62% (muestra)25% (2 T1/2)fracción de C-14Fracción N/N0Tiempo (años)
Fig. 7 ↓
En medicina, la física nuclear es decisiva tanto en diagnóstico como en terapia. En diagnóstico se emplean radiofármacos (trazadores como el tecnecio-99m o el flúor-18) que emiten radiación detectable desde el exterior para obtener imágenes funcionales de órganos, como en la gammagrafía o la tomografía por emisión de positrones (PET). En terapia, la radioterapia utiliza radiación ionizante (γ del cobalto-60, haces de partículas o fuentes implantadas en braquiterapia) para destruir células tumorales, aprovechando que las células cancerosas son más sensibles a la radiación. La elección del isótopo se basa en su tipo de emisión y su periodo de semidesintegración, que debe ser corto en diagnóstico para minimizar la dosis al paciente.
Toda esta potencia exige una reflexión ética, que el currículo recoge explícitamente (CE5). El uso de la energía nuclear plantea un debate genuino entre beneficios (electricidad abundante y baja en carbono, avances médicos que salvan vidas) y riesgos (accidentes como Chernóbil o Fukushima, gestión de residuos durante milenios, posible uso militar y proliferación de armas nucleares). El alumnado debe ser capaz de argumentar con datos y rigor, valorando tanto el principio de precaución como el de beneficio social, y distinguiendo los hechos físicos de las opiniones. La figura de Lise Meitner, que explicó la fisión pero rechazó participar en el proyecto de la bomba atómica, ilustra bien esta dimensión moral de la ciencia.

Vocabulario

→ Tarjetas
  • Datación por carbono-14Método para fechar restos orgánicos midiendo la proporción de C-14 que queda; su periodo es de 5730 años.
  • RadiofármacoSustancia radiactiva que se administra al paciente para obtener imágenes funcionales o para tratar un tumor.
  • RadioterapiaTratamiento que dirige radiación ionizante contra células tumorales aprovechando su mayor sensibilidad.
  • Residuo de alta actividadMaterial del combustible gastado que sigue emitiendo durante miles de años y exige almacenamiento geológico.
  • Sievert (Sv)Unidad de dosis equivalente; pondera la dosis absorbida por el daño biológico del tipo de radiación.

Edad por datación radiactiva

t=1λln⁡ ⁣(N0N)=T1/2ln⁡2ln⁡ ⁣(N0N)t = \frac{1}{\lambda} \ln\!\left(\frac{N_0}{N}\right) = \frac{T_{1/2}}{\ln 2} \ln\!\left(\frac{N_0}{N}\right)t=λ1​ln(NN0​​)=ln2T1/2​​ln(NN0​​)

Se despeja el tiempo de la ley de desintegración; N₀/N puede sustituirse por A₀/A (actividad inicial frente a actual) porque A = λN.

Desintegración del carbono-14

614C→714N+−10β+νˉT1/2=5730 an˜os{}^{14}_{6}\text{C} \rightarrow {}^{14}_{7}\text{N} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu} \qquad T_{1/2} = 5730\ \text{años}614​C→714​N+−10​β+νˉT1/2​=5730 an˜os

Base de la datación por radiocarbono: el ¹⁴C se desintegra en nitrógeno-14 por emisión β⁻.

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Ejemplo resuelto

Antigüedad de una muestra por carbono-14

Un resto óseo presenta una actividad de carbono-14 igual al 62 % de la de un organismo vivo actual. Determina su antigüedad sabiendo que el periodo de semidesintegración del ¹⁴C es de 5730 años. Datos: ln 2 = 0,693; ln(0,62) = −0,478.

  1. 01Constante de desintegración

    Se obtiene del periodo de semidesintegración.

  2. 02Relación de actividades

    La actividad actual es el 62 % de la inicial: A/A₀ = 0,62, equivalente a N/N₀ = 0,62.

  3. 03Despeje del tiempo

    Se aísla t en la ley de desintegración.

  4. 04Cálculo numérico

    Se sustituyen los valores.

Resultado: La muestra tiene una antigüedad aproximada de 3950 años (unos 4000 años). El resultado es fiable, pues queda muy dentro del rango útil del radiocarbono (hasta ~50000 años), donde la actividad residual aún es medible con precisión.

Objetivo Selectividad

  • Resolver un problema de datación por carbono-14 (u otro isótopo) calculando la edad de una muestra a partir de la actividad o de la proporción de isótopos restante, despejando t de la ley de desintegración.
  • Describir y justificar al menos una aplicación biosanitaria (diagnóstico por imagen, radioterapia) y argumentar de forma equilibrada en el debate ético sobre la energía nuclear (beneficios frente a riesgos).
  • En la datación por carbono-14 el reloj arranca cuando el ser vivo MUERE y deja de intercambiar carbono con la atmósfera. Plantea t = (T₁/₂/ln 2)·ln(N₀/N) y señala el límite del método: unos 50 000 años, es decir, alrededor de nueve periodos.
  • Si piden valorar la energía nuclear, estructura la respuesta en tres bloques comparables —emisiones de CO₂, residuos de larga vida y riesgo de accidente— y sostén cada uno con un dato concreto en vez de con una opinión.

Errores frecuentes

  • En datación, confundir N (núcleos o actividad ACTUALES) con N₀ (iniciales): la edad se obtiene de t = (1/λ)·ln(N₀/N), no al revés, y conviene comprobar que el resultado sea positivo.
  • Reducir el debate ético a una postura simple («la energía nuclear es buena/mala») en lugar de contraponer con rigor beneficios y riesgos apoyados en hechos físicos; o creer que un trazador médico necesita un periodo largo cuando en diagnóstico interesa que sea corto.
  • Aplicar la datación por carbono-14 a materiales no orgánicos o a restos de millones de años. El método necesita carbono de origen biológico y, con T₁/₂ = 5730 años, pierde utilidad más allá de unos 50 000.
  • Confundir actividad con dosis. La actividad se mide en becquerelios y describe la FUENTE; la dosis absorbida se mide en grays y la equivalente en sieverts, y describen el efecto sobre el tejido.

§ 04

Repaso activo

Un fragmento de madera hallado en un yacimiento arqueológico presenta una actividad de ¹⁴C igual al 62 % de la que tiene la madera viva actual. Sabiendo que el periodo de semidesintegración del carbono-14 es de 5730 años, estima la antigüedad del fragmento. Comenta brevemente la fiabilidad del método para esa franja de edad.

Practicar con ejercicios afines50 preguntas de este tema→

Recuerdo activo

Recuerda los puntos clave — luego revela.

Fuentes: Currículo de Bachillerato (LOMLOE) — materias y saberes básicos (Ministerio de Educación, Formación Profesional y Deportes — educagob)

§ 05
§ 05

Modelo estándar, interacciones fundamentales y aceleradores#

~6 min de lectura●●●ProfundizaciónCVBOE-A-2022-5521 · Anexo II · Física (2.º de Bachillerato) · Saberes básicos, bloque D (Física relativista, cuántica, nuclear y de partículas): «Modelo estándar en la física de partículas. Clasificaciones de las partículas fundamentales. Las interacciones fundamentales como procesos de intercambio de partículas (bosones). Aceleradores de partículas.»

Puntos clave

Si descendemos por debajo del núcleo, descubrimos que protones y neutrones no son indivisibles: están formados por partículas más elementales. El Modelo Estándar es la teoría que, desde la década de 1970, describe todas las partículas fundamentales conocidas (las que no están compuestas por otras) y tres de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Es uno de los grandes logros de la física del siglo XX, verificado con enorme precisión en los grandes aceleradores. Su clasificación es el contenido evaluable de este apartado, eje de la competencia CE6 sobre el recorrido histórico y multidisciplinar de la física (Fig. 9).

Las partículas fundamentales del Modelo Estándar

El Modelo Estándar de partículasTabla con 2 columnas y 6 filas, Datos: Categoría · Partículas; Quarks (arriba) · u c t; Quarks (abajo) · d s b; Leptones cargados · e μ τ; Neutrinos · νe νμ ντ; Bosones de gauge · γ · g · W± · Z⁰; Bosón de Higgs · H (masa), celda destacada: Bosón de HiggsCategoríaPartículasQuarks (arriba)u c tQuarks (abajo)d s bLeptones cargadose μ τNeutrinosνe νμ ντBosones de gaugeγ · g · W± · Z⁰Bosón de HiggsH (masa)Fermiones: la materia. Bosones: las fuerzas.
Fig. 9 ↓
Las partículas de materia son fermiones y se agrupan en dos familias de seis miembros cada una. Los quarks (up, down, charm, strange, top, bottom) tienen carga fraccionaria y experimentan la interacción fuerte; nunca se observan libres, sino confinados formando hadrones, como el protón (uud) y el neutrón (udd). Los leptones (electrón, muón, tau y sus tres neutrinos asociados) no sienten la interacción fuerte; el electrón es el más conocido y los neutrinos son partículas casi sin masa y de muy escasa interacción. Cada partícula tiene su antipartícula, de igual masa y carga opuesta. La materia ordinaria que nos rodea se construye esencialmente con quarks up y down y con electrones.
El Modelo Estándar describe las interacciones fundamentales como procesos de INTERCAMBIO de partículas mediadoras, que son bosones (Fig. 10). La interacción electromagnética (entre cargas) está mediada por el fotón; la interacción nuclear fuerte (que une los quarks y, residualmente, los nucleones) por los gluones; la interacción nuclear débil (responsable de la desintegración β) por los bosones W⁺, W⁻ y Z⁰. La cuarta interacción, la gravitatoria, es con diferencia la más débil y no está incluida en el Modelo Estándar (su hipotético mediador, el gravitón, no ha sido detectado). Las dos interacciones nucleares son de muy corto alcance, lo que explica por qué solo se manifiestan dentro del núcleo.

Interacción por intercambio de un bosón (diagrama esquemático)

Interacción por intercambio de un bosón (γ)Esquema con 11 elementos, γ (fotón), e⁻, e⁻, e⁻, e⁻γ (fotón)e⁻e⁻e⁻e⁻
Fig. 10 ↓
El bosón de Higgs completa el cuadro: es la partícula asociada al campo de Higgs, el mecanismo que explica el origen de la masa de las partículas fundamentales. Predicho en 1964, fue descubierto en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, lo que valió el Nobel a Peter Higgs y François Englert. Este hallazgo ilustra el papel de los aceleradores de partículas: máquinas que aceleran partículas cargadas hasta energías altísimas (próximas a la velocidad de la luz) mediante campos eléctricos y las guían con campos magnéticos, para hacerlas colisionar. En esas colisiones, según E = mc², la energía cinética se transforma en partículas masivas nuevas, permitiendo «recrear» en el laboratorio condiciones extremas y poner a prueba el Modelo Estándar.

Vocabulario

→ Tarjetas
  • Modelo estándarTeoría que describe las partículas fundamentales y tres de las cuatro interacciones; deja fuera la gravitación.
  • QuarkFermión que forma protones y neutrones; hay seis tipos y nunca se observan aislados.
  • LeptónFermión que no siente la interacción fuerte; el electrón, el muón, el tau y sus tres neutrinos.
  • Bosón mediadorPartícula que transmite una interacción: fotón (electromagnética), gluón (fuerte), W y Z (débil).
  • Bosón de HiggsPartícula asociada al campo que confiere masa a las demás; detectada en el LHC en 2012.
  • Acelerador de partículasMáquina que comunica altísimas energías a partículas cargadas para hacerlas chocar y estudiar los productos.

Composición en quarks de los nucleones

p=(uud)n=(udd)\text{p} = (uud) \qquad \text{n} = (udd)p=(uud)n=(udd)

El protón está formado por dos quarks up y uno down; el neutrón por uno up y dos down. Por eso no son partículas fundamentales.

Interacciones y sus bosones mediadores

electromagneˊtica→γ    fuerte→g    deˊbil→W±, Z0\text{electromagnética} \to \gamma \quad\;\; \text{fuerte} \to g \quad\;\; \text{débil} \to W^{\pm},\, Z^{0}electromagneˊtica→γfuerte→gdeˊbil→W±,Z0

Cada interacción fundamental del Modelo Estándar se transmite por el intercambio de su bosón. La gravitatoria queda fuera del modelo.

Creación de partículas en colisiones

E=mc2E = m c^2E=mc2

En los aceleradores la energía cinética de las colisiones se materializa en partículas nuevas de masa m, base experimental de la física de partículas.

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Ejemplo resuelto

Clasificación de partículas e identificación de mediadores

Para cada una de las siguientes partículas, indica a qué grupo del Modelo Estándar pertenece (quark, leptón o bosón mediador) y, en el caso de los bosones, qué interacción fundamental transmite: a) electrón; b) quark down; c) gluón; d) bosón W⁻; e) fotón. Justifica además por qué el neutrón no es una partícula elemental.

  1. 01a) Electrón

    Es un leptón (fermión de materia); no experimenta la interacción fuerte y tiene carga −1.

  2. 02b) Quark down

    Es un quark (fermión de materia); tiene carga fraccionaria (−1/3) y sí experimenta la interacción fuerte, por lo que se confina en hadrones.

  3. 03c) Gluón

    Es un bosón mediador: transmite la interacción nuclear fuerte entre los quarks.

  4. 04d) Bosón W⁻

    Es un bosón mediador: transmite la interacción nuclear débil, responsable de la desintegración β.

  5. 05e) Fotón

    Es un bosón mediador: transmite la interacción electromagnética entre partículas cargadas.

  6. 06El neutrón

    No es elemental: es un hadrón compuesto por tres quarks (udd, un up y dos down), unidos por la interacción fuerte mediante gluones.

Resultado: Electrón = leptón; quark down = quark; gluón, W⁻ y fotón = bosones mediadores de las interacciones fuerte, débil y electromagnética respectivamente. El neutrón es una partícula compuesta (udd), no fundamental, lo que confirma que la materia se construye a partir de quarks y leptones.

Objetivo Selectividad

  • Clasificar las partículas fundamentales del Modelo Estándar: distinguir fermiones (quarks y leptones) de bosones (mediadores), y asociar cada interacción fundamental con su bosón mediador (fotón, gluones, W/Z).
  • Explicar las interacciones fundamentales como intercambio de bosones y describir el papel de los aceleradores de partículas (LHC, CERN) y del bosón de Higgs en la verificación del modelo.
  • Clasifica en dos frases: los FERMIONES de materia son seis quarks y seis leptones agrupados en tres familias; los BOSONES son los mediadores —fotón para la electromagnética, gluones para la fuerte, W y Z para la débil— más el bosón de Higgs, que da masa a las demás partículas.
  • Asocia cada interacción con su mediador, su alcance y su intensidad relativa: la fuerte es la más intensa pero de alcance nuclear, la electromagnética y la gravitatoria tienen alcance infinito, y la débil es la responsable de la desintegración beta.

Errores frecuentes

  • Confundir fermiones con bosones: las partículas de materia (quarks y leptones) son fermiones; las mediadoras de las fuerzas (fotón, gluón, W, Z, Higgs) son bosones; el protón y el neutrón NO son fundamentales, son hadrones compuestos por quarks.
  • Asociar mal cada fuerza con su mediador (atribuir la desintegración β a la fuerza fuerte en vez de a la débil) o creer que la gravedad está dentro del Modelo Estándar, cuando precisamente queda fuera de él.
  • Afirmar que un quark puede aislarse. El confinamiento lo impide: al intentar separarlos, la energía invertida crea nuevos pares de quarks y siempre se acaba obteniendo partículas compuestas.
  • Incluir la gravedad dentro del modelo estándar. El modelo describe tres interacciones; la gravitatoria queda fuera, y unificarla sigue siendo uno de los problemas abiertos de la física.

§ 05

Repaso activo

Clasifica las siguientes partículas indicando si son fermiones o bosones y qué interacción fundamental media cada bosón: electrón, quark up, fotón, gluón, bosón Z⁰, neutrino electrónico y bosón de Higgs. Razona además por qué el protón no se considera una partícula fundamental.

Practicar con ejercicios afines50 preguntas de este tema→

Recuerdo activo

Recuerda los puntos clave — luego revela.

Fuentes: Real Decreto 243/2022 — enseñanzas mínimas del Bachillerato (saberes básicos, Anexo II) (Gobierno de España — Boletín Oficial del Estado (BOE))

Revisado · 07/2026 · Versión completa con el regulador de profundidad — mismo lugar, mismas anclas

Contenido

Sección -- / 05

    • 01El núcleo atómico: defecto de masa y energía de enlace◐
    • 02Radiactividad: emisiones α, β, γ y ley de desintegración◐
    • 03Reacciones nucleares: fisión y fusión◐
    • 04Aplicaciones (energía, datación y medicina) y debate ético○
    • 05Modelo estándar, interacciones fundamentales y aceleradores●

0/5 Leídos

De los apuntes a la práctica

Física nuclear y de partículas

Refuerza este tema con preguntas de la base de preguntas.

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Referencias y fuentes

Fuentes

Gobierno de España — Boletín Oficial del Estado (BOE)

  • Real Decreto 243/2022 — enseñanzas mínimas del Bachillerato (saberes básicos, Anexo II)

Ministerio de Educación, Formación Profesional y Deportes — educagob

  • Currículo de Bachillerato (LOMLOE) — materias y saberes básicos

Véase también

  • Física relativistaE = mc² es la herramienta con la que se convierte un defecto de masa en energía de enlace.
  • Física cuánticaEl marco en el que se describen los niveles nucleares y la emisión gamma.
  • Movimiento orbital y leyes de KeplerLa fusión que se estudia aquí es lo que sostiene a una estrella frente a su propia gravedad.

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