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Contenidos básicos
1. Introducción
2. Constitución y características
del núcleo atómico
3. Energía de ligadura
4. Radiactividad natural
5. Ley de desintegración radiactiva
6. Radiactividad artificial
7. Reacciones de fusión y fisión
8. Partículas elementales
9. Interacciones fundamentales
FÍSICA NUCLEAR
El aparato de la figura se emplea para la exploración interna del cuerpo
humano, mediante la aplicación de la resonancia magnética nuclear, en
cámara abierta. Los primeros aparatos de esta clase se empezaron a
emplear en la década de 1980, sin embargo hasta llegar a éstas y otras
aplicaciones, hubo que andar un largo camino.
El estudio de la energía nuclear comenzó cuando Henri Becquerel en Abril
de1897 después de experimentar con sales de uranio, encontró que emitía
una radiación invisible cuya naturaleza era desconocida. Las contribuciones
del matrimonio Curie, Rutherford, Niels Bohr, Chadwick, Yukawa, Fermi,
María Goeppert Mayer, Hans Jensen, entre muchos, han permitido
controlar a favor de la Humanidad una fuente de energía cuyas aplicaciones
prácticas han sido extraordinarias para el desarrollo y el bienestar:
Producción de energía eléctrica, disposición de nuevos y potentes medios de
diagnóstico de las enfermedades, procedimientos curativos contra el
cáncer, aplicaciones tecnológicas para la industria y datación de la edad de
los materiales fósiles. Además, en el futuro se desarrollarán nuevas
centrales de fusión que facilitarán la energía eléctrica a menor coste y por
tiempo ilimitado.
El inconveniente de la energía nuclear es el riesgo que supone la
contaminación radiactiva si se usa irresponsablemente, sin embargo, todos
los centros donde se emplean materiales nucleares están muy controlados
por las autoridades, en España es el Consejo de Seguridad Nuclear. Las
centrales de fusión del futuro, utilizarán elementos radiactivos de vida
media muy inferior a la de los isótopos empleados en la actualidad, con lo
que el riesgo radiactivo se reducirá muchísimo.
1. Introducción
La Física tiene como objetivo el conocimiento de la constitución y
estructura de la materia, ocupándose desde el conjunto del Universo,
hasta las partículas de dimensiones submicroscópicas. Los elementos
que son las sustancias más simples conocidas, se componen de átomos
de cuya constitución forman parte los electrones en la periferia y el
núcleo, en el interior.
El núcleo atómico era desconocido por los científicos, hasta los
primeros años del siglo XX. A partir de los experimentos de
Rutherford, con la dispersión de partículas a, en 1911, Fig. 1 se inicia
una nueva etapa de descubrimientos que llevan a los científicos a
profundizar en el conocimiento de la organización de las partículas
subatómicas -de tamaño inferior al del átomo- y a descubrir las leyes
que describen su comportamiento.
En este empeño han colaborado grandes científicos y premios Nobel
durante todo el siglo XX, modificando los modelos nucleares iniciales
a medida que no podían adaptarse a los nuevos datos experimentales.
Los físicos han creado nuevos conceptos (la mecánica cuántica, la
teoría cuántica de campos) para explicar otras partículas que se han
ido descubriendo y han desvelado dos fuerzas fundamentales nuevas,
la nuclear fuerte y la nuclear débil. Actualmente, es el llamado
“modelo estándar” el que pretende dar las últimas explicaciones de la
estructura de la materia. Además, los físicos están intentando
elaborar desde hace varias décadas una teoría unificada de las
cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, estando el problema
abierto todavía.
Recordemos que el átomo se compone de electrones en la corteza
envolviendo a un núcleo central. Son los electrones y sus niveles de
energía los que determinan las propiedades químicas de un elemento.
El número de electrones de un átomo neutro es igual al de protones y
es el que determina su número atómico. El número de neutrones
modifica la masa atómica, pero no altera los niveles de energía de los
electrones, ni modifica las propiedades químicas del átomo.
Rutherford envió partículas α (cargas
positivas formada por núcleos del He),
contra una fina lámina de oro y midió las
direcciones en que eran dispersadas. Los
resultados observados le indicaron que la
carga positiva y la masa de cada átomo
están confinadas en una región de
diámetro comprendida entre 10-14 y 10-15
m. La propuesta de un átomo con núcleo
fue formulada por Bohr algunos años
después.
A la distancia 10-15 m, se le dio
posteriormente el nombre de fermi, en
reconocimiento de las contribuciones del
físico italiano Enrico Fermi, a la Física
Nuclear.
1 fm = 10-15 m
2.-
2. Constitución y características del núcleo atómico
El núcleo es la parte central del átomo, donde está concentrada casi
la totalidad de la masa atómica y cuyo radio es unas cien mil veces
menor que el del átomo. El núcleo se compone de partículas llamadas
nucleones, encontrándose dos tipos: los protones y los neutrones.
El protón tiene carga eléctrica positiva, e igual en valor absoluto a la
carga del electrón 1,6.10-19 C. Su masa es 1836 veces mayor que la
masa del electrón y tiene de valor 1,67.10-27 kg.
El neutrón carece de carga eléctrica y su masa es similar a la del
protón aunque algo mayor. Fue descubierto por James Chadwick en
1932.
La masa del protón y del neutrón es aproximan a la unidad de masa
atómica, u, definida como la doceava parte de la masa del isótopo
del carbono 12 y de acuerdo con la ecuación de Einstein para la
equivalencia masa-energía, se puede determinar la correspondencia
en energía de la unidad de masa atómica.
E = m.c2
Donde c = 3.108 m/s, es la velocidad de la luz en el vacío.
MeVu 1,9311 =
El número atómico Z, de cada elemento determina el número de
protones de su núcleo y a su vez, el de electrones de la corteza.
El número de masa o número másico A, de un átomo, es igual a la
suma de su número de protones Z, y de neutrones N.
A = Z + N
Se llaman isótopos, los átomos con igual número de protones en sus
núcleos. Los que tienen el mismo número de neutrones se conocen
como isótonos y los que tienen igual número másico se designan como
isóbaros.
Hay átomos que tienen varios isótopos. Se llama núclido a cada una
de las especies químicas, con un número atómico y un número másico
definido.
Se representa con el símbolo del elemento químico al que pertenece
acompañado de un superíndice que es su número másico A y con
subíndice que es su número atómico, Z. Para un elemento que
designamos como X.
Número másico → A
X
Número atómico → Z
Masa del protón = 1,00728 u
Masa del neutrón = 1,00867 u
Masa del electrón = 5,486.10-4 u
1 u = 1,6605.10-27 kg
3.-
El oxigeno tiene varios isótopos, dos de ellos son:
OO 248
168
El primer núclido tiene 8 protones y 8 neutrones, mientras que el
segundo posee 8 protones y 16 neutrones.
Son isótopos los núclidos de la misma columna. Son isótonos los
núclidos de la misma fila. Son isóbaros los núclidos de las diagonales
rayadas.
Tamaño del núcleo
Durante muchas décadas se tenía la creencia de que el núcleo
atómico era esférico, sin embargo a partir de 1990, la necesidad de
dar respuesta a nuevas observaciones experimentales derivó en
tener que asignar al núcleo formas mucho más complejas, en la fig.
se muestran algunas formas recientemente propuestas. Sin embargo,
todavía sigue siendo útil la aproximación del núcleo por una esfera,
verificándose que el volumen de un núcleo es proporcional al número
de nucleones que contiene, es decir, a su número másico A.
Si es R, el radio de un núcleo, una ecuación que lo relaciona con el
número másico A, es la siguiente:
3
0 ARR ⋅=
Donde Ro es una constante de valor: fmmR 1,110.1,1 150 == −
4.-
Algunas formas geométricas de los
núcleos atómicos.
Mundo científico nº 218, pág. 20
3. Energía de ligadura o energía de enlace
Desde un punto de vista energético cabe preguntarse, ¿por qué se
unen entre sí los nucleones para formar los núcleos atómicos, en lugar
de seguir como elementos independientes?
Cuando los nucleones se asocian en un núcleo atómico sucede que la
masa del sistema, es menor que la que tendría los nucleones como
partículas independientes. Se dice que se ha producido un defecto
de masa, lo que de acuerdo con la ecuación: E = m.c2 significa que el
núcleo formado, tiene menos energía que el conjunto de los nucleones
antes de la formación de éste.
Sea un núcleo de masa M, número másico A y que contiene Z
protones, siendo la masa del protón mp y la del neutrón mn .La perdida
de masa ∆m es la diferencia entre la masa de todas las partículas
independientes, menos la masa de las partículas después de que ha
formado el núcleo, es decir M.
[ ] MmZAmZm np −−+=∆ ).(.
La energía de este defecto de masa se conoce con el nombre de
energía de ligadura o energía de enlace. Es la cantidad de energía
que debe suministrarse al átomo para que éste se divida en sus
partículas constituyentes. O lo que es lo mismo, la energía que se
libera cuando el átomo se construye a partir de sus partículas
constituyentes.
[ ]( ) 22 ).(. cMmZAmZcmE npe ⋅−−+=⋅∆=∆
Para números atómicos bajos, el número de protones y de neutrones
es similar, pero a medida que aumenta el número atómico, aumenta
mas deprisa el número de neutrones que el de protones, lo que hace
que los núcleos de los átomos se vuelvan más inestables. La
estabilidad de un núcleo atómico se mide por su energía de enlace
por nucleón, que se obtiene dividiendo la energía de enlace entre el
número de nucleones A
Ee∆. Cuanto mayor sea la energía de enlace
por nucleón, más estable es el núcleo.
5.-
Los valores máximos de la energía
de enlace por nucleón, están
comprendidos entre los nº másicos
50 y 70, siendo el valor máximo el
del hierro 56.
Ejemplo
El deuterio es un isótopo del átomo de hidrógeno formado por un
protón y un neutrón. Sabiendo que la masa del deuterio es MD =
2,014102 u. Determina: a) La energía de enlace del deuterio. b) La
energía de enlace por nucleón. Datos:
mp = 1,00728 u; mn = 1,00867 u ; 1 u = 1,6605.10-27 kg; 1eV = 1,6.10-19 J
4. Radiactividad natural
Henri Becquerel en Abril de1897 después de llevar experimentando
más de un año con sales de uranio, confirmó, que emitía una radiación
invisible que parecía no decaer con el tiempo y que desconocía su
naturaleza y, ¿de dónde tomaba la energía emitida?. Se llamaron
rayos Becquerel.
En Octubre del mismo año Marie Curie, opta por estudiar los rayos
Becquerel, midiendo la intensidad de la radiación. Además se
pregunta si también existirán otras sustancias que emitan
espontáneamente radiaciones, capaces de ionizar el aire, descargar
un electroscopio e impresionar una placa fotográfica puesta al lado
en la obscuridad. Encuentra que hay otros metales como el torio y
algunos más de pesos atómicos altos, pero destaca que hay dos sales
de uranio ( la pecblenda y la calcolita) que tienen más actividad que el
propio metal, lo que le hizo pensar que podrían contener otras
sustancias más activas que el uranio. Tras un largo y tedioso proceso
de concentración del mineral que daba mayor actividad, logra junto
con su esposo Pierre Curie, descubrir un nuevo elemento, el polonio.
En la publicación que hacen al respecto aparece por primera vez la
palabra radiactiva. A la vez, en el transcurso de la experiencia
encuentran otra nueva sustancia mucho más radiactiva que el uranio,
la designan como el radio.
6.-
La radiactividad da lugar al nacimiento de nuevas disciplinas como la
física nuclear, la radioquímica, la datación radiactiva, etc. Las
aplicaciones a la medicina y en particular la radioterapia se inicia en
1901, mientras que la utilización de la energía nuclear comienza en
1940. Becquerel y los esposos Curie reciben en 1903 el premio Nobel
de Física por el descubrimiento de la radiactividad.
En los estudios realizados por Rutherford en 1899, concluye que la
radiación del uranio es compleja y que está formada al menos por dos
tipos de radiación, una la α, fácilmente absorbible y otra la β que es
más penetrante. Los Curie descubren que los rayos β , tenían carga
negativa por el modo en que eran desviados por los campos
magnéticos y Becquerel que tenían masa. Paul Villard demuestra en
1900 que en la radiación del radio, había rayos no desviables pero
muy penetrantes, denominados rayos γ , y que son considerados
radiación electromagnética.
Numerosos experimentos confirmaron la semejanza entre los rayos
catódicos y los rayos β. Estos rayos son electrones pero con
velocidad mucho mayor que la de los rayos catódicos.
La determinación de la naturaleza de los rayos α, fue más complicado.
Rutherford consigue desviarlos en un fuerte campo magnético, en
1902, comprendiendo que se trata de partículas pesadas con carga
positiva y conjetura con Frederick Soddy que se trata de átomos de
helio ionizados, lo que verifican posteriormente.
La radiactividad es la propiedad que presentan los núcleos
atómicos de ciertos elementos de modificar espontáneamente su
constitución emitiendo una radiación característica.
La materia radiactiva experimenta una transformación en la que se
emite energía mediante partículas más pequeñas que el átomo, α y β,
o como radiación electromagnética γ.
Los átomos radiactivos al emitir la radiactividad van transformando
sus núcleos en otros elementos, pero su número decrece
exponencialmente con el tiempo, siendo la intensidad de la radiación
proporcional al número de átomos que quedan en cada instante.
7.-
Al introducir en un orificio practicado
en un bloque de plomo, un elemento
radiactivo emisor de partículas, α, β y
γ, las radiaciones salen en línea recta.
Si se sitúa un campo magnético
perpendicular a la dirección de las
partículas, éste desvía las α y β, en
sentido contrario, demostrando que
tienen carga eléctrica de signo opuesto.
Por el contrario, las partículas γ (que
en realidad no son partículas) no son
desviadas por el campo magnético de
modo que carecen de carga eléctrica.
Se trata de radiación
electromagnética muy energética
Emisión de núcleos de helio o partículas a
El núclido del uranio 238, tiene 92 protones y 146 neutrones. Al
contener tantos nucleones resulta inestable y tiene que evacuar el
exceso de nucleones, entonces para conseguirlo emite una partícula
alfa. La razón de esta expulsión es que el sistema constituido por el
elemento resultante y la partícula alfa, tienen una masa menor que la
que tendría el sistema formado por el mismo átomo con los dos
neutrones y dos protones libres. En consecuencia el proceso hacia la
transición alfa es espontáneo.
Al emitir una partícula α, el núcleo desprende dos neutrones y
dos protones, y se transforma en un elemento del Sistema
Periódico, cuyo número atómico Z disminuye en 2 unidades y el
número másico A, en 4.
Característica de los núcleos pesados (Z muy grande).
El uranio 238 al emitir una partícula α , se transforma en el torio
(Th) 234.
α+→+→ ThHeThU 23490
42
23490
23892
Emisión de partículas β (beta)
Uno de los grandes enigmas de los físicos era explicar por que el
núcleo que contenía neutrones y protones, podría emitir electrones
que eran cargas negativas. La búsqueda de la respuesta no fue fácil,
pues además en la emisión de partículas β parecía que se violaba el
principio de conservación de la energía. Wolfgang Pauli fue el
primero en sugerir que al mismo tiempo que el electrón, podría
emitirse otra partícula eléctricamente neutra y no detectada, que
fuera portadora de la energía que se echaba en falta. Enrico Fermi
bautizó a la supuesta partícula con el nombre de neutrino -pequeño
neutrón- y elaboró la primera explicación de la radiactividad β,
considerando que el neutrón se desintegraba en un protón, un
electrón y un neutrino ν (partícula sin carga y de masa despreciable).
En realidad, como se demostró posteriormente se trataba de la
antipartícula del neutrino, llamada antineutrino ν (ver figura).
ν++→ epn
8.-
Diagrama de Feynman de
acuerdo con la teoría de
Fermi, en la que se representa
la desintegración del neutrón a
lo largo del tiempo. El neutrón
se transforma en un protón, un
electrón y un antineutrino.
Radiación alfa (α) +24
2α Son núcleos de helio (partículas alfa)
formados por dos protones y dos neutrones. Carga eléctrica:
CeQ 1910.2,32 −+=+=
Masa: kgm 2710.7,6 −=
Son emitidos con una energía cinética del
orden del MeV.
Radiación beta (β) −
− β01
Son electrones rápidos (partículas beta)
procedentes de neutrones que se desintegran
en el núcleo dando lugar a un protón y un
electrón.
Carga eléctrica:
CeQ 1910.6,1 −−=−=
Masa: kgm 3110.1,9 −=
Son emitidos con una energía cinética del orden
del MeV.
HeYX AZ
AZ
42
42 +→ −
−
Cuando un núcleo radiactivo emite una partícula beta, da lugar a
un nuevo elemento cuyo número atómico aumenta una unidad y el
número másico permanece igual:
Ejemplos: a) β01
23492
23491 −+→ UPa
b) ν++→ eNN 147
146
Emisión de radiactividad γ (gamma)
Una buena parte de los núcleos poseen estados excitados, siendo
entonces menos estables que en el estado fundamental, por tener
más energía. Estos estados suelen tener una duración muy breve 10-10
s, porque los núcleos excitados emiten la energía en exceso en forma
de radiación electromagnética de alta frecuencia, como rayos γ . Es
un proceso similar a lo que acontece con los electrones, cuando el
átomo se excita por una interacción exterior que desplaza a los
electrones a niveles de energía más lejanos del núcleo, después,
vuelve al estado fundamental emitiendo cuantos de radiación (luz).
Los protones y neutrones excitados, se reorganizan en el núcleo sin
modificar sus respectivos números y al hacerlo liberan la energía
excedente, que sale emitida en forma de un cuanto de frecuencia f,
(fotón) verificándose la ecuación de Planck, ∆E = h · f
Los rayos gamma son ondas electromagnéticas de muy alta
frecuencia (fotones de muy alta energía). Esta emisión supone la
vuelta al estado fundamental de un núcleo, que previamente ha
sido excitado.
La radiactividad γ va a asociada con otras formas de radiactividad α
o β , pues en las desintegraciones radiactivas pueden quedar los
núcleos excitados y la forma de relajarse es emitiendo un fotón γ.
9.-
eYX AZ
AZ
011 −+ +→
γ+→ XX AZ
AZ
*
La desintegración β del cobalto 60,
produce el níquel 60 en un estado
excitado, que adquiere la estabilidad
después de emitir dos fotones γ
sucesivos, con distintas energías.
νβ ++→ **6028
6027 NiCo
)17,1(*6028
6027 MeVNiCo γ+→
)33,1(6028
*6028 MeVNiNi γ+→
Radiación gamma (γ) γ00
Son radiaciones electromagnéticas
(fotones) de mayor frecuencia que
los rayos X. Carga eléctrica: Q = 0 Masa:
m = 0
Tienen energías cinéticas
comprendidas entre el KeV y el MeV.
5. Ley de desintegración radiactiva
Experimentalmente se comprueba que el número de desintegraciones
que sufre una muestra radiactiva un tiempo dt depende del número
de átomos radiactivos que tengamos inicialmente y de la naturaleza
de las sustancias radiactivas, que se representa mediante la
constante de desintegración radiactiva λ que indica el número de
desintegraciones radiactivas que sufre el núcleo de un elemento por
unidad de tiempo, o lo que es lo mismo, la probabilidad de que un
núcleo se desintegre en la unidad de tiempo.
Matemáticamente esta dependencia se representa por la expresión:
- dN = N . λ . .dt
N = número de átomos radiactivos en la muestra inicial
λ = constante de desintegración radiactiva
El signo negativo quiere decir que el nº de desintegraciones
disminuye con el tiempo.
La desintegración de un núcleo es un fenómeno aleatorio, no es
posible predecir cuando un determinado núcleo se va a desintegrar,
sin embargo, es factible conocer el número de núcleos N, de una
muestra radiactiva que todavía perdura después de un cierto tiempo
t de haberse iniciado la desintegración de la muestra. Si es No el
número de núcleos presentes de una muestra en un instante t = 0,
después de un tiempo t, el número es:
dtN
dN⋅−= λ
e integrando: ∫ ∫ ⋅−=⇒⋅−=N
N
t
tN
NLndt
N
dN
0 00
λλ de donde:
N = nº de átomos radiactivos que quedan sin desintegrarse después
de transcurrido un tiempo t
N0 = nº de átomos radiactivos que tenía inicialmente
λ = constante de desintegración radiactiva
t = tiempo para que N0 se transforme en N.
10.-
teNN ⋅−⋅= λ0
La actividad de una muestra radiactiva,
decrece exponencialmente con el tiempo
(las unidades de la gráfica son
arbitrarias).
Por tanto, vemos que conforme
transcurre el tiempo, el número de
núcleos que quedan sin desintegrar varía
más lentamente, luego cada vez los
núcleos se desintegran a intervalos
mayores de tiempo. Puesto que la función
tiende a cero, para un tiempo infinito, se
habrán desintegrado todos los núcleos.
Esto quiere decir, que una muestra
radiactiva, siempre lo será. Dejará de ser
peligrosa, cuando el ritmo de
desintegraciones sea muy lento.
A la expresión: Adt
dN=− se le llama actividad de la sustancia
radiactiva. Luego: NAdt
dN⋅==− λ .
La actividad A indica la velocidad con la que se desintegra una
sustancia radiactiva.
Como: teNN ⋅−⋅= λ
0 ⇒ teNN ⋅−⋅⋅=⋅ λλλ 0 y como:
NA ⋅= λ queda finalmente:
En donde:
A = actividad transcurrido un tiempo t
A0 = actividad inicial
La unidad de actividad radiactiva en el S.I. es el � ecquerel (Bq),
que corresponde con la actividad de una muestra que produce una
desintegración por segundo. Inicialmente se adoptó como unidad el
curio (Ci), que es la actividad correspondiente a 1 g de radio, que
equivale a 3,70·1010 desintegraciones por segundo.
BqCi 1010.70,31 =
Se define la el periodo de semidesintegración o semivida, T1/2
como el tiempo necesario para que el número de núcleos de una
muestra radiactiva, se reduzca a la mitad de su valor inicial. Haciendo
N = No/2.
2/1
00
2TeN
N ⋅−⋅= λ
Tomando logaritmos neperianos, resulta:
LneTLn ⋅⋅−= 2/12
1λ de donde:
La vida media es el tiempo que por término medio tarda en
desintegrarse el núcleo de un átomo radiactivo.
11.-
teAA ⋅−⋅= λ0
λ
22/1
LnT =
2
1 2/1
Ln
T==
λτ
El contador Geiger-Muller es un
aparato para detectar radiactividad
o rayos cósmicos. Consta de un tubo
cerrado de vidrio de paredes
delgadas, en cuyo interior hay aire a
unos 5 mm Hg, un cilindro de cobre
abierto por las bases conectado
negativamente y un alambre de
wolframio como eje central,
conectado positivamente.
Cuando una partícula radiactiva
atraviesa el tubo de vidrio, al chocar
con las moléculas del aire del
interior, arranca electrones y
además crea iones positivos.
Entonces los electrones son atraídos
por el alambre moviéndose hacia él,
adquiriendo gran velocidad, de modo
que en su recorrido pueden ionizar
positivamente por choque, otras
moléculas de aire
.
De este modo se produce una
avalancha de iones positivos hacia el
cilindro de cobre y de electrones
hacia el alambre central, que se
traduce en un impulso eléctrico que
va por el circuito hasta el contador,
donde se registran los impactos de
cada una de las partículas
radiactivas.
Ejemplo
El periodo de semidesintegración del carbono 14, es T1/2 = 5730 años
Sabiendo que una muestra tiene en un instante una actividad Ao
=2,8.107 Bq. Determina: a) La constante radiactiva. B) El número de
núcleos presentes en la muestra y su masa c) La actividad de la
muestra después de 5000 años. D) El número de átomos de carbono
después de este tiempo.
6. Reacciones nucleares
Las reacciones químicas consisten en definitiva en una reorganización
de los electrones atómicos, y debido a ello, distintos átomos pueden
enlazarse o separarse para formar distintas sustancias. Pero los
átomos que intervienen siguen siendo los mismos, se trata de los
mismos elementos reordenados de distinta manera. En una reacción
química intervienen energías del orden del eV.
Sin embargo, en las reacciones nucleares, son los nucleones atómicos
los que se reagrupan, formándose átomos con distintos núcleos de los
que partimos. Si el número de protones de un núcleo cambia, se
obtiene un átomo de un elemento distinto al de partida. Es decir, se
obtienen nuevos elementos. En estas reacciones, intervienen energías
del orden de los MeV. Fueron los esposos Curie los primeros en
observar una reacción nuclear, ésta era la siguiente:
PnAlHe 3015
10
2713
42 +→+
Cuando un núcleo es inestable, tiende a transformarse de forma que
los productos resultantes sean más estables (menos energía). El
proceso es una reacción nuclear en la que se libera energía.
De entre las reacciones nucleares hay dos tipos de gran importancia,
por la gran energía que de ellas se obtiene. Son las reacciones de
fisión y fusión
Solución
12.-
Reacciones de fisión nuclear
La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado
se divide en otros dos más ligeros al ser bombardeado con neutrones.
En el proceso se liberan más neutrones y gran cantidad de energía.
En 1938, los físicos alemanes Otto Hahn y Frederic Strassman
consiguieron dividir un núcleo de uranio 235 según la reacción:
nKrBanU 10
9236
14156
10
23592 3++→+
Los productos de esta reacción nuclear presentan un defecto de
masa de 0,2154 uma, que corresponde a una energía liberada de unos
200 MeV por núcleo de uranio 235.
A pesar de que el uranio 235 es menos estable energéticamente que
sus productos de fisión, no se fisiona de forma espontánea. Es
necesaria una energía de activación que se obtiene de la captura de
un neutrón por el núcleo.
Los neutrones liberados por la fisión de un núcleo pueden fisionar
otros núcleos dando lugar a una reacción nuclear en cadena. Esto
conduciría a una gran cantidad de energía liberada en muy poco
tiempo, que es lo que ocurre en la bomba atómica
En las centrales nucleares se producen reacciones de este tipo pero
de manera controlada. Para que las reacciones no se disparen sin
control, se colocan materiales absorbentes de neutrones (placas de
cadmio) para que sólo unos pocos sean los que continúen con la fisión
de otros núcleos. Además, puesto que los neutrones que deben iniciar
la fisión deben tener poca energía, se les hace pasar por otro
material, agua pesada o grafito, para frenarlos.
Los núcleos más adecuados para la fisión son los de elevado peso
atómico, siendo los más utilizados el uranio 235 y el plutonio 239.
La fisión nuclear tiene un alto rendimiento energético (con 1 kg de
uranio se obtiene la misma energía que con 2 000 toneladas de
petróleo). Sin embargo, presenta el riesgo de contaminación
radiactiva y la dificultad de eliminar de forma rápida y segura los
residuos.
13.-
En la reacción de fisión del uranio 235,
el neutrón produce la fragmentación
del núcleo, que se parte en dos núcleos
intermedios y varios neutrones, además
de una cantidad de energía. Ésta es
equivalente a la disminución de la masa
del sistema (defecto de masa), que
aparece en forma de energía cinética
en los productos de la reacción nuclear.
Reacciones de fusión nuclear
La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos
ligeros se unen para formar otro más pesado. En el proceso se libera
gran cantidad de energía.
Un ejemplo de fusión nuclear lo constituye la reacción entre el
deuterio y el tritio para formar helio:
MeVnHeHH 6,1710
42
31
21 ++→+
Tal y como sucede en la fisión, para iniciar un proceso de fusión
nuclear se necesita una energía de activación. En este caso, la energía
necesaria para que los núcleos se unan venciendo las repulsiones
electrostáticas es proporcionada por una energía térmica muy
elevada (correspondiente a temperaturas superiores a 106 K).
Los núcleos de pequeño peso atómico son los más adecuados para
producir la fusión nuclear..
Las reacciones de fusión (también llamadas termonucleares) tienen
lugar de forma natural en el Sol y las estrellas, gracias a las altas
temperaturas en su interior. De forma artificial, en cambio, el ser
humano solo ha conseguido la fusión en cadena de forma explosiva
(bomba H).
Hoy día, se está tratando de producir la fusión de manera
controlada para el aprovechamiento de la energía que se desprende.
La fusión nuclear presentas mayores ventajas que la fisión por varias
razones: no se producen sustancias de desecho radiactivas como
ocurre con la fisión, al contrario, se produce helio que es un gas muy
útil industrialmente; la materia prima que se utiliza es baratísima,
porque se trata de hidrógenos que se puede obtener en grandes
cantidades del agua de mar. También, el rendimiento energético es
mucho mayor que con la fisión.
Sin embargo, presenta muchas dificultades técnicas, la primera de
ellas es que es necesario calentar el gas a millones de grados
centígrados, y hay que encontrar un recipiente que contenga el gas a
estas temperaturas. Una de las posibles soluciones a este problema
es el confinamiento magnético, donde el gas de hidrógeno en forma
de plasma (ionizado) se le hace circular por un campo magnético
toroidal mientras se le calienta por calefacción óhmica.
14.-
Fig.12.16. El tokamak es una cámara
toroidal (un reactor) en cuyo interior
se introduce el plasma formado por
deuterio y tritio, inyectándose
también energía para llevarlo a muy
altas temperaturas, 116 millones de
grados kelvin, para que se pueda
producir la fusión. Como se trata de
una mezcla de iones, se intentan
controlar mediante la acción de
potentes campos magnéticos
producidos por las bobinas que se
ven en la figura.
Para iniciar la fusión es necesario
consumir mucha energía y el proceso
será rentable cuando la energía
liberada, supere ampliamente la
energía invertida. Está tecnología
está actualmente, en fase de
investigación y desarrollo.
7. Partículas elementales
En los aceleradores de partículas se han descubierto estos últimos
años una gran cantidad de partículas elementales, pero a pesar de
todo, se sigue considerando que los átomos están formados por tres
tipos de partículas que son: n, p+ y e-.
El electrón se considera una partícula elemental, ya que no se puede
dividir, con carga negativa, mientras el protón y el neutrón no son
partículas elementales porque están formados por quarks, el p+ con
carga positiva y el neutrón sin carga.
Además todas estas partículas tienen sus consiguientes
antipartículas:
§ del e- el positrón (e+)
§ del protón el antiprotón (p-)
§ del neutrón el antineutrón. Se diferencian en su momento
magnético.
La materia y la antimateria no pueden existir juntas porque se
destruyen y se transforman en energía.
En general, todas las partículas descubiertas se pueden clasificar en
dos tipos:
( )
+ )p (n, Bariones
MesonesHadrones
.. , ,e Leptones
selementale Partículas
-- µ
Normalmente los neutrinos van asociados a su partícula
constituyente, y son partículas cuya masa en reposo vale 0 y no
tienen carga, por eso son tan difíciles de detectar.
Los hadrones no son partículas elementales porque están formados
por quarks, y son partículas que están sujetas a la interacción nuclear
fuerte:
Mesones: son los que tienen menos masa, solo están formados por un
quarks y un antiquarks.
Bariones: son los que tienen más masa porque están formados por 3
quarks. Entre ellos los p+ y los n.
15.-
8. Interacciones fundamentales de la naturaleza
Todos los fenómenos que se producen en el Universo se deben a las
interacciones entre las partículas que lo componen. Estas
interacciones se describen mediante el concepto de fuerza. Así, la
caída de un objeto o la “caída” de la Luna hacia la Tierra se describen
mediante la fuerza gravitatoria. La estructura de un objeto, la
atracción entre imanes o entre cargas eléctricas se hace mediante la
fuerza electromagnética. Desde el principio los científicos han
tratado de unificar y simplificar el origen de los fenómenos,
intentando adjudicar todos ellos a unas pocas causas comunes y a
unos tipos fundamentales de comportamiento. Así, como ya hemos
estudiado, James C. Maxwell unificó las fuerzas eléctrica y
magnética en un único tipo de interacción, la interacción
electromagnética, que permitía explicar todos los fenómenos
conocidos en su momento sobre los campos de la electricidad y el
magnetismo.
En la actualidad, todas las fuerzas o interacciones de la naturaleza
se pueden agrupar en cuatro tipos básicos, denominados
interacciones fundamentales:
q Interacción gravitatoria. Se da entre todas las partículas y se
describe mediante la teoría de la relatividad general de A.
Einstein o más fácilmente mediante la ley de gravitación
universal de Isaac Newton. Gracias a ella se pueden explicar
fenómenos como la caída de los cuerpos o el movimiento de los
planetas, satélites, estrellas, cometas, etc. Su alcance es infinito
y actúa a grandes distancias. Es la interacción más débil de
todas, pero es la responsable de la
estructura general del Universo.
Es inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia entre las
partículas y es conservativa
16.-
q Interacción electromagnética. La interacción electromagnética
afecta a las partículas con carga eléctrica o con momento
magnético, así como a los fotones. Su descripción se hace a
partir de las leyes de Maxwell y su alcance es infinito. Gracias a
ella se pueden explicar fenómenos tan diversos como los
eléctricos, los magnéticos, la interacción entre la luz y la
materia, las ondas electromagnéticas (cómo funciona un teléfono
móvil), las fuerzas elásticas que se dan en un muelle, la
estructura interna de la materia a escala atómica y molecular, así
como la química. Es una interacción inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia entre las partículas y es conservativa.
Es de mayor intensidad que la gravitatoria.
q Interacción nuclear fuerte. La interacción nuclear fuerte afecta
a los quarks, y por tanto, a los hadrones. Es la más intensa de las
cuatro y se denomina también interacción fuerte o interacción
hadrónica. Su alcance es muy corto, reduciéndose prácticamente
a cero para distancias superiores a 10-15 m, por lo que no tiene
influencia en la Química, por ejemplo. Gracias a esta interacción
se puede explicar la estabilidad nuclear y muchos procesos
nucleares. Es la responsable de la cohesión del núcleo.
q Interacción nuclear débil. La interacción nuclear débil se
produce entre partículas leptónicas o hadrónicas. Explica algunos
procesos nucleares, como la desintegración β de los núcleos, en la
que un neutrón se transforma en un protón y un electrón,
generándose también un antineutrino electrónico. También
explica las transformaciones entre leptones, como la
desintegración del tauón. Su intensidad es mucho mayor que la
fuerza gravitatoria, pero es menor que la fuerza
electromagnética. También se denomina interacción débil.
17.-
Interacción fuerte
Se da en el núcleo atómico, su
alcance es de 10-15 m. Le asignamos
como intensidad relativa 1.
Electromagnética
Está en el átomo y entre los átomos,
su alcance es infinito. Su intensidad
es 10-2 veces la interacción fuerte.
Interacción débil
Aparece en las desintegraciones
radiactivas, y el alcance es menor de
10-17 m. Su intensidad es 10-12 veces
la interacción fuerte.
Interacción gravitatoria
Actúa entre las masas del universo,
su alcance es infinito. Su intensidad
es 10-38 veces la interacción fuerte.