ELEMENTOS BÁSICOS DE FÍSICA NUCLEAR

INTRODUCCIÓN

Es una pequeña región central del átomo donde se encuentran distribuidos los neutrones y protones, partículas fundamentales del núcleo, que reciben el nombre de nucleones.

La estabilidad del núcleo no puede explicarse por su acción eléctrica. Es más, la repulsión existente entre los protones produciría su desintegración. El hecho de que en el núcleo existan protones y neutrones es un indicador de que debe existir otra interacción más fuerte que la electromagnética que no está directamente relacionada con cargas eléctricas y que es mucho más intensa. Esta interacción se llama nuclear y es la que predomina en el núcleo.

ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR

Para explicar la naturaleza de las fuerzas nucleares que mantienen unidas a las partículas dentro de los núcleos, es necesario analizar sus propiedades. En general, un núcleo tiene una masa y está cargado eléctricamente. Además, tiene un tamaño que se puede medir por su radio. Los nucleones se mueven bajo la acción de sus interacciones mutuas y la intensidad de sus interacciones se puede medir por su energía de enlace o energía de ligadura nuclear.

ΔE = Δm · c2

Donde le llamado “defecto de masa” (Δm ) es igual a la masa de los nucleones menos la masa del núcleo. 

La energía de enlace nuclear, se define como la energía necesaria para separar los nucleones de un núcleo, o bien como la energía que se libera cuando se unen los nucleones para formar el núcleo.

El origen de la energía de ligadura o de enlace nuclear reside en la desaparición de una parte de la masa de los nucleones que se combinan para formar el núcleo. Esta diferencia de masa recibe el nombre de defecto másico, y se transforma en energía cuyo cálculo se puede realizar por la ecuación de Einstein, E=m.c2

Si a la suma de las masas de los nucleones y electrones de un átomo le restamos la masa medida experimentalmente a través del espectrógrafo de masas, obtenemos el defecto másico, y podemos calcular la energía total de enlace. La energía de enlace o de ligadura será equivalente a la energía liberada en la formación de un núcleo.

La u.m.a. se define como la doceava parte de la masa del átomo 6C12y 1 u.m.a.=1'66.10-27Kg, por lo que sustituyendo en la ecuación de Einstein, E=m.c2, E = 931.5 MeV, es decir, 1 u.m.a. libera 931'5 MeV. Por tanto, la energía liberada (B) en la formación de un núcleo será:


B = defecto másico × 931 MeV.

 

Ahora bien, es más interesante calcular la energía de enlace por nucleón, y representarla frente al número másico A. La energía de enlace por nucleón se obtiene dividiendo la energía de enlace del núcleo por sus A nucleones, y es la energía necesaria para extraer del núcleo una de sus partículas constituyentes.

Si bien en los núcleos livianos se observa un aumento abrupto de la energía de enlace por nucleón frente al número másico A, a partir de A=10, la energía de enlace por nucleón es prácticamente constante.

El máximo corresponde a núcleos semipesados con A=62 (Fe, Co, Ni), donde las fuerzas de atracción serán máximas. El decrecimiento de la energía para A>60 se debe a la repulsión culombiana entre los protones cuyo número va aumentando y reduce por tanto la estabilidad de los núcleos. En los núcleos ligeros, cada nucleón es atraído por pocos nucleones, lo que también reduce su estabilidad.

A mayor energía de enlace nuclear más estable será el núcleo.

 

Un Poco de Historia

Cinco siglos antes de Cristo, los filósofos griegos se preguntaban si la materia podía ser dividida indefinidamente o si llegaría a un punto que tales partículas fueran indivisibles. Es así, como Demócrito formula la teoría de que la materia se compone de partículas indivisibles, a las que llamó átomos (del griego átomos, indivisible).

En 1803 el químico inglés John Dalton propone una nueva teoría sobre la constitución de la materia. Según Dalton toda la materia se podía dividir en dos grandes grupos: los elementos y los compuestos. Los elementos estarían constituidos por unidades fundamentales, que en honor a Demócrito, Dalton denominó átomos. Los compuestos se constituirían de moléculas, cuya estructura viene dada por la unión de átomos en proporciones definidas y constantes. La teoría de Dalton seguía considerando el hecho de que los átomos eran partículas indivisibles.

Hacia finales del siglo XIX, se descubrió que los átomos no son indivisibles, pues se componen de varios tipos de partículas elementales. La primera en ser descubierta fue el electrón en el año 1897 por el investigador Sir Joseph Thomson, quién recibió el Premio Nobel de Física en 1906. Posteriormente, Hantaro Nagaoka (1865-1950) durante sus trabajos realizados en Tokio, propone su teoría según la cual los electrones girarían en órbitas alrededor de un cuerpo central cargado positivamente, al igual que los planetas alrededor del Sol. Hoy día sabemos que la carga positiva del átomo se concentra en un denso núcleo muy pequeño, en cuyo alrededor giran los electrones.

El núcleo del átomo se descubre gracias a los trabajos realizados en la Universidad de Manchester, bajo la dirección de Ernest Rutherford entre los años 1909 a 1911. El experimento utilizado consistía en dirigir un haz de partículas de cierta energía contra una plancha metálica delgada, de las probabilidades que tal barrera desviara la trayectoria de las partículas , se dedujo la distribución de la carga eléctrica al interior de los átomos.

Constitución del Átomo y Modelos Atómicos

La descripción básica de la constitución atómica, reconoce la existencia de partículas con carga eléctrica negativa, llamados electrones, los cuales giran en diversas órbitas (niveles de energía) alrededor de un núcleo central con carga eléctrica positiva. El átomo en su conjunto y sin la presencia de perturbaciones externas es eléctricamente neutro.

El núcleo lo componen los protones con carga eléctrica positiva, y los neutrones que no poseen carga eléctrica.

El tamaño de los núcleos atómicos para los diversos elementos están comprendidos entre una cienmilésima y una diezmilésima del tamaño del átomo.

La cantidad de protones y de electrones presentes en cada átomo es la misma. Esta cantidad recibe el nombre de número atómico, y se designa por la letra "Z". A la cantidad total de protones más neutrones presentes en un núcleo atómico se le llama número másico y se designa por la letra "A".

Si designamos por "X" a un elemento químico cualquiera, su número atómico y másico se representa por la siguiente simbología: ZXA

Por ejemplo, para el Hidrogeno tenemos: 1H1.

Si bien, todas las características anteriores de la constitución atómica hoy en día son bastante conocidas y aceptadas, a través de la historia han surgido diversos módelos que han intentado dar respuesta sobre la estructura del átomo. Algunos de tales modelos son los siguientes:

a) El Modelo de Thomson.

Thomson sugiere un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia del electrón, descubierto por él en 1897. Su modelo era estático, pues suponía que los electrones estaban en reposo dentro del átomo y que el conjunto era eléctricamente neutro. Con este modelo se podían explicar una gran cantidad de fenómenos atómicos conocidos hasta la fecha. Posteriormente, el descubrimiento de nuevas partículas y los experimentos llevado a cabo por Rutherford demostró la inexactitud de tales ideas.

b) El Modelo de Rutherford.

Basado en los resultados de su trabajo que demostró la existencia del núcleo atómico, Rutherford sostiene que casi la totalidad de la masa del átomo se concentra en un núcleo central muy diminuto de carga eléctrica positiva. Los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares. Estos poseen una masa muy ínfima y tienen carga eléctrica negativa. La carga eléctrica del núcleo y de los electrones se neutralizan entre sí, provocando que el átomo sea eléctricamente neutro.

El modelo de Rutherford tuvo que ser abandonado, pues el movimiento de los electrones suponía una pérdida continua de energía, por lo tanto, el electrón terminaría describiendo órbitas en espiral, precipitándose finalmente hacia el núcleo. Sin embargo, este modelo sirvió de base para el modelo propuesto por su discípulo Neils Bohr, marcando el inicio del estudio del núcleo atómico, por lo que a Rutherford se le conoce como el padre de la era nuclear.

c) El Modelo de Bohr.

El físico danés Niels Bohr ( Premio Nobel de Física 1922), postula que los electrones giran a grandes velocidades alrededor del núcleo atómico. Los electrones se disponen en diversas órbitas circulares, las cuales determinan diferentes niveles de energía. El electrón puede acceder a un nivel de energía superior, para lo cual necesita "absorber" energía. Para volver a su nivel de energía original es necesario que el electrón emita la energía absorbida ( por ejemplo en forma de radiación). Este modelo, si bien se ha perfeccionado con el tiempo, ha servido de base a la moderna física nuclear.

d) Modelo Mecano - Cuántico.

Se inicia con los estudios del físico francés Luis De Broglie, quién recibió el Premio Nobel de Física en 1929. Según De Broglie, una partícula con cierta cantidad de movimiento se comporta como una onda. En tal sentido, el electrón tiene un comportamiento dual de onda y corpúsculo, pues tiene masa y se mueve a velocidades elevadas. Al comportarse el electrón como una onda, es imposible conocer en forma simultánea su posición exacta y su velocidad, por lo tanto, sólo existe la probabilidad de encontrar un electrón en cierto momento y en una región dada en el átomo, denominando a tales regiones como niveles de energía. La idea principal del postulado se conoce con el nombre de Principio de Incertidumbre de Heisenberg, el cual en estricto rigor indica que "variables canónicamentes conjugadas no pueden determinarse simultáneamente con una precisión mejor que "


Radiactividad

a) Radiactividad Natural

 

 

 

 

 

Henri Becquerel

En Febrero de 1896, el físico francés Henri Becquerel investigando con cuerpos fluorescentes (entre ellos el Sulfato de Uranio y el Potasio), halló una nueva propiedad de la materia a la que posteriormente Marie Curie llamó "Radiactividad". Se descubre que ciertos elementos tenían la propiedad de emitir radiaciones semejantes a los rayos X en forma espontánea. Tal radiación era penetrante y provenía del cristal de Uranio sobre el cual se investigaba.


 

 

Marie y Pierre Curie al proseguir los estudios encontraron fuentes de radiación natural bastante más poderosas que el Marie y Pierre CurieUranio original, entre estos el Polonio y el Radio.

La radiactividad del elemento no dependía de la naturaleza física o química de los átomos que lo componen, sino que era una propiedad radicada en el interior mismo del átomo.

Hoy en día se conocen más de 40 elementos radiactivos naturales, que corresponden a los elementos más pesados. Por arriba del número atómico 83, todos los núcleos naturales son radiactivos.

 

 

b) Desintegraciones Alfa, Beta, Gamma.

La radiactividad es un fenómeno que se origina exclusivamente en el núcleo de los átomos radiactivos. La causa que los origina probablemente se debe a la variación en la cantidad de partículas que se encuentran en el núcleo.

Cuando el núcleo atómico es inestable a causa del gran número de protones que posee (ocurre en los elementos más pesados, es decir con Z = 83 o superior), la estabilidad es alcanzada, con frecuencia, emitiendo una partícula alfa, es decir, un núcleo de Helio (2He4 ) formado por dos protones y dos neutrones.

Cuando la relación de neutrones/protones en un núcleo atómico es elevada, el núcleo se estabiliza emitiendo un neutrón, o bien como ocurre con frecuencia, emitiendo una partícula beta, es decir, un electrón.

Cuando la relación de neutrones/protones es muy pequeña, debe ocurrir una disminución en el número de protones o aumentar el número de neutrones para lograr la estabilidad del núcleo. Esto ocurre con la emisión de un electrón positivo o positrón, o bien absorbiendo el núcleo un electrón orbital.

Los rayos gamma son ondas electromagnéticas de gran energía, muy parecidos a los rayos X, y en ciertas ocasiones se presentan cuando ocurre una desintegración de partículas beta, o bien una emisión de positrones. Por lo tanto, la radiación gamma no posee carga eléctrica y su naturaleza ondulatoria permite describir su energía en relación a su frecuencia de emisión.

c) Radiactividad Artificial.

Al bombardear diversos núcleos atómicos con partículas alfa de gran energía, se pueden transformar en un núcleo diferente, por lo tanto, se transforma en un elemento que no existe en la naturaleza. Los esposos Irene Curie y Frédéric Joliot, experimentando con tales procesos descubren la radiactividad artificial, pues se percatan que al bombardear ciertos núcleos con partículas procedentes de fuentes radiactivas estos se vuelven radiactivos. Si la energía de las partículas es adecuada, entonces puede penetrar en el núcleo generando su inestabilidad y por ende, induciendo su desintegración radiactiva.

Desde el descubrimiento de los primeros elementos radiactivos artificiales, el hombre ha logrado en el tiempo obtener una gran cantidad de ellos. Es clave en este proceso la aparición de los llamados aceleradores de partículas y de los reactores nucleares. Estos últimos son fuente importante de neutrones que son utilizados para producir gran variedad de radioisótopos.

Transmutación Natural

Cuando un núcleo emite una partícula a o una partícula b, se forma un nuevo elemento. El proceso de denomina Transmutación.

Cuando el átomo expulsa una partícula
a el número de masa resultante es menor en 4 unidades y el numero atómico es menor en 2 unidades. El átomo resultante se encuentra dos espacios atrás en la tabla periódica.

Cuando el átomo expulsa una partícula
b, no se altera el número de masa y el número atómico aumenta 1 unidad. El átomo resultante se encuentra un sitio adelante en la tabla periódica.

 

 

Radiaciones

a)     Radiaciones Ionizantes.

Son radiaciones con la energía necesaria para arrancar electrones de los átomos. Cuando un átomo queda con un exceso de carga eléctrica, ya sea positiva o negativa, se dice que se ha convertido en un ión (positivo o negativo).

Son radiaciones ionizantes los rayos X, las radiaciones alfa, beta, gamma y la emisión de neutrones.


La radiación cósmica (proveniente del Sol y del espacio interestelar ) también es un tipo de radiación ionizante, pues está compuesta por radiaciones electromagnéticas y por partículas con gran cantidad de energía. Es así como, los llamados rayos cósmicos blandos, se componen principalmente de rayos gamma, electrones o positrones, y la radiación cósmica primaria ( que llega a las capas más altas de la atmósfera ) se compone fundamentalmente de protones. Cuando la radiación cósmica interactúa con la atmósfera de la Tierra, se forman en ella átomos radiactivos (como el Tritio y el Carbono-14) y se producen partículas alfa, neutrones o protones.

Las radiaciones ionizantes pueden provocar reacciones y cambios químicos con el material con el cual interaccionan. Por ejemplo, son capaces de romper los enlaces químicos de las moléculas o generar cambios genéticos en células reproductoras.

b)    Radiaciones No Ionizantes.

Son aquellas que no son capaces de producir iones al interactuar con los átomos de un material.

Las radiaciones no ionizantes se pueden clasificar en dos grandes grupos: los campos de origen electromagnético y las radiaciones ópticas.

Dentro de los campos electromagnéticos se pueden distinguir aquellos generados por las líneas de corriente eléctrica o por campos eléctricos estáticos. Otros ejemplos son las ondas de radiofrecuencia, utilizadas por las emisoras de radio en sus transmisiones, y las microondas utilizadas en electrodomésticos y en el área de las telecomunicaciones.

Entre las radiaciones ópticas se pueden mencionar los rayos infrarrojos, la luz visible y la radiación ultravioleta. Estas radiaciones pueden provocar calor y ciertos efectos fotoquímicos al actuar sobre el cuerpo humano.

 

CINÉTICA DE LA RADIACTIVIDAD: Ley de desintegración radiactiva

La desintegración de un núcleo radiactivo es un proceso espontáneo y es imposible predecir cuando un átomo se transmutará. Ahora bien, cuando hay una gran cantidad de átomos radiactivos, se puede demostrar que la cantidad de núcleos iniciales disminuye con el tiempo.

El número de átomos que se desintegran en un tiempo dado es directamente proporcional al número de átomos presentes en la muestra. La constante de proporcionalidad es conocida como la constante de desintegración.

 

 

 

 

Se llama periodo de semidesintegración al tiempo t1/2, para el cual, el número de núcleos iniciales se reduce a la mitad. Cada sustancia radiactiva tiene un periodo de semidesintegración.

La vida media es el valor medio de duración de los átomos de una sustancia radiactiva.

El número de emisiones de una sustancia por unidad de tiempo recibe el nombre de actividad A, o velocidad de desintegración- Su unidad en el sistema internacional es el becquerel (Bq), que es una desintegración por segundo. (Nota: 1 curie=3,7·1010 Bq)

(A=l·N)

 

 

 

Fisión y Fusión Nuclear

El estudio de las reacciones nucleares y la búsqueda de nuevos isótopos radiactivos artificiales, sobre todo entre los elementos más pesados, llevó al descubrimiento de la fisión nuclear. Cuando se bombardea el uranio-235 con neutrones, se descompone en dos núcleos, produciéndose un gran desprendimiento de energía y la emisión de nuevos neutrones. Estos, a su vez, pueden colisionar con nuevos núcleos fisionables que emitirán nuevos neutrones y así sucesivamente. Este efecto multiplicador se conoce como reacción en cadena.

 

 

Reacción en cadena

 

La fisión nuclear es la base del desarrollo de la energía nuclear, cuando un núcleo de uranio 235 es bombardeado con neutrones, aun de baja energía, se produce una violenta inestabilidad que hace que el núcleo se divida en dos fragmentos aproximadamente iguales. Una reacción nuclear en cadena es posible porque aparte de los dos fragmentos liberados se emiten neutrones y en este caso particular del uranio 235 los neutrones son suficientes como para causar una nueva fisión. Con otros núcleos es frecuente utilizar gran cantidad de energía para producir la fisión, por ejemplo elementos tal como el radio o el bismuto necesitan ser bombardeados con partículas alfa de gran energía (40 Mev).

 

El fenómeno de la fisión del uranio fue descubierto en Berlín por Hahn y Strassmann en 1939,que llevados por una evidencia químicas, como la producción de bario, sospecharon de la posibilidad de la división del núcleo de uranio en dos partes aproximadamente iguales, ellos comunicaron estos resultados a una colega  Lise Meitner que se escapa de Alemania a Suecia por las persecuciones a los judíos, con su sobrino Otto Frisch discuten las implicaciones del experimento y prevén que unas de las consecuencias es la gran cantidad de energía liberada en el proceso de fisión, Meitner y Frisch sugirieron que la energía liberada durante la reacción era del orden de 200 Mev.

El físico italiano Enrico Fermi escapado de Italia llega a duras penas a los Estados Unidos en enero de 1939,al mismo tiempo que las nuevas noticias del descubrimiento de la fisión del uranio. Los acontecimientos fueron comunicados a Niels Bohr, que aprecio inmediatamente los fundamentos de la fisión, el también viajo a los Estados Unidos y transmitió la noticia en forma apurada a la Universidad de Columbia y deseo discutir el tema con Fermi, la reacción era tan violenta que los neutrones liberados podrían producir otras fisiones y el proceso se repetiría, si las circunstancias son suficientemente favorables una gran cantidad de energía se liberaría.

 

Desafortunadamente para la historia del ser humano en el planeta Tierra, una de las primeras aplicaciones que se le dio a la fisión nuclear fue para fines bélicos. A las 8:15 am el día 6 de agosto de 1945 los Estados Unidos hicieron explotar la primera bomba atómica sobre la ciudad Japonesa de Hiroshima. Al instante murieron más de 90 mil personas, los daños ambientales, materiales y sicológicos aún se siguen sufriendo. Tres días más tarde una segunda bomba atómica fue lanzada sobre Nagasaki con un número de victimas comparable. La historia de la humanidad nunca será igual. Los gobiernos de Estados Unidos y Rusia tienen a su disposición 5.500 cabezas atómicas, suficiente para matar todos los seres humanos en el planeta Tierra en pocos minutos.

Con la explosión nuclear, la neutralidad de la Ciencia estallo en mil pedazos.

 

En la fusión nuclear, dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado y estable, con gran desprendimiento de energía. Para que tenga lugar la fusión, los núcleos cargados positivamente deben aproximarse venciendo las fuerzas electrostáticas de repulsión, por lo que han de alcanzar energías cinéticas muy altas, lo que se puede conseguir por un acelerador de partículas o con energía térmica.

 

La reacción de  fusión nuclear requiere que dos núcleos se acerquen lo suficiente, para que la fuerza nuclear atractiva se haga sentir y los dos núcleos se fundan en uno solo con la consecuente ganancia de energía. Desgraciadamente, los núcleos tienen carga positiva y se repelen eléctricamente; esta repulsión actúa a distancias mucho mayores que el alcance de la interacción fuerte. Como la repulsión eléctrica es proporcional al producto de las cargas que se repelen, el acercamiento es más fácil para los núcleos ligeros, pues llevan menos carga. A fin de conseguir la fusión nuclear debemos usar, entonces, el hidrógeno y sus isótopos. De todas formas, el rechazo entre las cargas significa una fuerte barrera que se opone a la fusión y que de una forma u otra debemos vencer.

 

 

Recientemente se ha logrado en el reactor español de fusión TJ-II, del CIEMAT, confinar plasma a una temperatura similar a la del sol. El objetivo de este reactor no es conseguir la fusión y generar electricidad, sino estudiar durante los próximos quince años el comportamiento del plasma.

 El TJ-II tiene un peso de 60 toneladas y un diámetro de 5 metros, y funciona calentando hidrogeno inyectado en su interior, gracias a una potencia eléctrica de un millón de vatios generados.

 Hasta el momento se han logrado en 120 ocasiones plasma, durando cada prueba aproximadamente un segundo.
El éxito de este experimento es un paso más en la consecución de la esperada energía de fusión.