Física Nuclear

Nombre: Andrés Choachí JaramilloGrupo: 10-03Número: 5Área: Física

Introducción

La Física nuclear y de partículas, íntimamente ligadas, constituyen uno de los dominios más relevantes de la Física moderna. El conocimiento cada vez más profundo de la estructura de la materia, mediante experimentos en los aceleradores de partículas, nos está llevando, paradójicamente, a entender el origen y evolución del universo.

Al conocimiento científico en este ámbito se ha unido casi de inmediato la aplicación técnica (producción de energía en centrales nucleares, radioterapia médica para el tratamiento de tumores malignos, marcaje radiactivo para el seguimiento de reacciones químicas, producción de mutaciones en plantas para la mejora de las cosechas agrícolas, las bombas atómicas,...). La tremenda cantidad de energía que puede liberar el núcleo atómico constituye, al tiempo que un peligro potencial en manos de la humanidad, un bien al que nuestra sociedad no puede renunciar (al menos, de momento Los núcleos de los átomos, núcleos o nucleídos, se representan simbólicamente como XAZ , donde: X es el símbolo del elemento químico al que pertenece el núcleo del átomo; Z es el número atómico (número de protones que lo constituye; todos los núcleos con igual Z pertenecen a átomos del mismo elemento; en un átomo neutro, Z identifica además al número de electrones); A es el número másico (número de nucleones que lo constituyen, o sea, suma de protones y neutrones presentes en el núcleo). Los núcleos isótopos son aquellos con igual número de protones (mismo Z) pero distinto de neutrones (distinto A); por ejemplo, H11 (protio), H21(deuterio), H31(tritio) son los tres isótopos del hidrógeno. Dado que los isótopos pertenecen a átomos del mismo elemento químico, podemos también designar un núcleo mediante el símbolo del elemento y A únicamente; por ejemplo, un núcleo de carbono que posea 6 p y 8 n se representa C146 o C-14. Aunque difieran en sus propiedades físicas, todos los isótopos presentan las mismas propiedades químicas, al venir determinadas éstas por sus configuraciones electrónicas, idénticas para todos ellos; esta identidad química posibilita el uso de isótopos como marcadores, técnica muy extendida, por ejemplo, en medicina

Justificación

La física nuclear tiene como justificación el permitir que el hombre comprenda mejor su mundo en partes que llegan a ser la composición básica de todo pero que se encuentran invisibles al ojo. Desarrollando la Física nuclear podemos desarrollar métodos de obtención de energía más limpios (plantas nucleares) o bien ingeniar tecnología que nos permita llegar a lo que ahora consideramos imposible.

La física es la forma que encontró el hombre para estudiar la naturaleza, sosteniéndose en la base de las matemáticas. La importancia reside en intentar comprender (hasta donde se nos permite) como funciona la naturaleza. Mediante la física hemos logrado comprender que la misma fuerza que provoca la caída de una manzana de un árbol es la responsable de que la luna gire alrededor de la tierra, y ésta alrededor del sol. Que la luz es un campo electromagnético, que la materia está compuesta por ínfimas partículas elementales llamadas átomos. Que existen cuerpos con tanta masa concentrada que ni siquiera la luz escapa de ellos (agujeros negros). Que el universo está en expansión, etcétera.

La física es maravillosa, pero cuidado: la naturaleza no está escrita en un lenguaje matemático como dicen. Las teorías que propone el hombre no es lo que la naturaleza dicta. La naturaleza no se basa en funciones para evolucionar. El hombre (con sus virtudes y limitaciones) creó una teoría para tratar de comprender la naturaleza y, por cierto, nunca sabremos como son sus engranajes. Sí llegaremos a tener unas buenas teorías que funcionen muy aproximadamente como se ven en los experimentos y que sean absolutamente compatibles entre ellas.

Objetivos

Objetivo general:

Identificar Los elementos de la Física Nuclear, las definiciones y su importancia en la cotidianidad de las personas.

Objetivos Específicos:

Identificar algunos científicos que han dedicado su vida al estudio y desarrollo de la física nuclear.

Analizar los tipos de radiaciones, clasificándolos en Alfa, Beta Más, Beta Menos y Gamma.

Estudiar los conceptos básicos de los átomos tales como Número atómico, peso atómico entre otros conceptos fundamentales.

Analizar la ley de la Desintegración de la radioactividad Comprender la diferencia entre fusión nuclear y Fisión Nuclear

Marco Teórico

La Física NuclearLa física nuclear se encarga del estudio del núcleo del átomo, el cual está compuesto a su vez por partículas elementales. La idea de pequeñísimas unidades indivisibles como fundamento de toda la materia nació en conexión con el desarrollo de los conceptos de materia, ser y devenir, que han impreso su sello a la primera época de la filosofía griega. Las ideas fundamentales de la teoría atómica fueron aceptadas en parte y perfeccionadas por la filosofía griega posterior.

En el diálogo "Timeo", pone Platón estas ideas en relación con la teoría pitagórica de la armonía numérica e identifica los átomos de los elementos agua, tierra, aire y fuego con los cuerpos regulares: cubo, octaedro, icosaedro, tetraedro. Los epicúreos se apropiaron, en lo esencial, la teoría atómica, añadiéndole una idea que desempeñó un papel decisivo en la ciencia natural: la idea de necesidad de naturaleza.

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, quien 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.

Contribuciones de Diferentes Científicos a la Física Nuclear

1. Becquerel: En el año 1896 descubrió accidentalmente una nueva propiedad de la materia que posteriormente se denominó radiactividad. Este fenómeno se produjo durante su investigación sobre la fosforescencia. Al colocar sales de uranio sobre una placa fotográfica en una zona oscura, comprobó que dicha placa se ennegrecía. Las sales de uranio emitían una radiación capaz de atravesar papeles negros y otras sustancias opacas a la luz ordinaria. Estos rayos se denominaron en un principio rayos Becquerel en honor a su descubridor. También este personaje gracias a sus valiosas investigaciones y descubrimientos hizo aportes al modelo atómico.

Tras el descubrimiento, a finales de 1895, de los Rayos X por Wilhelm Röntgen, Becquerel observó que éstos, al impactar con un haz de rayos catódicos en un tubo de vidrio en el que se ha hecho el vacío, se tornaban fluorescentes. A raíz de esta observación, se propuso averiguar si existía una relación fundamental entre los rayos X y la radiación visible, de tal modo que todos los materiales susceptibles de emitir luz, estimulados por cualquier medio, emitan, así mismo, rayos X.

Para comprobar esta hipótesis, colocó cristales sobre una placa fotográfica envuelta en papel opaco, de tal forma que sólo la radiación invisible, correspondiente a los rayos X, pudiera revelar la emulsión contenida en la placa; previamente excitó los cristales mediante exposición a la luz solar. Al cabo de unas horas comprobó que la placa revelaba la silueta perfilada por los cristales.

Además realizó investigaciones sobre la fosforescencia, espectroscopia y la absorción de la luz.

2. Pierre Curie: En 1880 descubrió la piezoelectricidad con su hermano Jacques, es decir, el fenómeno por el cual al comprimir un cristal (cuarzo) se genera un potencial eléctrico. Posteriormente ambos hermanos demostraron el efecto contrario: que los cristales se pueden deformar cuando se someten a un potencial.

Enunció en 1894 el principio universal de simetría: las simetrías presentes en las causas de un fenómeno físico también se encuentran en sus consecuencias.

Durante su doctorado y los años siguientes se dedicó a investigar alrededor del magnetismo. Desarrolló una balanza de torsión muy sensible para estudiar fenómenos magnéticos y estudió el ferromagnetismo, el paramagnetismo y el diamagnetismo. Como resultado de estos estudios, se destaca el descubrimiento del efecto de la temperatura sobre el paramagnetismo, conocido actualmente como la ley de Curie. También descubrió que las sustancias ferromagnéticas presentan una temperatura por encima de la cual pierden su carácter ferromagnético; esta temperatura se conoce como temperatura o punto de Curie.

3. Marie Curie: Marie y Pierre estudiaron las hojas radiactivas, en particular el uranio en forma de pechblenda, que tenía la curiosa propiedad de ser más radiactiva que el uranio que se extraía de ella. La explicación lógica fue suponer que la pechblenda contenía trozos de algún elemento mucho más radiactivo que el uranio.

También descubren que el torio podía producir radiactividad. Tras varios años de trabajo constante, a través de la concentración de varias clases de pechblenda, aislaron dos nuevos elementos químicos. El primero, en 1898, fue nombrado como polonio en referencia a su país nativo. Polonia había sido particionado en el s. XVIII entre Rusia, Prusia y Austria, y la esperanza de Skłodowska-Curie fue nombrar al elemento con su país nativo para atraer la atención hacia su pérdida de independencia. El polonio fue el primer elemento químico que recibió su nombre por razones políticas.3 El otro elemento fue llamado Radio (Ra) debido a su intensa radiactividad. Siempre trabajaron en estos años en un cobertizo y Pierre era el encargado de suministrar todos los medios y artilugios para que Marie trabajara. Pierre tenía temporadas de una gran fatiga que incluso le obligaba a reposar en cama, además de que los dos sufrían quemaduras y llagas producidas por sus peligrosos trabajos radiactivos.

Poco después Marie obtuvo un gramo de cloruro de radio, lo que consiguió tras manipular hasta ocho toneladas de pechblenda. En 1902 presentan el resultado y les invitan a todas las sedes científicas, y a todas las cenas y reuniones sociales, lo que les lleva a la fama. Los científicos les mandaban cartas y los estadounidenses les pedían que dieran a conocer todos sus descubrimientos. Tanto Pierre como Marie aceptan y prestan todas sus investigaciones sin querer lucrarse de ello mediante patentes, un hecho que es aplaudido por todo el mundo.

4. Rutherford: En 1911 hará su mayor contribución a la ciencia, al descubrir el núcleo atómico. Había observado en Montreal al bombardear una fina lámina de mica con partículas alfa, que se obtenía una deflexión de dichas partículas. Al retomar Geiger y Marsden de modo más concienzudo estos experimentos y utilizando una lámina de oro, se dieron cuenta de que algunas partículas alfa se desviaban más de 90 grados. Rutherford lanzó entonces la hipótesis, que Geiger y Marsden enfrentaron a las conclusiones de su experimento, de que en el centro del átomo debía haber un "núcleo" que contuviera casi toda la masa y toda la carga positiva del átomo, y que de hecho los electrones debían determinar el tamaño del átomo. Este modelo planetario había sido sugerido en 1904 por un japonés, Hantarō Nagaoka, aunque había pasado desapercibido. Se le objetaba que en ese caso los electrones tendrían que irradiar girando alrededor del núcleo central y, en consecuencia, caer. Los resultados de Rutherford demostraron que ese era sin dudar el modelo bueno, puesto que permitía prever con exactitud la tasa de difusión de las partículas alfa en función del ángulo de difusión y de un orden de magnitud para las dimensiones del núcleo atómico. Las últimas objeciones teóricas (sobre la irradiación del electrón) se desvanecieron con los principios de la teoría cuántica, y la adaptación que hizo Niels Bohr del modelo de Rutherford a la teoría de Max Planck, lo que sirvió para demostrar la estabilidad del átomo de Rutherford.

En 1914 empieza la Primera Guerra Mundial, y Rutherford se concentra en los métodos acústicos de detección de submarinos. Tras la guerra, ya en1919, lleva a cabo su primera transmutación artificial. Después de observar

los protones producidos por el bombardeo de hidrógeno de partículas alfa (al observar el parpadeo que producen en pantallas cubiertas de sulfuro de zinc), se da cuenta de que obtiene muchos de esos parpadeos si realiza el mismo experimento con aire y aún más con nitrógeno puro. Deduce de ello que las partículas alfa, al golpear los átomos de nitrógeno, han producido un protón, es decir que el núcleo de nitrógeno ha cambiado de naturaleza y se ha transformado en oxígeno, al absorber la partícula alfa. Rutherford acababa de producir la primera transmutación artificial de la historia. Algunos opinan que fue el primer alquimista que consiguió su objetivo.

5. Chadwick: En 1932, Chadwick realizó un descubrimiento fundamental en el campo de la ciencia nuclear: descubrió la partícula en el núcleo del átomo que pasaría a llamarse neutrón, partícula que no tiene carga eléctrica. En contraste con el núcleo de helio (partículas alfa) que está cargado positivamente y, por lo tanto, son repelidas por las fuerzas eléctricas del núcleo de los átomos pesados, esta nueva herramienta para la desintegración atómica no necesita sobrepasar ninguna barrera electrónica y es capaz de penetrar y dividir el núcleo de los elementos más pesados. De esta forma, Chadwick allanó el camino hacia la fisión del uranio 235 y hacia la creación de la bomba atómica. Como premio por su descubrimiento se le otorgó la Medalla Hughes de la Royal Society en 1932 y el Premio Nobel de física en 1935. También descubrió el tritio.

Núcleo Atómico

1. Número atómico (Z): Es el número de protones que componen el núcleo del átomo. Así, el Hidrógeno (símbolo H), que es el átomo utilizado en la fusión nuclear, tiene un número Z=1, pues solamente dispone de un protón en su núcleo. De hecho, el hidrógeno es el elemento químico más sencillo y a la vez más abundante en la naturaleza.

2. Masa atómica (A). Es la suma de protones y neutrones. También se llama número másico. Considerando N al número de neutrones de un átomo, tenemos que A=Z+N.

3. Peso atómico. Es el peso del átomo, tomando como unidad la duodécima parte del peso del átomo de Carbono (C). Así, el Hidrógeno pesa aproximadamente 1 y el Carbono 12.

4. Isótopo. Un mismo tipo de átomo puede tener en su núcleo distinto número de neutrones. A cada variedad se le llama isótopo. Así, como se ve en el gráfico de abajo, el hidrógeno tiene tres isótopos diferentes: isótopo hidrógeno, isótopo deuterio e isótopo tritio. Estos dos últimos son los utilizados en la fusión nuclear.

Características de los núcleos atómicos.

Los núcleos atómicos tienen distintas formas geométricas, con tamaños del orden de varios fermis (10-15m). Al ser de tan pequeño tamaño, la materia está muy concentrada en los núcleos, con densidades muy altas (del orden de 1018 kg/m3). Esta densidad no depende del número másico A, los cual nos indica que su volumen es proporcional a A (pues para ser constante la densidad al crecer la masa A también ha de crecer el volumen proporcionalmente), y su radio, asimilando el núcleo a una esfera, a la raíz cúbica de A. De hecho muchos experimentos indican que el radio nuclear vale:

                                                          R = R0 . A1/3

Donde R0 toma un valor aproximado de 1,2 fermis.

Los nucleones tienen estructura interna y su diámetro es casi de 2 fermis. Su masa es casi la misma (1,672.10-27 kg para los protones y 1,675.10-27 kg para los neutrones). Ambas partículas son fermiones, partículas con spin semi-entero. Recordemos que el spin es una característica cuántica de las partículas, que podemos asimilar al giro sobre sí mismo de la partícula.

Hoy se sabe que estos protones y neutrones no son partículas elementales al poder descomponerse en otras entidades más elementales, los denominados quarks. Estas partículas que tienen carga fraccionaria y spin ½ se combinan para dar lugar a los distintos protones y neutrones.

Casi todos los núcleos tienen un número mayor de neutrones que protones, salvo los más ligeros, donde suelen ser iguales el número de unos y otros. Esto se justifica debido al hecho de existir un mayor número de protones al crecer el número atómico y por lo tanto una mayor fuerza de repulsión que tiende a minimizarse con un mayor número de neutrones.

Fuerzas nucleares

Los protones y neutrones del núcleo se encuentran en un espacio muy reducido, a distancias muy cortas unos de otros. A estas distancias tan cortas es muy grande la repulsión electromagnética entre protones, que de acuerdo a la ley de Coulomb es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia y directamente proporcional a la magnitud de las cargas. La fuerza que vence a esta repulsión electromagnética y es capaz de mantener el núcleo unido es otra de las 4 interacciones fundamentales conocidas, la fuerza nuclear fuerte. Es una fuerza atractiva y muy intensa, por lo que domina a la repulsión culombiana de los protones, pero tiene un muy corto alcance, sólo del orden de poco más de un fermi. Las características de este tipo de fuerza son que es una fuerza saturada (cada partícula sólo es capaz de interaccionar con un pequeño número de otras partículas), dirigida (depende de la orientación de los espines) e independiente de la carga (la fuerza entre dos protones es igual que la existente entre dos neutrones o entre protón y neutrón).

Pese a la interacción fuerte, un núcleo puede ser inestable y desintegrarse por radiactividad, e incluso fisionándose, rompiéndose en fragmentos. Núcleos pesados, como por ejemplo el del Uranio, son capaces de hacerlo naturalmente. Como bien conocemos, el proceso de fisión también puede darse por la acción de neutrones sobre núcleos de determinados elementos, lo que produce una gran liberación de energía, aprovechada en las centrales nucleares de fisión.

Estabilidad Nuclear

La radiactividad es un proceso estrictamente nuclear, es un proceso de desintegración espontánea del núcleo. La estabilidad nuclear es el equilibrio entre las fuerzas de repulsión eléctrica de los protones y la fuerza atractiva nuclear de corto alcance, que experimentan los protones y neutrones del núcleo. La relación entre el número de protones (Z) y neutrones(N) es por lo tanto clave para la estabilidad del núcleo.

Para los núcleos ligeros N es aproximadamente igual a Z, es decir la relación entre N y Z es 1 (N / Z =1), por lo que son estables. Para los núcleos pesados la estabilidad se consigue con mayor número de neutrones y la relación entre N y Z puede llegar a ser de hasta 1.56 (N / Z=1.56), desviándose del valor 1 en el que el núcleo es estable. Este comportamiento de los diferentes núcleos está representado en la gráfica.

Análisis energético de la formación del núcleo

Al estar compuesto el núcleo de protones y neutrones, la masa del núcleo supuestamente será la suma de las masas de sus constituyentes. Experimentalmente sabemos que las masa de los núcleos estables es siempre un poco menor que la suma de las masas de sus constituyentes. Si la masa de un núcleo es M = M (Z, A) y las masas de un protón y

un neutrón son respectivamente mp y mn, la cantidad Dm = Z. mp + N. mn recibe el nombre de defecto másico y es una medida de la estabilidad del núcleo. Conocido es que la teoría de la relatividad equipara masa y energía, relacionándolas mediante la famosa ecuación DE = Dm . c2. Así, aplicando el Principio de Conservación de la energía, tenemos que la energía que obtengamos será la diferencia entre la energía del núcleo y la que tendrían todos los nucleones si estuviesen en reposo lo bastante separados para no sentir la fuerza nuclear fuerte entre ellos. Esta importante cantidad se conoce como energía de enlace o de ligadura, E:

                                              E = (Z. mp + N. mn ) . c2

Ésta es la cantidad de energía que hay que comunicar al núcleo par poder deshacerlo, separando completamente los nucleones, al igual que es la energía que se desprende en la formación de un núcleo. Dividiendo la energía de ligadura entre el número de nucleones del núcleo obtenemos la energía de ligadura por nucleón, que nos da una idea de la estabilidad de los núcleos; cuánto mayor sea, más estable será el núcleo, ya que se requerirá más energía por nucleón para descomponerlo en sus nucleones. La evaluación de esta energía de ligadura de nucleón para los distintos núcleos nos da unos valores prácticamente constantes, de aproximadamente 8,5MeV, en una zona central de valores de A. Sin embargo existen dos zonas de menor estabilidad nuclear, correspondientes a núcleos ligeros y a núcleos pesados, con valores menores de esta energía , valores que sin embargo crecen al acercarse a la zona central. Así las dos formas de ganar energía por nucleón en una reacción nuclear, y por lo tanto pasar a una situación más estable, con el consiguiente desprendimiento de energía, son la fisión de un núcleo pesado en dos más ligeros de la zona central o la fusión de dos núcleos ligeros para dar uno más pesado, más próximo a esa zona central.

De masa a energía: La energía ni se crea ni se destruye, sino que sólo se transforma. El gran "secreto" de la energía atómica es que se obtiene energía de la variación de la masa de los átomos. Esta obtención de energía se basa en la referida fórmula de Einstein E = mc2.

Sustituyendo c por su valor tenemos: E = (2´99776 x 1010)2 = 8´9866 x 1020 unidades de energía por cada gramo de masa, lo que equivale a 25 millones de kilovatios/hora (25 Megavatios/hora) de energía por cada gramo de masa transformada.

Sin embargo, no toda la masa se transforma en energía, por lo que siempre habrá cierta pérdida de ésta.

El Mega-electrón-Volt: En las reacciones nucleares se expresa la energía en términos de eV (electronvoltio), unidad que corresponde a la energía susceptible de adquirir un electrón (carga del electrón = 1´602 x 10-19 columbios) bajo el campo electrostático de la unidad de medida MKS. Para expresar la energía en unidades de masa atómica (u.m.a)) se aplica la relación: 

1 u.m.a = 9´315 x 108 eV = 931´5 MeV  

La RadiactividadEl fenómeno de la radiactividad fue descubierto casualmente por Henri Becquerel en 1896. Estudiaba los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia, para lo cual colocaba un cristal de Pechblenda, mineral que contiene uranio, encima de una placa fotográfica envuelta en papel negro y las exponía al sol. Cuando desenvolvía la placa la encontraba velada, hecho que atribuía a la fosforescencia del cristal. Los días siguientes no hubo sol y dejó en un cajón la placa envuelta con papel negro y con la sal de Uranio encima. Cuando sacó la placa fotográfica estaba velada, y no podía deberse a la fosforescencia ya que no había sido expuesta al sol. La única explicación era que la sal de uranio emitía una radiación muy penetrante. Sin saberlo Becquerel había descubierto lo que Marie Curie llamaría más tarde radiactividad.

Mme. Curie junto a su esposo Pierre Curie, empezaron a estudiar el raro fenómeno que había descubierto Becquerel. Estudiaron diversos minerales y se dieron cuenta de que otra sustancia el torio, era "radiactiva", término de su invención. Demostraron que la radiactividad no era resultado de una reacción química, sino una propiedad elemental del átomo. El fenómeno de la radiactividad era característico de los núcleos de los átomos. En 1898 descubren dos nuevas sustancias radiactivas: el radio y el polonio, mucho más activas que el uranio. Pierre estudiaba las propiedades de la radiación, y Marie intentaba obtener de los minerales las sustancias radiactivas con el mayor grado de pureza posible. Pierre probó el radio sobre su piel, y el resultado fue una quemadura y una herida, pronto el radio serviría para tratar tumores malignos. Era el comienzo de las aplicaciones médicas que Mme. Curie daría a la radiactividad. En 1903 recibieron el premio Nobel de física junto con Becquerel por el descubrimiento de la radiactividad natural.

Al poco tiempo murió Pierre Curie en un accidente debilitado como estaba por el radio. Mme. Curie siguió trabajando y fue la primera mujer que ocupó un puesto en la Universidad de la Sorbona en Paris. Siguió investigando junto a Ernest Rutherford, quien encontró que la radiación que emitían las sustancias radiactivas, tenía tres componentes que denominó: alfa, beta y gamma.

Mme. Curie siguió estudiando el fenómeno de la radiactividad durante toda su vida, prestando especial atención a las aplicaciones médicas de la radiactividad junto con los rayos X, recién descubiertos. Agotada, casi ciega, los dedos quemados y marcados por su querido radio, Madame Curie murió a los 60 años de leucemia en 1934. Su hija Irene continuó su trabajo con la misma pasión junto a su marido, con el que descubrió la radiactividad artificial y por lo que recibieron el premio Nobel.

Radiaciones

1. Radiación Alfa: Es un tipo de radiación poco penetrante que puede ser detenida por una simple hoja de papel. Rutherford sugirió que los rayos alfa son iones de átomos de Helio (He 2+ ) moviéndose rápidamente, y en 1909 lo demostró

experimentalmente. Este tipo de radiación la emiten núcleos de elementos pesados situados al final de la tabla periódica (A >100). Estos núcleos tienen muchos protones y la repulsión eléctrica es muy fuerte, por lo que tienden a obtener N aproximadamente igual a Z, y para ello emite una partícula alfa. En el proceso se desprende mucha energía que se convierte en la energía cinética de la partícula alfa, es decir que estas partículas salen con velocidades muy altas.

En el proceso un núcleo cualquiera de número másico A y número atómico Z, se convierte en otro núcleo Y con número másico A-4 y atómico Z-2, y se emite una partícula alfa.

ZAX ----> Z-2

A-4H + He2+

Como ejemplo tendríamos las siguientes desintegraciones:

235U -----> 231TH + He2+

226Ra ----> 222Rn + He2+

210Po ----> 206Pb + He2+

2. Radiación Beta Menos: Aparece para cualquier tipo de núcleo, pero es típica de núcleos con exceso de neutrones, es decir N>Z. Es un mecanismo usado por los núcleos para llegar a la línea de estabilidad (N aproximadamente igual Z)La radiación Beta- consiste en la emisión espontánea de electrones por parte de los núcleos, pero en el núcleo sólo hay protones y neutrones, ¿cómo puede emitir electrones? En 1934 Fermi explicó esta radiación suponiendo que en la desintegración beta menos, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un antineutrino mediante la reacción:

n0 ----> p+ + e- + antineutrino

La emisión beta menos da como resultado otro núcleo distinto con un protón más, la reacción sería:

ZAX ----> Z+1

AY + e-+ antineutrino

3. Radiación Beta Más: Mediante este mecanismo un núcleo emite espontáneamente positrones, e+, antipartículas del electrón de igual masa pero con carga eléctrica opuesta. Lo que ocurre es que un protón del núcleo se desintegra dando lugar a un neutrón, un positrón o partícula Beta+ y un neutrino . Así el núcleo se desprende de los protones que le sobran y se acercan a la línea de estabilidad N = Z. Por ello se da en núcleos con exceso de protones. la reacción sería:

ZAX ----> Z-1

AY + e++ neutrino

Algunos ejemplos son:

30P ----> 30Si + e+

40K ----> 40Ar + e+

53Fe ----> 53Mn + e+

4. Radiación Gamma: En este tipo de radiación el núcleo no pierde su identidad. Mediante esta radiación el núcleo se desprende de la energía que le sobra para pasar a otro estado de energía más baja. Emite rayos gamma, o sea fotones muy energéticos. Este tipo de emisión acompaña a las radiaciones alfa y beta. Es una radiación muy penetrante, atraviesa el cuerpo humano y sólo se frena con planchas de plomo y muros gruesos de hormigón. Al ser tan penetrante y tan energética, de los tres tipos de radiación es la más peligrosa.

ZAX* ----> Z

AX + gamma

Series RadioactivasCuando un núcleo se va desintegrando, emite radiación y da lugar a otro núcleo distinto también radiactivo, que emite nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que aparezca un núcleo estable, no radiactivo. Todos los núcleos que proceden del inicial(núcleo padre) forman una serie o cadena radiactiva. Se conocen cuatro series o familias radiactivas, tres de las cuales existen en la naturaleza ya que proceden de los radionúclidos primigenios. Se llaman radionúclidos primigenios a aquellos que sobreviven en la Tierra desde su formación. Esto se debe a que su semivida es comparable a la edad de la Tierra.

Las tres series que existen en la naturaleza son la del Th-232, U-238 y Ac-227, la otra serie radiactiva es la A del Np-297, que debería haberse extinguido, pero las pruebas nucleares realizadas han liberado estos núcleos y por lo tanto ha vuelto aparecer esta cadena radiactiva. En cada serie todos los núcleos están relacionados, en la del Th-232, por ejemplo, todos los núcleos de la serie tienen números másicos iguales a 4n, siendo n un número entero cualquiera. En la tabla siguiente están las distintas series radiactivas.

Ley de desintegración radiactivaEn 1902 Ernest Rutherford y Frederick Soddy, sugirieron que el ritmo con que una sustancia radiactiva emitía partículas radiactivas disminuía exponencialmente con el tiempo. La desintegración de un núcleo cualquiera se produce al azar, y el número de núcleos que se desintegran en un intervalo de tiempo dt es directamente proporcional al tiempo y al número de núcleos existentes. Su expresión matemática es:

N(t).... número de núcleos radiactivos en un instante t

dN ..... Número de desintegraciones en el tiempo t

-dN = l N dt

dN / N = - l dt

N = N0e-l t

Donde N es el número de núcleos que quedan sin desintegrar, N0 es el número de núcleos iniciales, y N0 - N es el número de núcleos desintegrados. La constante lambda es la constante de desintegración.

El fenómeno de la radiactividad es aleatorio sujeto a una cierta probabilidad de desintegración. Por eso lambda es la probabilidad por unidad de tiempo de que los núcleos pertenecientes a esa población se desintegren.

Semivida o periodo de desintegración, T1/2, es el tiempo que tarda una muestra radiactiva en reducirse a la mitad.

N = N0 / 2

N0 / 2 = N0 e - l T1/2

T1/2 = ln 2 / l

Actividad radiactivaPara ver como de "activa" es una muestra se mide la velocidad de desintegración de la muestra, es decir el número de desintegraciones que se producen por unidad de tiempo.

A = - dN / dt =lN

La unidad en la que se mide la actividad es el Becquerelio ,Bq, en honor a Henri Becquerel.

1 Bq = 1 d.p.s (desintegración por segundo)

Fisión nuclearLa fisión es la división de un nucleó atómico pesado (Uranio, plutonio, etc.)En dos o más fragmentos causado por el bombardeo de neutrones, con liberación de una enorme cantidad de energía y varios neutrones.

Cuando la fisión tiene lugar en un átomo de Uranio 235se observa su triple fenómeno;

- Aparrase una cantidad de energía, elevada en 200MeV que traduce la perdida de masa.

- Los productos de ruptura (300 o´400)son radiactivos. Su presencia explica los efectos de explosión de un artefacto nuclear.

- Cada núcleo fisionado emite 2 ó 3 neutrones que provocan el fenómeno de reacción en cadena y explican la noción de la masa crítica.

Se observa el mismo fenómeno de fusión en el plutonio 239 (artificial) y en el Uranio 233 (artificial). Ambos se fabrican a partir del Torio. Los núcleos se denominan núcleos flexibles.

Para que se produzca la fisión hace falta que el neutrón incidente reúna unas condiciones determinadas. Para actuar sobre el Uranio 235 y 233 y el Plutonio 239, el neutrón ha de ser un neutrón termicocuya energía es de la orden 1/40 eV, lo cual responde a una velocidad de 2 Km/s. El Uranio 238es igualmente fisible pero con neutrones rápidos cuya energía es 1MeV.

Fusión nuclearLa fusión de determinados núcleos de elementos ligeros es uno de los dos orígenes de energía nuclear, siendo la otra, la antes citada.

En la fusión intervienen los isótopos de hidrógeno (deuterio, tritio). Cuando se fusionan los núcleos de dichos isótopos se observa la aparición de energía que procede de la perdida de masa, de acuerdo con la relación de Einstein E=m.c2.

La fusión de los átomos ligeros presenta dificultades especiales tanto desde el punto de vista teórico como del tecnológico. Esto ocurre por estar los núcleos cargados positivamente.

La fusión y la fisión nuclearEncontrar recursos energéticos casi inagotables, baratos y no contaminantes ha sido un afán del hombre casi desde el primer momento.

El gran salto cuantivo lo dió el descubrimiento, hacia el año 1938-1939, es decir, la separación del núcleo de un átomos en otros elementos, liberaba gran cantidad de energía.

Desgraciadamente esta energía, a pesar de su rendimiento, es también altamente peligrosa- recuérdese que uno de el militar en Hiroshima y Nagasaki, y el desastre de Chernóbil-. La alternativa del futuro es la fusión nuclear. Las diferencias entre la fisión y la fusión nuclear son;

Por la fusión nuclear, un núcleo pesado como el Uranio 235, es dividido generalmente en dos nucleosmás ligeros debido a la colisión de un neutrón (recordemos que un átomo se compone de electrones, neutrones y protones). Como el neutrón no tiene carga eléctrica atraviesa fácilmente el núcleo del Uranio. Al dividirse este, libera más neutrones que colisionan con otros átomos de Uranio creando la conocida reacción en cadena de gran poder radiactivo y energético. Esta reacción se produce a un ritmo muy acelerado en las bombas nucleares, pero es controlado para usos pacíficos.

Por contra, la fusión es la unión de dos núcleos ligeros en uno más pesado, obteniéndose del orden de cuatro veces más energía que en la fisión.

Mientras que la fisión nuclearse conoce y puede controlarse bastante bien, la fusión plantea el siguiente gran inconveniente, que hace que continúe en fase de estudio, aunque entrando en el siglo XXI se espera resolver:

Para que la reacción de la fusión sea posible hay que vencer la repulsión electroestática entre dos núcleos igualmente cargados; esto es, al existir núcleos atómicos con igual carga, y en virtud del principio de que las cargas iguales se repelen, hay que aplicar una gran energía para conseguir la unión de las mismas.

Esto se logra gracias al calor aplicando temperaturas de millones de grados. El problema mencionado proviene de la dificultad de encontrar un reactor que aguante esa temperatura.

Con este calor se crea un nuevo estado de la materia, el plasma, en el que se da un absoluto desorden de iones y electrones.

Hay formas de conseguir la energía nuclear de fusión que se están experimentando actualmente, el confinamiento magnético y el confinamiento lineal.

Con el magnético se crea y se mantiene la reacción gracias a grandes cargas magnéticas.

Con el lineal, el calentamiento se consigue con laser y el confinamiento del plasmación la propia inercia de la materia.

La investigación actual está inclinada más por el magnético, habiéndose descubierto recientemente un nuevo método para mantener la reacción, cambiando el campo magnético de la forma cilíndrica a otra aproximadamente de forma de toro.

Podemos decir con orgullo que España se encuentra en los primeros puestos en cuanto a la investigación de la energía de fusión, disponiendo de prestigios científicos dedicados a esta materia y con gran reconocimiento nacional.

La reacción de fusión se suele conseguir por la unión por la unión del tritio y el deuterio (isótopos de hidrógeno) para conseguir la partícula X (alfa) logrando el calor necesario. El deuterio se encuentra en un 0,15% en el hidrógeno, 

 Y el tritio se extra del litio, muy abundante en el agua, por lo que no hay problemas en cuanto a estas materias primas.

Comparativamente, la energía de fusión proporciona más energía que la fisión. Por ejemplo, medio kilo de hidrógeno (muy abundante en la naturaleza, ya que forma parte del agua) produciría unos 35 millones de kilovatios hora. Por otro lado la fusión no contamina, o al menos no tanto como la fisión no existiendo peligro de radioactividad. La fisión por contra requiere de una materia prima de difícil y costosa extracción.

También se ha hablado de fusión en frio, para evitar los problemas que ya hemos citado con anterioridad. Este sistema lo propuso hace pocos años un importante científico, que supondría un gigantesco avance en este campo.

Desgraciadamente, y como la inversión en los otros dos sistemas ha sido grandísima y costaría mucho dinero cambiar los métodos de investigación a esta nueva vía, a parte de las presiones de los científicos que ahora investigan, que vieron peligrar sus subvenciones, al descubridor de la fusión en frío poco menos que se les lapidó, no volviéndose a oír hablar de él ni de su sistema. Científicos más objetivos consideran que con ello se han perdido al menos cuarenta o cincuenta años en la investigación de la fusión.

En cuanto a la utilidad de la energía de fusión, que es la que se da en el Sol para generar el calor que nos permite vivir, podemos destacar primeramente que sería una fuente casi inagotable de electricidad. Paulatinamente se deberían ir sustituyendo los reactores de fisión por los nuevos de fisión, evitándose así los problemas de radio actividad.

En un futuro no demasiado lejano incluso podrían instalarse estos reactores, como a hora ocurre en la fisión, en submarinos, en naves espaciales, y también en aeronaves y vehículos terrestres. Quizás se pueda llegar a tener en camiones, trenes, autobuses,… con motores de fusión (¿quién sabe?).

Aparte de esto, técnicamente, llegará a ser factible, habrá que contar de nuevo con los intereses económicos y políticos (la industria del petróleo mueve anualmente billones de pesetas, y los estados gana muchísimo a través de los impuestos). Recordemos, por ejemplo, el caso de aquel español que inventó un motor a base de agua hace algunos años; sorprendentemente la noticia desapareció de los medios de comunicación en cuestión de días (¿presiones económicas y políticas?).

Con todos estos acontecimientos cabe preguntarnos si de verdad podremos ver algún día estos avances y beneficiarnos. Como ciudadanos de a pie, con ellos.

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 ese reactor no es conseguir la fusión y generar electricidad, sino comprobar durante los próximos quince años el comportamiento del plasma.

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

Hasta el momento se ha 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.

Conclusiones1. La física nuclear tiene como objetivo el estudio constante de las partículas

mínimas de la materia; El Núcleo.2. Los esposos Pierre Curie y Marie Curie junto a Rutherford fueron los científicos

que más aportaron a la física nuclear con sus teorías, sus experimentos y resultados. Merecedores de premios Nobel de Química.

3. El Numero atómico es el número de electrones que posee un átomo, un Isótopo es un mismo elemento pero que varía en el número de neutrones que tiene en su núcleo, la masa atómica medida en Unidades de masa atómica o moles es la masa que compone el elemento.

4. El núcleo del átomo se mantiene estable, en un análisis energético del núcleo tenemos que Al estar compuesto el núcleo de protones y neutrones, la masa del núcleo supuestamente será la suma de las masas de sus constituyentes.

5. La radiactividad o radioactividad es un fenómeno físico natural, por el cual algunos cuerpos o elementos químicos llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria,

6. Las series radioactivas se presentan Cuando un núcleo se va desintegrando, emite radiación y da lugar a otro núcleo distinto también radiactivo, que emite nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que aparezca un núcleo estable, no radiactivo

7. La ley de la Desintegración radioactiva reduce: “El fenómeno de la radiactividad es aleatorio sujeto a una cierta probabilidad de desintegración. Por eso lambda es la probabilidad por unidad de tiempo de que los núcleos pertenecientes a esa población se desintegren”

8. En la actividad radioactiva se analiza cuan "activa" es una muestra, se mide la velocidad de desintegración de la muestra, es decir el número de desintegraciones que se producen por unidad de tiempo.

9. La Actividad Radioactiva es medida en Becquereles.

10. Fisión Nuclear: La fisión es la división de un nucleó atómico En dos o más fragmentos causado por el bombardeo de neutrones, con liberación de una enorme cantidad de energía y varios neutrones.

11. Fusión Nuclear: La fusión de determinados núcleos de elementos ligeros es uno de los dos orígenes de energía nuclear, siendo la otra, la antes citada. En la fusión intervienen los isótopos de hidrógeno (deuterio, tritio). Cuando se fusionan los núcleos de dichos isótopos se observa la aparición de energía que procede de la perdida de masa, de acuerdo con la relación de Einstein E=m.c2

Bibliografía

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Facultad de Minas y Energías, Universidad Nacional. (2007). La Física nuclear y su Importancia en la Actualidad. Medellín, Colombia: Publicaciones Universidad Nacional.

(200). Científicos que han Contribuido con La Física Nuclear. En M. Rodriguez, Biblioteca del Conocimiento (págs. 142-145). Medellin: Amphora.

Stonem, A. (5 de Noviembre de 2004). Royal Knowleadge Society. Recuperado el Septiembre de 2012, de http://www.sociedadelainformacion.com/departfqtobarra/nuclear/index.htm