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.