Física Nuclear – Fusión y Fisión

Radiación Electromagnética Para comenzar, recordemos algunos hechos ya conocidos por toda la humanidad, a lo largo del tiempo:

1. Una de las formas que la energía se transporta en el espacio, es por medio de la radiación electromagnética. Así, la luz desde el sol, el calor asociado a ésta, la energía ocupada para calentar alimentos en hornos de microondas, el calor radiante de las estufas eléctricas con filamentos al rojo, calor de las brasas de una chimenea, los rayos X de los dentistas, etc., son todos ejemplos de radiación electromagnética

2. Aún cuando todas esas formas de radiación de energía, parecen tener diferente origen, lo cierto es que todas tienen algo en común: Exhiben un comportamiento de ondas ( de ahí el nombre movimiento ondulatorio) y viajan a la misma velocidad, no importando si su origen es visible ultravioleta, infrarroja o gama: viajan a la velocidad de la luz c = 2,9979·108 m/s, que es la velocidad de la onda radiante.

3. Las ondas se describen mediante tres características principales : la longitud de onda λ (medida en metros, p. ej.), la frecuencia ν (en ciclos/segundo) y la velocidad c definida antes. Cada una de estas características se aprecian en la figura asociada a este párrafo. En general, la longitud de onda λ mide la distancia que hay entre dos máximos vecinos, como lo señala la Figura. Por otra parte, el N° de veces que se repite el máximo de la onda que se propaga en una dirección, "cada 1 segundo", corresponde a la frecuencia ν. Así, mientras más alto es este número, la onda es de más alta frecuencia, son más energéticas. En cambio, las de "baja frecuencia o de mayor longitud de onda" , son más suaves.

4. Estas tres características de la onda, se relacionan entre sí de la siguiente manera:

ν(1/s) · λ(m) = c(m/s) = 2,9979·108(m/s)

A continuación se muestra las distintas zonas del Espectro electromagnético con sus características asociadas de longitud de onda y frecuencia. Obsérvese que mientras más corta sea la longitud de onda, más penetrante y enérgica es su acción. Ya vimos recientemente que los rayos� γ son muy difíciles de manejar, algo característico en las reacciones nucleares. Al otro extremo se encuentran las ondas electromagnéticas de transimisión de radio (FM, AM...) y de Televisión, pasando por las de Microondas.

El cuadro también da la longitud de onda en nanometros nm, que es la usual para identificar las zonas del Espectro visible de la radiación solar.

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Por otra parte, la radiación solar nos llega en la forma de Luz Blanca , que significa que al contener todas las tonalidades juntas, da como resultado que nosotros la vemos blanca y la separación de colores se logra fácilmente mediante prismas de vidrio o de cristales naturales, como lo muestra la Figura. Allí podemos ver directamente el resultado de la descomposición espectral de la luz blanca, o bien, recibirla en una película fotográfica.

5. La radiaciones de distinta longitud de onda afectan a la materia en mayor o menor grado, dependiendo de su valor. Por ejemplo, una sobre-exposición del cuerpo humano a la radiación infrarroja, puede causar quemaduras por calor o enrojecimientos de la piel. En cambio, una sobre-exposición a radiación visible o ultravioleta, normalmente produce un color tostado o quemado por el sol, dependiendo por supuesto de cantidades moderadas de exposición. Por último, una sobre-exposición a rayos x produce daño profundo en los tejidos y, posiblemente, cáncer de la piel o interno.

Teoría Cuántica Tal vez sea correcto afirmar que, a fines del siglo XIX, se pensaba que el campo de la física de átomos estaba más bien agotado y que faltaba poco por hacer. Las teorías y estudios hechos permitían explicar fenómenos tan diversos como el movimiento de los planetas y la dispersión de la luz visible al pasar por un prisma, como el ya visto. Sin embargo, no todo estaba aclarado y la supuesta independencia entre la masa y la energía de un cuerpo, no era tal. Se aceptó que la materia la constituían las partículas, y que la energía en forma de luz, estaba bien descrita por las ondas. Las partículas eran objetos que tenían masa y su posición en un punto del espacio era medible. En cambio, las ondas eran descritas en ese tiempo como algo intangible, sin masa e imposible de localizar en un lugar definido en el espacio. Además. siempre se aceptó que no existía relación alguna entre masa y luz, por lo que cualquier nueva idea sobre esta manera de ver la materia, era inmediatamente rechazada.

A comienzos del siglo XX, ciertos experimentos sugirieron que este esquema entre la interacción onda-materia no era correcta, ya que había motivos para cambiar la idea que cualquier cantidad de cualquier luz podía interactuar con la materia. Así, el físico alemán Max Planck, desde 1901, comenzó a preocuparse del hecho que algunos cuerpos incandescentes no emitían una radiación continua de colores, como lo hace la luz blanca en la figura recientemente vista.

Un ejemplo de este fenómeno se da a continuación, donde se ve en general que la muestra de sales excitadas de alguna manera, producen emisión de luz que no calza con la figura anterior, sino que corresponde a líneas definidas, discretas y separadas entre sí por regiones negras, indicando ausencia de

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luz.

Un ejemplo práctico de este fenómeno de emisión discreta lo constituye el espectro de líneas que se observa al excitar átomos de sodio Na, provenientes de una sal (p ej NaCl) con la llama del gas.

En la figura se señala la forma de colocar una muestra en la llama del mechero, mediante un alambre de Platino, el cual en su extremo transporta algunos granos de sal: ya sea el calor o la luz emitida al quemar el gas, al ser absorbida por el Sodio, lo cierto es que en la placa fotográfica "negra" solo se observa una línea de luz que se origina en la muestra y que es de color amarillo , (λ= 589 nm ) y no aparece una multitud de tonalidades de colores! Una situación similar ocurría con sales de Potasio ( p ej KCl ) . Además, también se observó experimentalmente que no importaba si la sal fuese otra (p ej Sulfato de Sodio), siempre la emisión de luz detectada era amarilla para la sal de Sodio.

Con estas observaciones, Planck planteó que existían niveles de energía muy definidos dentro del átomo, que el proceso de absorción de la energía de la luz involucraba a los electrones externos al núcleo y que alguno de ellos era transportado a un nivel superior debido a la excitación por la luz (Proceso de Absorción de luz) y que al regresar a su estado natural fundamental, devolvía esa misma energía en forma luminosa (Proceso de Emisión de luz), como lo indica el diagrama de niveles de energía de la figura anterior.

Además, para justificar el hecho experimental que cuando la sal era de Potasio K, cuya emisión correspondía a dos líneas espectrales en lugar de una, también propuso que existía un requisito que cumplir para la excitación electrónica: La fuente luminosa de irradiación debía contener exactamente las energías de los colores observados (amarillo en el caso de Na : rojo y azul en el caso del Potasio), de otra manera simplemente no ocurría el fenómeno experimental. Estos planteamientos llevaron a la idea que la luz se compone de cantidades pequeñas de energía, que se llamaron Quantum, o corpúsculos, cuya acción en los átomos era inducir excitaciones electrónicas. Así, a cada e- le corresponde interactuar con un Quantum de luz, siempre que la energía luminosa sea exactamente igual a la energía requerida �E dentro del átomo, para impulsar el e- a un nivel de energía superior. La figura siguiente muestra los fenómenos asociados a la absorción y emisión de luz entre dos niveles electrónicos definidos.

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Cada uno de estos corresponde a un espectro de absorción (cuando la " luz blanca" que incide en la muestra "pierde" los tonos de los colores absorbidos por los átomos de la muestra ), en el que se distingue claramente las zonas "sin luz" debido a la absorción, y otro llamado espectro de emisión (cuando la muestra "devuelve" en forma de líneas discretas las ondas absorbidas anteriormente, y nada más), formando un espectro de líneas.

En la figura de arriba, solo se ha representado dos niveles entre los que transcurre la excitación, pero es claro que para cada línea del espectro le corresponde dos niveles entre los que ocurre la transición.

En resumen, podemos afirmar que la contribución de Planck a la Teoría de la Interacción de la luz con los átomos, puede establecerse en los siguientes dos puntos:

1. La esencia del Postulado de Planck es que existe una cantidad discreta de energía luminosa, que se pierde (Absorción de luz por los átomos) o se gana (emisión de luz por los átomos) al interactuar una fuente luminosa con los átomos. La menor cantidad discreta de energía proveniente de la luz, se le llama Quantum de energía luminosa

2. La ganancia o pérdida de energía de un átomo ocurre por absorción o emisión de luz, que aporta la energía ∆E exactamente necesaria para producir el salto del e- a un nivel superior. Si la luz incidente sobre un átomo es de longitud de onda λ �y de frecuencia ν �entonces se debe cumplir que para 1 átomo o varios átomos:

1 átomo 2 átomos múltiplo entero de átomos

ΔE(átomo)=hν(luz) 2hν(luz) múltiplo entero de hν(luz)

h = constante de Planck, h = 6,62617·10-34 Joules

La cantidad hν(luz) = Quantum de energía luminosa, o bien, 1 fotón de luz

Esto quiere decir que cada Quantum se comporta como una partícula luminosa que en adelante llamaremos Fotón de energía hν, que se propaga en forma de una onda, como se muestra en la figura siguiente cuando la luz interactúa con los e-de un átomo.

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Efecto Fotoeléctrico

Una de las grandes aplicaciones logradas a partir del aporte de Planck, se produjo por el llamado Efecto Fotoeléctrico. Este ocurre cuando una superficie metálica limpia es iluminada con una radiación como lo señala la figura.

El resultado de esto es que existe una mínima frecuencia de luz bajo la cual ningún e- abandona la superficie iluminada. Solo cuando fotones de radiación de suficiente energía hv chocan la superficie metálica, los e- abandonan este lugar en la dirección de la placa (+) y, como resultado, el amperímetro indica que circula corriente por el circuito eléctrico. Si la energía del fotón hν es muy pequeña, ningún electrón se libera por lo que el circuito eléctrico está abierto y no hay señal de corriente en el instrumento. Este diseño es muy utilizado hoy día en los mecanismos de apertura de puertas automática en las grandes tiendas, cuando el paso luz es interrumpido por la persona frente a la puerta, enviando entonces la señal de "falta de corriente" al motor que acciona las puertas.

Cuando los fotones son absorbidos por el metal del tubo, si estos tienen energías más que las requeridas para "extraer" electrones de la superficie, este "exceso" se transforma en "energía cinética" para los electrones que les permite viajar hacia el otro terminal (+).

En 1905 Einstein (1879-1955) usó la teoría cuántica enunciada por Planck para justificar este experimento. El supuso que la energía radiante que choca el metal, es un "paquete" de fotones que transporta Quantu´s de energía hν .

Así, la energía radiante debe considerarse cuantizada. Ahora, si la Energía Cinética Ecinet del e- vale la diferencia entre la energía que aporta el fotón hν y la necesaria para liberar la carga y vencer la energía de su enlace (trabajo de Extraccíon, W= hν0, donde esta es la frecuencia umbral) con la superficie metálica, entonces

1

----- Ecinet =

2

me(vele)2 = hν - Eenlace=hν − We = h (ν −ν 0)

Esta ecuación simplemente declara que toda la radiación está cuantizada, no importando con quién se tope!. Esta afirmación, junto con su explicación, le permitió a Einstein lograr el Premio Nobel, en 1921.

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Longitud de Onda de De Broglie La dualidad onda corpúsculo, también llamada onda partícula, resolvió una aparente paradoja, demostrando que la luz y la materia pueden, a la vez, poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias.

De acuerdo con la física clásica existen diferencias entre onda y partícula. Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.

Actualmente se considera que la dualidad onda - partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa.” (Stephen Hawking, 2001)

Éste es un hecho comprobado experimentalmente en múltiples ocasiones. Fue introducido por Louis-Victor de Broglie, físico francés de principios del siglo XX. En 1924 en su tesis doctoral propuso la existencia de ondas de materia, es decir que toda materia tenía una onda asociada a ella. Esta idea revolucionaria, fundada en la analogía con que la radiación tenía una partícula asociada, propiedad ya demostrada entonces, no despertó gran interés, pese a lo acertado de sus planteamientos, ya que no tenía evidencias de producirse. Sin embargo Einstein reconoció su importancia y cinco años después, en 1929, recibió el Nobel en física por su trabajo.Su trabajo decía que la longitud de onda, λ, de la onda asociada a la materia era

donde h es la constante de Planck y p es la cantidad de movimiento de la partícula de materia. λ es la longitud de la onda asociada a la particula de masa m que se mueve a una velocidad v. El producto m.v es también el módulo del vector p, o cantidad de movimiento de la partícula. Viendo la fórmula se aprecia fácilmente, que a medida que la masa del cuerpo o su velocidad aumenta, disminuye considerablemente la longitud de onda.

Esta hipótesis se confirmó tres años después para los electrones, con la observación de los resultados del experimento de la doble rendija de Young en la difracción de electrones en dos investigaciones independientes. En la Universidad de Aberdeen, George Paget Thomson pasó un haz de electrones a través de una delgada placa de metal y observó los diferentes esquemas predichos. En los Laboratorios Bell, Clinton Joseph Davisson y Lester Halbert Germer guiaron su haz a través de una celda cristalina.

La ecuación de De Broglie se puede aplicar a toda la materia. Los cuerpos macroscópicos, también tendrían asociada una onda, pero, dado que su masa es muy grande, la longitud de onda resulta tan pequeña que en ellos se hace imposible apreciar sus características ondulatorias.

De Broglie recibió el Premio Nobel de Física en 1929 por esta hipótesis. Thomson y Davisson compartieron el Nobel de 1937 por su trabajo experimental. .

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EMISIONES RADIACTIVAS La radiactividad natural es producida por los núcleos inestables de algunos elementos pesados.

En la naturaleza existen 274 núclidos estables. Sus valores de Z y N pueden graficarse (Figura I), lo que permite observar que:

a) Para los elementos ligeros, la estabilidad se presenta en los núcleos con una relación cercana a un protón por cada neutrón.

b) Según va aumentando el número de protones, para que los núcleos sean estables se hace necesario un mayor número de neutrones. La razón es que con ello se reduce la repulsión entre los protones.

Figura I. Número atómico y de neutrones para los núclidos estables.

A los lados izquierdo y derecho de la zona de estabilidad de la figura I se encuentran los núclidos inestables. Unos lo son —lado izquierdo— porque tienen un exagerado número de neutrones. Lo que les sobra a los otros —lado derecho— son protones.

Estos núclidos inestables se transforman en estables a través de diversos cambios nucleares, que constituyen la esencia de la radiactividad.

Emisión de partículas alfa. Estas partículas son núcleos de helio, los cuales constan de dos protones y dos neutrones. Por lo tanto, cuando un núcleo inestable emite una partícula alfa, pierde cuatro unidades en su número de masa y su número atómico se reduce en dos unidades.

Así, si X y Y representan los símbolos de los elementos con Z y Z - 2 protones, el llamado "decaimiento alfa" es una reacción con el siguiente patrón:

Un ejemplo peculiar es el decaimiento del uranio-235, que se convierte en torio-231:

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Emisión de partículas beta. Los núclidos que se encuentran a la izquierda de la curva de estabilidad, con un exceso de neutrones, se estabilizan mediante la emisión de negatrones, o partículas beta, convirtiendo un neutrón en un protón. Los negatrones no son sino electrones, despedidos a enormes velocidades fuera de la atracción del núcleo. De esta forma, uno de los neutrones del radionúclido experimenta la siguiente reacción:

Durante este proceso, el radionúclido eleva en una unidad su número atómico (pues cuenta con un protón adicional), y mantiene constante su número de masa. La reacción general puede describirse así:

Un ejemplo particular es el torio-231, que se convierte en protactinio-23 1 por emisión beta:

Emisión de radiación gamma. Al igual que los electrones excitados de los átomos, que al volver a estados más estables emiten radiación electromagnética, los núcleos inestables también pueden hacerlo, salvo que en este caso la radiación es mucho más energética y se denomina gamma. El núclido no cambia su número atómico ni el de neutrones; simplemente reduce su energía.

PENETRACIÓN α, β, γ

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FUSIÓN NUCLEAR

En física, la fusión nuclear es el proceso mediante el cual dos núcleos atómicos se unen para formar uno de mayor peso atómico.

El nuevo núcleo tiene una masa inferior a la suma de las masas de los dos núcleos que se han fusionado para formarlo. Esta diferencia de masa es liberada en forma de energía. La energía que se libera varía en función de los núcleos que se unen y del producto de la reacción. La cantidad de energía liberada corresponde a la fórmula E = mc² donde m es la diferencia de masa observada en el sistema entre antes y después de la fusión y "c" es la velocidad de la luz (300.000 km/s).

Los núcleos atómicos tienden a repelerse debido a que están cargados positivamente. Esto hace que la fusión solo pueda darse en condiciones de temperatura y presión muy elevadas que permitan compensar la fuerza de repulsión. La temperatura elevada hace que aumente la agitación térmica de los núcleos y esto los puede llevar a fusionarse, debido al efecto túnel. Para que esto ocurra son necesarias temperaturas del orden de millones de grados. El mismo efecto se puede producir si la presión sobre los núcleos es muy grande, obligándolos a estar muy próximos.

Las necesidades mínimas para producir la fusión se llaman Criterios de Lawson, y son criterios de densidad iónica y tiempo mínimo de confinamiento necesario.

La reacción de fusión más sencilla (esto es, la que requiere menos energía) es la del deuterio y el tritio formando helio.

La fusión nuclear es el proceso que se produce en las estrellas y que hace que brillen. También es uno de los procesos de la bomba de hidrógeno. Al contrario que la fisión nuclear, no se ha logrado utilizar la fusión nuclear como medio rentable (o sea, la energía aplicada al proceso es mayor que la obtenida por la fusión) de obtener energía, aunque hay numerosas investigaciones en esa dirección.

Hasta el momento, la fusión nuclear controlada es utilizada solo en la investigación de futuros reactores de fusión aunque aún no se han logrado reacciones de fusión que sirvan para generar energía de forma útil, algo que se espera lograr con la construcción del ITER en Francia.

El 21 mayo 2006 se anuncia que físicos estadounidenses han superado uno de los problemas de la fusión nuclear usando el modelo Tokamak, el fenómeno llamado modos localizados en el borde, o ELMs (por sus siglas en inglés) que provocaría una erosión del interior del reactor, obligando a su reemplazo frecuentemente. En un artículo publicado el domingo 21 de mayo de 2006 en la revista británica Nature Physics, un equipo dirigido por Todd Evans de la empresa General Atomics, California, anuncia que un pequeño campo magnético resonante, proveniente de las bobinas especiales ubicadas en el interior de la vasija del reactor, crea una interferencia magnética “caótica” en el borde del plasma que detiene la formación de flujo.

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El 24 de mayo de 2006 Los siete socios del proyecto ITER --Unión Europea, Japón, Estados Unidos, Corea del Sur, la India, Rusia y China-- firmaron en Bruselas el acuerdo internacional para el lanzamiento del reactor de fusión internacional con el modelo Tokamak, que se construirá en Cadarache, en el Sudeste de Francia usando el diseño Tokamak. Los costes de construcción del reactor se estimaron en 4.570 millones de euros y la duración de la construcción en 10 años. La UE y Francia se comprometieron a contribuir con el 50% del costo, mientras que las otras seis partes acordaron aportar cada una alrededor del 10%.

El 21 de noviembre de 2006 el proyecto ITER ha sido bautizado en París. Los socios que llevarán a cabo este proyecto han firmado un acuerdo de carácter provisional en el palacio de Elysée. Los documentos firmados fueron entregados al representante de la Agencia Internacional de Energía Atómica formalmente. El organismo ITER comenzará las operaciones hasta que entre en vigencia el acuerdo de manera definitiva hacia 2007. Para el proyecto se cuenta con un presupuesto inicial de 10.000 millones de euros, de los que gran parte serán invertidos la construcción del propio reactor.

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FISIÓN NUCLEAR

Fisión nuclear de un átomo de uranio-235 En física, fisión es un proceso nuclear, lo que significa que ocurre en el núcleo del átomo. La fisión ocurre cuando el núcleo se parte en dos o más núcleos pequeños, más algunos subproductos.

Estos subproductos incluyen los neutrones libres y la emisión de fotones (generalmente rayos gamma) asociada, que supone cantidades substanciales de energía.

La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con otra partícula de la energía correcta; la otra partícula es generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndole inestable (como una pirámide de naranjas en el supermercado llega a ser inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la velocidad correcta). El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión e incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media de dos y medio por reacción), y algunos fotones.

El proceso genera mucha más energía que la que se libera en las reacciones químicas; la energía se emite en la forma de radiación del fotón (como rayos gamma) y en la energía cinética (energía del movimiento) de los núcleos y de los neutrones resultantes.

Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos. Qué elementos se producen es algo al azar, pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones del átomo fisionado original.

Los productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos: no son isótopos estables; estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de desintegración.

Induciendo la Fisión • Aunque la fisión comienza a menudo lo más fácilmente posible (inducida) por la absorción de un

neutrón libre, puede también ser inducida lanzando otras partículas contra un núcleo fisionable. Estas otras cosas pueden incluir protones, otros núcleos, o aún los fotones de gran energía en cantidades muy altas (porciones de rayos gammas).

• Muy rara vez, un núcleo fisionable experimentará la fisión nuclear espontánea sin un neutrón entrante.

• Inducir la fisión es más fácil en los elementos más pesados. La fisión en cualquier elemento más pesado que el hierro produce energía, y la fisión en cualquier elemento más liviano que el hierro requiere energía. Lo contrario también es verdad en las reacciones de fusión nuclear - la fusión de los elementos más livianos que el hierro produce energía, y la fusión de los elementos más

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pesados que el hierro requiere energía.

• Los elementos más frecuentemente usados para producir la fisión nuclear son el uranio y el plutonio. El uranio es el elemento natural más pesado; el plutonio experimenta desintegraciones espontáneas y tiene un período limitado. Así pues, aunque otros elementos pueden ser utilizados, estos tienen la mejor combinación de abundancia y facilidad de la fisión.

Reacción en cadena Una reacción en cadena ocurre como sigue: un acontecimiento de la fisión ocurre, lanzando 2 o más neutrones como subproductos. Estos neutrones se escapan en direcciones al azar y golpean otros núcleos, incitando a estos núcleos para experimentar la fisión. Puesto que cada acontecimiento de la fisión lanza 2 o más neutrones, y estos neutrones inducen otras fisiones, el proceso se construye rápidamente y causa la reacción en cadena. El número de los neutrones que se escapan de una cantidad de uranio depende de su área superficial. Solamente los materiales fisibles son capaces de sostener una reacción en cadena sin una fuente externa de neutrones.

Masa crítica La masa crítica es la mínima cantidad de material requerida para que el material experimente una reacción nuclear en cadena. La masa crítica de un elemento fisionable depende de su densidad y de su forma física (barra larga, cubo, esfera, etc.). Puesto que los neutrones de la fisión se emiten en direcciones al azar, para maximizar las ocasiones de una reacción en cadena, los neutrones deberán viajar tan lejos como sea posible para maximizar las posibilidades de que cada neutrón chocará con otro núcleo. Así, una esfera es la mejor forma, y la peor es probablemente una hoja aplanada, puesto que la mayoría de los neutrones volarían de la superficie de la hoja y no chocarían con otros núcleos.

También es importante la densidad del material. Si el material es gaseoso, es poco probable que los neutrones choquen con otro núcleo porque hay demasiado espacio vacío entre los átomos que un neutrón volaría probablemente entre ellos sin golpear nada. Si el material se pone bajo alta presión, los átomos estarán mucho más juntos y las ocasiones de una reacción en cadena son mucho más altas. La alta compresión puede ser alcanzada poniendo el material en el centro de una implosión, o lanzando un pedazo de ella contra otro pedazo de ella muy, muy fuertemente (con una carga explosiva, por ejemplo). Una masa crítica del material que ha comenzado una reacción en cadena se dice que se convierte en supercrítica.

Moderadores Sólo juntar mucho uranio en un sólo lugar no es suficiente como para comenzar una reacción en cadena. Los neutrones son emitidos por un núcleo en fusión a una velocidad muy elevada. Esto significa que los neutrones escaparán del núcleo antes de que tengan una oportunidad de golpear cualquier otro núcleo (debido a un efecto relativista).

Un neutrón de movimiento lento se llama neutrón térmico, y solamente esta velocidad del neutrón puede inducir una reacción de fisión. Así pues, tenemos cuatro velocidades de neutrones:

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• Un neutrón (no-térmico) rápido escapará el material sin la interacción;

• Un neutrón de velocidad mediana será capturado por el núcleo y cambiará el material en un isótopo (pero no induciría la fisión).

• Un neutrón de movimiento lento (térmico) inducirá a un núcleo a que experimente la fisión.

• Un neutrón móvil realmente lento será capturado o escapará, pero no causará fisión.

Por algunos años antes del descubrimiento de la fisión, la manera acostumbrada de retrasar los neutrones era hacerlos pasar a través de un material de peso atómico bajo, tal como un material hidrogenoso. El proceso de retraso o de moderación es simplemente una de las colisiones elásticas entre las partículas de alta velocidad y las partículas prácticamente en reposo. Cuanto más parecidas sean las masas del neutrón y de la partícula pulsada, mayor es la pérdida de energía cinética por el neutrón. Por lo tanto los elementos ligeros son los más eficaces como moderadores del neutrón.

A un número de físicos en los años 30 se les ocurrió la posibilidad de mezclar el uranio con un moderador: si estuvieran mezclados correctamente, los neutrones de alta velocidad de la fisión podrían ser retrasados al rebotar de un moderador a la velocidad correcta para inducir la fisión en otros átomos de uranio. Las características de un buen moderador son: peso atómico bajo, y baja o nula tendencia a absorber los neutrones. Los moderadores posibles son entonces el hidrógeno, helio, litio, berilio, boro, y carbón. El litio y el boro absorben los neutrones fácilmente, así que se excluyen. El helio es difícil de utilizar porque es un gas y no forma ningún compuesto. La opción de moderadores estaría entonces entre el hidrógeno, deuterio, el berilio y el carbon. Fueron Enrico Fermi y Leó Szilárd quienes propusieron primero el uso de grafito (una forma de carbón) como moderador para una reacción en cadena. El deuterio es el mejor tecnológicamente (introducido en el agua pesada), sin embargo el grafito es mucho más económico.

Efectos de los isótopos El uranio natural se compone de tres isótopos: U-234 (0.006%), U-235 (0.7%), y U-238 (99.3%). La velocidad requerida para un acontecimiento de la fisión contra acontecimiento de la captura de la no-fisión es diferente para cada isótopo.

El U-238 tiende para capturar los neutrones de velocidad intermedia (creando U-239, sin fisión que posteriormente se transforma en Plutonio-239 que también es fisil). Los neutrones de alta velocidad tienden a tener colisiones inelásticas con el U-238, que sólo desaceleran a los neutrones. Entonces, U-238 tiende tanto a reducir la velocidad de los neutrones rápidos como a después capturarlos cuando consiguen a una velocidad intermedia. Debido a su capacidad de producir material fisil a este tipo de materiales se les suele llamar fértiles.

El U-235 se fisiona con una gama mucho más amplia de velocidades de neutrones que el U-238. Puesto que el U-238 afecta a muchos neutrones sin inducir la fisión, tenerlo en la mezcla es malo para promover la fisión. Así pues, si separamos el U-235 del U-238 y desechamos el U-238, promovemos una reacción en cadena. De hecho, la probabilidad de la fisión del U-235 con neutrones de alta velocidad puede ser lo suficientemente alta como para hacer que el uso de un moderador sea innecesario una vez que se haya quitado el U-238.

Sin embargo, el U-235 está presente en uranio natural solamente en cantidades muy reducidas (una parte por cada 140). La diferencia relativamente pequeña en masa entre los dos isótopos hace, además, que su separación sea difícil. La posibilidad de separar U-235 fue descubierta con bastante prontitud en el proyecto Manhattan, lo que tuvo gran importancia para su éxito.

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PARTÍCULAS ELEMENTALES En principio, al hablar del átomo hemos conocidos tres partículas, que se consideraban, elementales: el protón, el electrón y el neutrón. Posteriormente al descubirse la emisión β, para justificar la aparición del electrón del nucleo, era necesario la existencia de una nueva partícula que se llamo neutrino, de ahi en adelante entre los años 50 y 70 fueron apareciendo multitud de partículas “elementales”, esta dinámica hizo replantearse el problema hasta llegar al actual “modelo estándar de las partículas fundamentales”.

Modelo Estándar de las Partículas Fundamentales Según este modelo las partículas de dividen en dos grandes grupos:

1. Partículas constituyentes de la Materia:

a) Quarks

b) Leptones

2. Partículas Transmisoras de la fuerza:

a) Bosones vectoriales

b) Fotón

c) Gravitón

A continuación se describen cada una de ellas:

CONSTITUYENTES DE LA MATERIA

QUARKS Nombre GeV Q Nombre GeV Q Nombre GeV Q

Arriba * (up) 0,3 +2/3

Encanto (charm) 1,5 +2/3

Cima (top) 175 +2/3

Abajo * (down) 0,3 -1/3

Extraño (strange) 0,5 -1/3

Fondo (bottom)

u c t

4,5 -1/3

d s b

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LEPTONES Nombre GeV Q Nombre GeV Q Nombre GeV Q

Electrón* 0,0005 -1 Muón 0,106 -1 Tauón 1,7 -1

Neutrino electrón* 0? 0

Neutrino Muón 0? 0

Neutrino Tauón

e- μ- τ-

0? 0

νe νμ ντ

*Los quarks up y down dan origen a los protones (dos up y un down) y neutrones (dos down y un up)

*Solo el electron y el neutrino del electrón forman parte de la materia ordinaria.

El resto de las particulas de la familia solo se producen en reacciones de muy alta energía.

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TRANSMISORES DE LA FUERZA

INTERACCIÓN DÉBIL Es la responsable de desintegraciones radiactivas, a elevadas temperaturas se unifica con la lectromagnética.

Bosón vectorial 80 +1

Bosón vectorial 80 -1

Bosón vectorial 91 0

INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Actúa sobre todas las partículas con carga eléctrica.

Fotón 0

w+ w- z0

0

INTERACCIÓN FUERTE Es responsable de que los quarks permanezcan unidos formando nucleones y de que los nucleones no se dispersen en los nucleos atómicos.

Gluón 0

f

0 Hay 8 tipos de gluones (pegamento)

INTERACCIÓN GRAVITATORIA Es la única interacción que no esta unificada actualmente , la teoria en estudio (teoría de Cuerdas) unificaria las cuatro interacciones.

Gravitón

g

Sería la partícula que se necesitaría definir, pero todavia no se ha detectado experimentalmente.

Gabriel Mínguez Gómez Pág 16 de 16