Tema9.2ºbachillerato.física

Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente1

Tema: Física Nuclear y de Partículas .1. Radiactividad: Revisión Histórica .El francés Henri Becquerel estaba trabajando en su laboratorio con sales de uranio y

cerca de ellas, en uno de los cajones del armario; tenía un paquete con unas placasfotográficas nuevas convenientemente envueltas. Estas placas quedaron veladas y aunque nosabemos si el científico fue a reclamar a la tienda de suministros del laboratorio, es evidenteque en lo primero que pensó, fue en un defecto de fabricación o en una manipulacióninadecuada de las placas. Ahora bien, lo que le sacó de dudas fue la repetición del sucesocon placas nuevas, puesto que tenía que existir algo en el laboratorio que provocara esteefecto.

Becquerel se afanó en buscar la causa de esas misteriosas “emanaciones” o“radiaciones” que impresionaban las placas fotográficas a pesar de hallarse cubiertas con unpapel negro y separado por una lámina de vidrio. Por eso, imaginó que existirían unos rayosque atravesaban el envoltorio y alcanzaban las placas. Fue descartando posibles fuenteshasta descubrir que el origen de estas radiaciones eran las sales de uranio. Además,comprobó que los rayos podían descargar un electroscopio o ionizar el aire circundante.

Desde ese instante, muchos de los físicos de la época se lanzaron al estudio de estefenómeno. Los pioneros y más destacados fueron el matrimonio Curie; los cuales, nada mástener noticia del descubrimiento de Becquerel, se dedicaron a tratar en su propia casatoneladas de pechblenda, mineral de uranio, con el fin de concentrar este elemento. En 1898confirmaron que la radiactividad es un fenómeno asociado al núcleo atómico, independientedel estado físico de la sustancia o del tipo de compuesto que forme y descubrieron dosnuevos elementos, el polonio y el radio, por lo que recibieron conjuntamente el Premio Nobelde Física en 1903.

Para muchos resultó sorprendente que una mujer recibiera tan alto galardón. El caso deMaría Sklodowska, nombre de soltera de madame Curie, era excepcional. Consiguió ahorrarpara trasladarse desde su Varsovia natal hasta la universidad de la Sorbona en París, dondeestudió Física. Cuando murió su marido, en un accidente en el año 1906, prosiguió ella solalas investigaciones y en 1911 volvió a recibir otro Premio Nobel, en esta ocasión de Química.

Otros científicos realizaron también notables avances como el francés Debierne, quedescubrió el actinio, otro elemento radiactivo. Rutherford y Soddy encontraron un gasdesconocido, también radiactivo, que se formaba en la desintegración del radio y que fuedenominado radón. Con ello se comprobó que las emisiones radiactivas provocan cambios enla naturaleza de los elementos. También llamó la atención su enorme capacidad para producirenergía, pues el matrimonio Curie determinó que un gramo de radio generaba unas 100calorías cada hora, manteniendo este ritmo de manera constante. Aparentemente, la muestrano se consumía, ya que después se supo que tendrían que pasar unos 1600 años para queese gramo de radio redujera su peso a la mitad.

Aquí reside el interés en el desarrollo de la energía nuclear. Es una fuente muy rentable ysupone un gran reto para la tecnología del siglo XXI, ya que es necesario dominarla paraganar en seguridad y reducir el problema de la contaminación. Pues si bien la radiactividad esun hecho natural que no puede ocasionar riesgos, dado que los elementos radiactivos seencuentran diseminados por toda la Tierra, cuando los niveles de radiación se concentran enlas instalaciones nucleares, en caso de algún escape o accidente, los peligros pueden sermucho mayores.

2. Estructura y Características del Núcleo Atómico .2.1 Conceptos Básicos .

Con el descubrimiento del neutrón en 1932 por el físico inglés James Chadwick(1891-1974) la situación queda de la siguiente manera: el núcleo atómico está formadopor protones y neutrones, partículas que pesan mas o menos lo mismo; los electrones seencuentran fuera del núcleo y prácticamente no contribuyen a la masa del sistema pero sial balance de cargas eléctricas para que el átomo sea neutro.

El número de protones que existen en el núcleo, es igual al número de electrones quelo rodean. Este número es un entero, que se denomina número atómico y se designa porla letra, "Z".


La suma del número de protones y neutrones en el núcleo se denomina númeromásico del átomo y se designa por la letra, "A".

El término nucleido se aplica a todos los átomos que poseen el mismo númeroatómico y el mismo número másico. Simbólicamente cada nucleido se representa porXA

Z , donde X es el símbolo del elemento químico al que pertenece, y A y Z, son susnúmeros másico y atómico, respectivamente.

2.2 Unidad de Masa Atómica .Una unidad de masa atómica, también denominada uma, o Dalton en honor del

químico John Dalton, es la más pequeña unidad de masa usada para expresar masasatómicas y masas moleculares.

Equivale a una doceava parte de la masa del núcleo del isótopo más abundante delcarbono: el carbono-12. Se corresponde aproximadamente con la masa de un protón (oun átomo de hidrógeno). Se abrevia como uma, aunque también puede encontrarse porsu acrónimo inglés: amu (Atomic Mass Unit).

Las masas atómicas de los elementos químicos dadas en esta unidad suelen sercalculadas con la media ponderada de las masas de los distintos isótopos de cadaelemento, lo que explica la aparente no correspondencia entre la masa atómica de unelemento y el número de nucleones que alberga su núcleo. Desde el año 2002 el valoraceptado de una uma (1 u) es el siguiente:

1 u = 1´66053886 · 10-27 kgPor lo tanto,

1 g ≈ 6´02214 · 1023 u2.3 Isótopos .

Pronto se descubrió que existían átomos que poseían propiedades químicas idénticaspero que tenían diferente peso. Es decir, un átomo que era indistinguible químicamentedel Hidrógeno pero pesaba el doble. Como ya se ha mencionado el parámetrofundamental que distingue a un elemento de otro no es su peso como pensaba Dalton,sino su número atómico. Por lo tanto se habían descubierto los isótopos: núclidos quetienen el mismo número atómico (y que por lo tanto corresponden al mismo elemento),pero diferente masa atómica; es decir, tienen distinto número de neutrones en el núcleo.

El término isótopo proviene de las palabras griegas que significan "mismo lugar",todos los isótopos de un elemento ocupan el mismo lugar (casilla) en la Tabla Periódicade los Elementos, aunque pesen diferente; pues todos tienen las mismas propiedadesquímicas.

Una consecuencia interesante del aumento de protones dentro de un núcleo es lavariación de la estabilidad de éste. En efecto, la fuerza electrostática de repulsiónaumenta al crecer el número de protones, por lo cual los núcleos con un mayor númerode estas partículas se desintegraran más fácilmente, lo que se conoce como un elementomenos estable. No todos los isótopos de un elemento son igualmente estables, de ahíque su abundancia relativa en la naturaleza no sea pareja.

Ejemplo:

2.4 Volumen Nuclear y Densidad Nuclear .Los núcleos han sido bombardeados, en experimentos realizados en los aceleradores

con proyectiles como electrones, protones, etc., y con diferentes valores de energía. Losdatos obtenidos nos dan información de la distribución de carga y masa (nucleones) en elinterior del núcleo.

Los experimentos son consistentes con una distribución uniforme (constante) de losnucleones en el interior del volumen nuclear, sin distinguir p y n, lo que corrobora el

Otros términos menos utilizados relacionados con laestructura nuclear son los isótonos, que son átomos conel mismo número de neutrones, pero distinto de protones, y losisóbaros que son átomos que tienen el mismo número másicopero distinto numero atómico.


efecto de saturación de las fuerzas nucleares comentado antes. Esta distribución puedeexpresarse por medio de la ecuación:

3

1

0 ARRA .donde RA representa el radio del núcleo con A nucleones, y R0 es una constante de

escala nuclear de valor 1.2 Fm.Como el volumen de una esfera es proporcional al cubo de su radio, la expresión

anterior indica que el volumen nuclear es proporcional al número de nucleonesacomodados en el núcleo, es decir, la densidad de materia nuclear no depende de A, esprácticamente constante como hemos de esperar debido a la saturación de la interacciónnuclear.

3. Energía de Enlace Nuclear .3.1 Fuerzas Nucleares .

Como sabemos, entre cargas eléctricas delmismo signo existen fuerzas eléctricas de repulsión.Si esto es así, ¿cómo es posible que los protonespermanezcan unidos en un volumen tan reducidocomo el que tiene el núcleo?

Los protones y los neutrones se mantienenunidos en los núcleos debido a la acción de otro tipode fuerzas distinto de las fuerzas eléctricas y de lasfuerzas gravitatorias. Estas fuerzas, a las quellamaremos fuerzas nucleares, son de atracción,independientemente de la carga eléctrica, y muchomás intensas que las fuerzas eléctricas.

Los protones y neutrones del núcleo seencuentran en un espacio muy reducido, a distanciasmuy cortas unos de otros. A estas distancias tancortas es muy grande la repulsión electromagnéticaentre protones, que de acuerdo a la ley de Coulombes inversamente proporcional al cuadrado de ladistancia y directamente proporcional a la magnitudde las cargas. La fuerza que vence a esta repulsiónelectromagnética y es capaz de mantener el núcleounido es otra de las 4 interacciones fundamentalesconocidas, la fuerza nuclear fuerte. Es una fuerzaatractiva y muy intensa, por lo que domina a larepulsión culombiana de los protones, pero tiene unmuy corto alcance, sólo del orden de poco más deun Fermi (de hecho se anulan cuando las distanciasson superiores a unos pocos femtómetros. A partirde esta distancia predominarán las fuerzaseléctricas, que tenderán a separar a los protones).Las características de este tipo de fuerza son que esuna fuerza saturada (cada partícula sólo es capaz deinteraccionar con un pequeño número de otraspartículas), dirigida (depende de la orientación de losespines) e independiente de la carga (la fuerza entredos protones es igual que la existente entre dosneutrones o entre protón y neutrón).

Pese a la interacción fuerte, un núcleo puede serinestable y desintegrarse por radiactividad, e inclusofisionándose, rompiéndose en fragmentos. Núcleos pesados, como por ejemplo el delUranio, son capaces de hacerlo naturalmente. Como bien conocemos, el proceso defisión también puede darse por la acción de neutrones sobre núcleos de determinadoselementos, lo que produce una gran liberación de energía, aprovechada en las centralesnucleares de fisión.


3.2 Estabilidad Nuclear .

Debido a que la naturaleza eléctrica de los protones y neutrones es muy diferente y quelas distancias dentro de un núcleo son muy pequeñas, hay que considerar que las fuerzasnucleares son diferentes a los tipos de fuerzas o interacciones hasta ahora conocidas.Las fuerzas o interacciones nucleares tienen las siguientes características:a) Son fuerzas atractivas y de esta forma, explican la existencia de núcleos tan pequeños y

de tan alta densidad.b) Son de intensidad muy fuerte, pues vencen la fuerza de repulsión electrostática entre

los protones, que ya por sí son fuertes, por estar los protones muy cerca unos de otros.c) Son de corto alcance, que significa que sólo es apreciable cuando las partículas que

interaccionan están muy cerca unas de otras (distancias del orden de 10 -15 m).d) Son independientes de la carga eléctrica, lo que significa que las interacciones

nucleares entre protón-protón, neutrón-neutrón y neutrón-protón son esencialmenteiguales.

e) La fuerza nuclear tiene una «coraza» repulsiva, lo que significa que a distancias muycortas, mucho menores a las del alcance, la fuerza nuclear se hace repulsiva. Estacaracterística se ha introducido para explicar la separación media constante de losnucleones, lo cual da lugar a un volumen nuclear proporcional al número total denucleones, de forma que el resultado experimental es que el radio nuclear R viene dado

por la ecuación:3

1

0 ARR .

donde A es el número másico y R0 es una constante igual para todos los núcleos y devalor

1,4.10-15 m.Si situamos ahora a la fuerza nuclear dentro del conjunto de interacciones existentes en la

Naturaleza, hay que decir que existen cuatro tipos de interacciones: fuerte,electromagnética, débil y gravitatoria.

La interacción fuerte es conocida también como interacción o fuerza nuclear, por serresponsable de la estabilidad del núcleo atómico.

La interacción débil tiene un alcance muy corto, y fue propuesta tras estudiardesintegraciones de unas partículas subatómicas denominadas mesones, que sondiferentes de los electrones, protones y neutrones.


Un núcleo se considera estable si no se transmuta en 1021años, si bien puedetransmutarse en otros núcleos bajo ciertas condiciones.

Hay 115 elementos químicos conocidos, delos cuales, 92 existen en la naturaleza y elresto ha sido obtenido artificialmente. Seconocen hoy en día unos 2000 nucleidos, delos cuales son estables 274. Unos 340 existenen la Naturaleza y el resto se han producido enel laboratorio. Por tanto, la mayoría de losnucleidos son radiactivos.

Los nucleidos radiactivos son inestables yse transforman espontáneamente con eltiempo formando otros nucleidos.

La relación entre A y Z tiene que ver con laestabilidad de los núcleos de los elementos.En la medida que un átomo tiene un mayornúmero de protones, necesita cada vez másneutrones para que su núcleo sea estable. Sigraficamos el número de protones contra elnúmero de neutrones de los isótoposconocidos, se observa en la gráfica una bandaen la que se encuentran los isótopos más

estables para cada elemento. Esta gráfica, conocida como gráfica de Segré se presentaen la figura. La zona sombreada de la figura se conoce como banda de estabilidad.

3.3 Energía de Ligadura .La energía de enlace nuclear o de ligadura es la energía necesaria para separar de

un núcleo alguno de sus nucleones, o bien la energía que se libera cuando se unen losnucleones para formar un núcleo. El origen de esta energía reside en que la masa totalde un núcleo en reposo es menor que la suma de las masas en reposo de sus nucleonesconstituyentes. Esta energía es, precisamente, la que sería necesaria para separar losnucleones del núcleo.

El valor de esta energía de ligadura puede calcularse fácilmente a partir del defectomásico, recordando la relación masa-energía expresada por mediante la ecuación deEinstein 2Δm.cΔE . De este modo:

2

222

:quedecirpodremos

quePuesto

cδmE

mmZAmZδm

cmcmZAcmZE

EEEEEE

ENLACE

NUCLEOnp

NUCLEOnpENLACE

NUCLEONUCLEONESENLACEENLACENUCLEONUCLEONES

.

..

.....

3.4 Energía de Enlace por Nucleón .Es la energía potencial nuclear contenida en cada nucleón de un átomo. Esta energía

varía según el átomo. Este hecho es el que se conoce, normalmente, como defecto demasa y es el causante de que las reacciones de fisión y fusión liberen energía. Por ponerun ejemplo, este curioso fenómeno hace que un neutrón y un protón aislados sumen másmasa que los dos juntos formando un núcleo de deuterio. En la imagen adjunta se sitúaun gráfico en el que se pueden ver algunas de estas energías.

Una manera aproximada de obtener esa energía potencial es calcular la energía enreposo de un núcleo atómico a partir de su masa atómica. Acto seguido se debe dividiresa energía entre el número de nucleones de ese núcleo. Entonces se debe restar esevalor de la energía en reposo del hidrógeno, unos 938MeV..


La función de la figura tiene un máximo, el pico del hierro. El hierro es el elementonuclearmente más establede todos porque tanto parafusionarlo como parafisionarlo hay que invertirenergía adicional. Losmotivos que explican laforma de esta gráfica sonlos siguientes. Para átomosligeros la fuerza nuclearfuerte es dominante peroesta fuerza solo actúa a muycorto alcance mientras quelas fuerzas repulsivaselectromagnéticas entreprotones son de largoalcance y actúan siempre en

todos los protones. En los núcleos más pesados, sin embargo, las distancias entremuchos de los nucleones son demasiado grandes y la cohesión por interacción fuerte yano es tan intensa. Por otro lado las fuerzas electromagnéticas de repulsión son cada vezmás fuertes ya que hay más protones y estas son de largo alcance. Así, a partir delhierro, la barrera de potencial eléctrico que hay que romper para añadir un protón más alnúcleo supera al beneficio energético que da la interacción fuerte al juntarlo con el restode los nucleones. Esto también explica la suave pendiente de la energía obtenida por lafisión ya que realmente viene dada por el exceso de potencial eléctrico por encima de lacohesión por interacción fuerte mientras que la energía de fusión es todo lo contrario, laenergía la aporta la interacción fuerte que supera muy de largo a las fuerzas repulsivassobre todo en los átomos más ligeros como el hidrógeno o el helio sin apenas cargaspositivas.

4. Análisis de la Radiación. Modos de Desintegración Radiactiva .La asociación entre Rutherford y Soddy llevó, entre otros éxitos, a la teoría de la

transformación de 1903, según la cual los átomos (en concreto los núcleos) de unasustancia radiactiva se desintegran espontáneamente, con emisión de partículas α ó β, ycon formación de un nuevo átomo, químicamente diferente del original. Este nuevoátomo puede a su vez desintegrarse de forma similar al anterior, surgiendo así una serieradiactiva de átomos, que están todos relacionados genéticamente entre sí.

De esta forma se puede establecer que la radiactividad es fundamentalmente unmecanismo por el que los núcleos inestables se transforman en otros más establesmediante la liberación de ciertas partículas.

Entre 1906 y 1911, Soddy y otros físicos ponen de manifiesto que en algunosprocesos de desintegración se originan ciertos cuerpos físicamente diferentes peroquímicamente iguales entre sí (igual Z), introduciendo en 1911 Soddy el término deisótopo para estos componentes.

Asimismo, como resultado de muchas experiencias, en 1913 se formulan lasdos leyes del desplazamiento, cuyos enunciados actuales son:

I. La emisión de una partícula a (núcleo de He) por parte de un núcleoorigina un nuevo núcleo de un elemento con un número atómicoinferior en dos unidades y un número másico inferior en cuatrounidades.

II. La emisión de una partícula β (electrón) produce un nuevo núcleo con unnúmero atómico superior en una unidad, pero en el proceso no varía elnúmero másico (transformación isobárica).

.Analicemos los distintos tipos de radiaciones:


4.1 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 (He2+)moviéndose rápidamente, y en 1909 lo demostró experimentalmente.

Este tipo de radiación la emiten núcleos de elementos pesados situados al finalde la tabla periódica (A >100), con muchos protones y en los que la repulsión eléctricaes muy fuerte, por lo que tienden a obtener un N aproximadamente igual a Z, y para elloemiten una partícula alfa. En el proceso se desprende mucha energía que se convierteen la energía cinética de la partícula alfa, es decir que estas partículas salen convelocidades muy altas.En el proceso un núcleo cualquiera de número másico A y número atómico Z, seconvierte en otro núcleo Y con número másico A-4 y nº atómico Z-2, y se emite unapartícula alfa. (1ª Ley de Soddy-Fajans):

24

242 HeYX A

ZAZ

Como ejemplo tendríamos las siguientes desintegraciones:

242

206210

242

222226

242

231235

HePbPoHeRnRaHeThU

Las emisiones alfa son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son pocopenetrantes aunque muy ionizantes, y son muy energéticas.

Por otro lado, si se considera el fenómeno como un proceso que cede al sistema ungran contenido de energía (en forma de energía cinética de la partícula alfa), es sencillodarse cuenta de que la masa (energía) del segundo miembro será inferior a la del primermiembro. El defecto de masa se corresponderá con la energía cinética de la partículadesprendida (alpha).

4.2 Radiación Beta .Su poder de penetración es mayor que las alfa. Son frenadas por metros de aire, una

lámina de aluminio o unos cm de agua. Existen tres tipos de radiación beta.4.2.1 Radiación (beta menos) .

Aparece para cualquier tipo de núcleo, pero es típica de núcleos con excesode neutrones, es decir N>Z. Es un mecanismo usado por los núcleos para llegara la línea de estabilidad (N aproximadamente igual Z)

La radiación consiste en la emisión espontánea de electrones por partede los núcleos, pero en el núcleo sólo hay protones y neutrones, ¿cómo puedeemitir electrones? En 1934 Fermi explicó esta radiación suponiendo que en ladesintegración beta menos, un neutrón se transforma en un protón, un electrón yun antineutrino mediante la reacción:

eepn 00

01

11

10 (2ª Ley de Soddy)


, donde, e00 es una partícula de antimateria, denominada antineutrino del

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

eA

ZAZ eYX 0

0011

4.2.2 Radiación (beta mas) .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 desprendede los protones que le sobran y se acercan a la línea de estabilidad N = Z. Porello se da en núcleos con exceso de protones. La reacción sería:

eA

ZAZ eYX 0

0011

, donde, e00 es una partícula de antimateria, denominada neutrino del

electrón, y e0

1es el antielectrón o positrón.

Algunos ejemplos son:

eMnFe

eArK

eSiP

5353

4040

3030

Este tipo de radiación es típica de núclidos con deficiencia de neutrones.4.2.3 Captura electrónica orbital .

Se da en núcleos con exceso de protones (deficiencia de neutrones). Losnúcleos pueden captar un electrón de la corteza electrónica (de la capa K, menosenergética), que se unirá a un protón del núcleo para dar un neutrón:

00

10

01

11

nep

YeX AZ

AZ 1

01

Como vemos, el núclido resultante es el mismo que el que resulta en la

emisión , aunque en este caso no existe emisión de positrones, aunque sí una

emisión de rayos X.4.3 Radiación gamma .

En este tipo de radiación el núcleo no pierde su identidad. Mediante esta radiación elnúcleo se desprende de la energía que le sobra para pasar a otro estado de energía másbaja. Emite rayos gamma, o sea fotones muy energéticos. Este tipo de emisiónacompaña a las radiaciones alfa y beta.

Es una radiación muy penetrante, atraviesa el cuerpo humano y sólo se frena conplanchas de plomo y muros gruesos de hormigón. Al ser tan penetrante y tan energética,de los tres tipos de radiación es la más peligrosa.

γ XX AZ

AZ *

5. Leyes de Emisión Radiactiva .Se ha observado que todos los procesos radiactivos simples siguen una ley exponencial

decreciente. Si N0 es el número de núcleos radiactivos en el instante inicial, después de uncierto tiempo t, el número de núcleos radiactivos presentes N se ha reducido a

teNN .. 0,donde λ es una característica de la sustancia radiactiva denominada constante de

desintegración.La ley de desintegración puede deducirse del siguiente modo: si λ es la probabilidad de

desintegración por unidad de tiempo, la probabilidad de que un núcleo se desintegre en untiempo dt es λ ·dt. Si hay N núcleos presentes, en el tiempo dt podemos esperar que sedesintegren (λdt)N núcleos, Por tanto, podemos escribir:

NdtdN )..(


El signo menos aparece por que N disminuye con el tiempo a consecuencia de ladesintegración.

Integrando esta ecuación obtenemos la ley exponencial decreciente.

tN

N

t

eNNdtNdN ... 0

00

N0 es el número inicial de núcleos radioactivos presentes en el instante t=0.La gráfica de la ecuación integrada resulta ser:

Para cada sustancia radiactiva hay un intervalo21 fijo, denominado período de

semidesintegración, durante el cual el número de núcleos que había al comienzo se reducea la mitad. Poniendo en la ecuación N=N0/2 se obtiene:

2

21

Ln

Por otro lado, resulta imposible determinar cuál será la vida de un determinado núcleo dela muestra. Se utiliza, no obstante, una magnitud, denominada vida media, que representa elvalor promedio de vida de un núcleo cualquiera. Se simboliza por τ, y se halla relacionado conla constante de desintegración por medio de la ecuación:

λ1τ

En cualquier caso, si se tiene en cuenta la relación entre la masa de una muestra y elnúmero de núcleos:

AVAV

AV

NPMmN

NN

PMm

NnNPMmn

..

la ecuación teNN .. 0 puede reescribirse como:

Para ver como de "activa" es una muestra se mide la velocidad de desintegración de la muestra, es decirel número de desintegraciones que se producen por unidad de tiempo.

NdtdNAC .

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)


ttAVAV emmeN

PMm

NPMm .. ....

0

0

6. Reacciones Nucleares .6.1 Concepto .

En 1919, Rutherford publica el resultado de lo que se ha denominado la primera reacciónnuclear artificial.

Rutherford situó en una cámara cerrada con gas nitrógeno una muestra de polonio, queemite partículas α, y observó, mediante un contador de centelleo situado en la parte opuestade la cámara, la existencia de partículas radiactivas. Dado que el alcance máximo de laspartículas α es de 7 cm y la distancia de la fuente radiactiva al contador era de 40 cm, tuvoque admitir que la radiactividad no provenía de las partículas α emitidas por la fuente de polo-nio. El análisis del interior de la cámara reveló la existencia de protones y oxígeno, por lo queel proceso ocurrido se interpretó en la forma siguiente:

OHHeN 178

11

42

177

que constituye la expresión de una reacción nuclear, producida al bombardear un núcleocon un proyectil nuclear, que en la mayoría de los casos es un núcleo ligero como unapartícula a.

Del mismo modo que en el ejemplo, en cualquier reacción nuclear se produce unreagrupamiento de nucleones entre dos núcleos, lo cual necesita de una gran cantidad deenergía para vencer la repulsión culombiana entre los núcleos, por lo que uno de los núcleosde la reacción debe ser un proyectil con una gran energía cinética inicial.

6.2 Balance Energético .En la reacción nuclear YyxX , , la partícula incidente x , de masa xm , colisiona con el

núcleo X , de masa XM . Después de esta colisión el núcleo residual Y tiene una masa YM yla partícula emitida, y , una masa ym . La energía total inicial del sistema viene expresada por:

22 cMEcmEE XXcxxci .. ,,

Asimismo, la energía total final del sistema:22 cMEcmEE YYcyycf .. ,,

Puesto que los elementos de una reacción nuclear forman un sistema aislado, elprincipio de conservación de la energía implica que

fi EE

, por lo que escribimos:2222 cMEcmEcMEcmE YYcyycXXcxxc .... ,,,,

,o bien

22

2222

cmcmEE

cMcmcMcmEEEE

fiicfc

YyXxxcXcycYc

..

....

,,

,,,,

El primer miembro es la diferencia entre las energías cinéticas totales final e inicial y elsegundo miembro la diferencia entre las masas totales en reposo inicial y final, escritas enforma de su equivalente energético.

Esta ecuación expresa que, en una reacción nuclear, el incremento de energía cinéticaes igual a la disminución de la energía en reposo. El incremento de la energía cinética recibeel nombre de energía de desintegración o factor Q. Así pues,

2cmmEEQ fiicfc .,,

Si Q es positivo, el sistema cede al entorno energía, y la reacción es exoenergética. Si Qes negativo el sistema recibe energía y la reacción es endoenergética.

Cuando en una reacción nuclear Q > 0, la reacción ocurre para todos los valores de laenergía cinética de la partícula incidente, incluso cero; pero si Q < 0, la partícula incidentedebe tener como mínimo una cierta energía cinética para producir la reacción, llamadaenergía umbral, que es numéricamente igual al factor Q, y el exceso de energía sobre estevalor aparece en forma de energía cinética de las partículas productos de la reacción.

Entre los tipos más importantes de reacciones nucleares debemos citar:


Dispersión:En ellas la partícula emergente es de la misma naturaleza que el proyectil. Todoocurre como si éste hubiese rebotado contra el blanco, aunque nadie podría asegurarque la partícula emergente sea la misma que incidió. Cuando la energía cinética totalde los productos originales es igual a la de los productos finales de la reacción sedice que se trata de una dispersión elástica. Si, por el contrario, la energía cinéticatotal de los productos de la reacción es menor que la inicial, diremos que es unadispersión inelástica. En este caso, la diferencia entre ambas energías es absorbidapor el blanco, el cual queda excitado.

Captura:En esta reacción la partícula incidente es absorbida por el blanco sin que se produzcaninguna partícula emergente, con la excepción de fotones gamma.

Fisión:En este tipo de reacción, un núcleo pesado se rompe en, generalmente, dosfragmentos cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, lo que va acompañadode una emisión de neutrones y radiación gamma, con la liberación de una grancantidad de energía. Aunque existen casos de fisión espontánea o de fisión porcaptura de un fotón, la reacción se produce normalmente por la captura de unneutrón.

Fusión nuclear:Es una reacción entre dos núcleos de átomos ligeros en la que se produce un núcleode un átomo más pesado, unido a la liberación de partículas elementales y de unagran cantidad de energía. La energía liberada en el Sol y en las estrellas proviene dereacciones de fusión nuclear.

6.3 Radiactividad Artificial .El experimento de Rutherford abrió un camino nuevo, el de la producción de reacciones

nucleares artificiales.Así, en 1934, el matrimonio Frédéric Joliot (1900-1958) e Irène Curie (18971956),

manipulando partículas a procedentes de una muestra de polonio, al hacerlas pasar a travésde una lámina muy fina de aluminio, observaron que el aluminio se convierte en una especieradiactiva. En aquel momento se dieron cuenta de que la radiactividad no es un fenómenoconfinado sólo a los elementos como el uranio o el polonio, sino que cualquier elemento

puede ser radiactivo si se prepara elisótopo adecuado.

El proceso que tiene lugar es elsiguiente:

)radiactivo(fósforo3015

10

42

2713 *PnHeAl

Y a los pocos minutos tiene lugar la emisión de positrones según:)artificialidad(radiactiv0

13014

3015 eSiP *


6.4 Familias Radiactivas .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 aparezcaun núcleo estable, no radiactivo. Todos losnúcleos que proceden del inicial (núcleopadre) forman una serie o cadena radiactiva.Se conocen cuatro series o familiasradiactivas, tres de las cuales existen en lanaturaleza ya que proceden de losradionúclidos primigenios. Se llamanradionúclidos primigenios a aquellos quesobreviven en la Tierra desde su formación.Esto se debe a que su semivida escomparable a la edad de la Tierra.

Las tres series que existen en lanaturaleza son la del Th-232, U-238 y Ac-227, la otra serie radiactiva es laa del Np-297, que debería haberse extinguido, perolas pruebas nucleares relizadas han liberadoestos núcleos y por lo tanto ha vueltoaparecer esta cadena radiactiva. En cadaserie todos los núcleos están relacionados,en la del Th-232, por ejemplo, todos los núcleos de la serie tienen números másicos iguales a4n, siendo n un número entero cualquiera. En la tabla siguiente están las distintas seriesradiactivas.

Series radiactivas

NºMásico Cadena del Padre Semivida (años) Producto final

4n Torio Th-232 1.41 1010 Pb-208

4n+1 Neptunio Np-237 2.14 106 Pb-209

4n+2 Uranio-Radio U-238 4.51 109 Pb-206

4n+3 Uranio-Actinio U-235 7.18 108 Pb-208

7. Fisión y Fusión Nuclear .7.1 Fisión Nuclear .

El físico italiano Enrico Fermi (1901-1954) planteó en 1934 que sería factible producirelementos transuránicos por medio del bombardeo de uranio con neutrones. Al realizar talesexperimentos, se descubrió que el producto emitía radiación beta (β). La pérdida de unapartícula β corresponde a un aumento del número atómico en una unidad, lo que hizo que secreyera que el producto podía sufrir una sucesión de emisiones β y se generarían núcleos connúmeros atómicos tan elevados como 96.

Para buscar nuevos elementos químicos con número atómico superior a 92, grupos deinvestigadores se dedicaron a estudiar los productos obtenidos por bombardeo de uranio conneutrones. En 1938 en Alemania, los químicos Otto Hahn y Fritz Wilhelm Strassman aislaronun elemento químico que creyeron que era el radio (número atómico 88), pero despuéscomprobaron que se trataba del elemento químico con número atómico 56, el bario. Poranálisis químico descubrieron que los productos del bombardeo del uranio con neutrones nocorresponden a elementos químicos de Z > 93. Consistía de radioisótopos de elementosquímicos más livianos como el estroncio y el bario. La interpretación que se desarrollóentonces fue que el bombardeo del uranio con neutrones provocaba la fisión de algunosnúclidos (suma del número de protones y neutrones contenidos en un núcleo) en dos


fragmentos nucleares más pequeños. Esto puso de manifiesto que el uranio al serbombardeado con neutrones se fragmentaba, lo que parecía increíble para lo que se conocíadel átomo, pero los nuevos procesos de desintegración fueron confirmados por medio deexperimentos por científicos de casi todo el mundo.

En 1939 se descubrió una reacción nuclear que liberaba mucha más energía por átomoque la radiactividad, y que tenía un potencial para ser usada tanto para producir explosionescomo para generar energía. Se trataba del rompimiento del átomo y al proceso se le llamafisión nuclear.

Tanto en la fisión nuclear como en la fusión nuclear se produce muchísima más energíapor unidad de masa que en cualquier otra reacción química.

En la fisión nuclear interviene el delicado equilibrio entre la atracción que ejercen lasinteracciones nucleares fuertes y la repulsión de las fuerzas eléctricas que actúan dentro delnúcleo del átomo. En todos los núcleos de los átomos estables conocidos predominan lasinteracciones nucleares fuertes (el núcleo tiende a ser esférico), pero cuando las fuerzaseléctricas son ligeramente mayores se produce una deformación crítica (alargamiento delnúcleo) y si las fuerzas eléctricas superan a las interacciones nucleares fuertes del puntocrítico se rompe el núcleo. Este es el proceso de fisión nuclear.

La absorción de un neutrón por el núcleo de uranio le suministra la energía suficientepara producir el proceso de fisión nuclear produciendo muchas combinaciones distintas denúcleos más pequeños. Un ejemplo típico es:

nBaKrUn 10

14256

9136

23592

10 3.

Se puede observar que la fisión nuclear del uranio la inicia un solo neutrón y el procesoproduce 3 neutrones. En casi todas lasreacciones de fisión nuclear se producen dedos a tres neutrones, los que a su vez puedencausar la fisión de dos o tres núcleos más,

con lo que se liberan de 4 a 9 neutronesadicionales, y así sucesivamente. Estoconstituye una reacción en cadena.

¿Por qué no se producen las reaccionesen cadena en los depósitos naturales deminerales de uranio? Esto ocurriría si todos losátomos de uranio se fusionaran, pero losátomos de uranio que se fisionan con facilidadson los del isótopo U-235 y éste sóloconstituye el 0.7 % del uranio metálico puro. Elisótopo predominante del uranio es el U-238 yal absorber los neutrones producidos en lafisión nuclear no se fisiona, lo que amortigua lareacción en cadena que llegue a iniciarse.

Como el neutrón tiene que recorrer unadistancia promedio a través del material de lamuestra para que sea absorbido por un átomode U-235, entonces si la muestra es pequeñaes más probable que escape el neutrón a quesea absorbido por un átomo de U-235 paraque ocurra la fisión nuclear.

La masa crítica es la cantidad de muestra para la que cada fisión nuclear individualproduce, en promedio, una fisión individual adicional. La masa subcrítica es aquella cantidaden la que la reacción en cadena se extingue. La masa supercrítica es aquella cantidad en laque la reacción en cadena crece hasta generar una explosión. Si se logra juntar la masasupercrítica se tiene una bomba de fisión nuclear. La dificultad para construir una bomba defisión nuclear radica en la separación del U-235 (0.7 %) del mineral en el que el U-238 es elmás abundante.

Los isótopos de uranio-235 y de plutonio-239 se pueden fragmentar por neutrones debaja energía. Se estima que el 0.7 % de uranio natural es del isótopo de uranio-235. Elisótopo de uranio más abundante es el de uranio-238 pero no produce reacción de fisiónnuclear.


La energía que libera la fisión nuclear de un átomo de U-235 es de alrededor de 7millones de veces la energía que libera la explosión de una molécula de trinitrotolueno (TNT).Esta energía se manifiesta principalmente como energía cinética de los fragmentos de lafisión y otra parte la reciben los neutrones expulsados y el resto es radiación gamma.

Con el inicio de la Segunda Guerra Mundial, la fisión nuclear les interesó por la enormecantidad de energía que se libera en este proceso. El físico norteamericano Julius RobertOppenheimer dirigió a un grupo de científicos en Los Álamos, Nuevo México hasta conseguirla construcción de la bomba de fisión nuclear o bomba atómica. Hicieron explotar la primerabomba atómica en el desierto de Nuevo México el 16 de julio de 1945. El 6 de agosto de 1945la usaron como arma de guerra al hacer explotar una bomba en Hiroshima, Japón (mataron a70000 personas ) y el 9 de agosto otra sobre Nagasaki, Japón (mataron a 80000 personas).

Durante la Segunda Guerra Mundial se estudiaron diferentes procesos de separación delos isótopos radiactivos y la técnica que más éxito tuvo fue la de efusión gaseosa, utilizandoel hexafluoruro de uranio, UF6, que es volátil (tiene un punto de ebullición normal de 56 ºC)

Varios isótopos de los elementos químicos pesados se fisionan por bombardeo conneutrones de alta energía. Los 2 isótopos que más se han estudiado son el uranio-235 y elplutonio-239. La fisión nuclear del uranio-235 se divide en dos fragmentos diferentes y liberaneutrones y partículas. El proceso de fisión nuclear se complica por el hecho de que el U235

92se puede dividir de muchas formas diferentes, se han identificado más de 200 isótopos de 35elementos químicos diferentes. Por ejemplo, el U235

92 se divide de 3 maneras: 1) en rubidio(número atómico 37) y cesio (número atómico 55); 2) en bromo (número atómico 35) ylantano (número atómico 57) y 3) en zinc (número atómico 30) y samario (número atómico62).

1) n10

14455

9037

23592

10 .2CsRbUn

2) n10

14657

8735

23592

10 .3LaBrUn

3) n10

16062

7230

23592

10 .4SmZnUn

Como se puede observar, en la fisión nuclear se producen de 2 a 4 neutrones por cadaátomo que se desintegra. Una vez que se dividen unos pocos átomos de uranio-235, losneutrones producidos pueden generar la fisión de muchos más átomos de uranio-235, lo queposibilita una reacción en cadena. Esto es lo que sucede en una bomba atómica. La energíaliberada en las reacciones sucesivas de fisión aumenta progresivamente, en unos pocossegundos, lo que produce una tremenda explosión.

Para que la fisión nuclear produzca la reacción en cadena se requiere que, la muestrasea lo suficientemente grande para que los neutrones que se producen sean capturadosinternamente por la propia muestra, llamada masa crítica. Si la muestra es muy pequeña, lamayor parte de los neutrones escapan y se rompe la cadena. La masa crítica del uranio-235es de 1 a 10 kg. En la bomba de Hiroshima se consiguió la masa crítica usando un explosivoconvencional para encender una pieza uranio-235 dentro de otra.

Los productos inmediatos del proceso de fisión nuclear contienen demasiados neutronespara ser estables (depende del número de neutrones y protones). La desintegración delrubidio-90 requiere de tres etapas para alcanzar un núcleo estable, se desintegra enestroncio, itrio y zirconio, de acuerdo con las ecuaciones nucleares:

)(

)(

min)´(

horaseZrY

añoseYSr

eSrRb

64

29

82

21

01

9040

9039

21

01

9039

9038

21

01

9038

9037

La radiación ocasional asociada con la radiación libre surge de la formación de isótoposradiactivos. Uno de los más peligrosos es el estroncio-90, que se incorpora a los huesos delos seres vivos como carbonato de estroncio (SrCO3).

Desde 1959 se ha utilizado la energía liberada por núcleos atómicos para la producciónde energía eléctrica y se han generado muchas opiniones encontradas con respecto a la


energía nuclear, pero no obstante hay muchas aplicaciones “no comprometidas” de latecnología nuclear.

La energía liberada en una fisión nuclear es directamente proporcional a la disminuciónde masa que se produce. Se producen alrededor de 80 000 000 kJ de energía por cadagramos de uranio-235 que se desintegra. Equivale a unas 40 veces más grande que laenergía producida en una reacción nuclear simple. La fisión nuclear de 1 g de uranio-235produce la misma cantidad de energía que la que produciría la combustión de 2700 kg. decarbón o la que produciría la explosión de 30 000 kg de trinitrotolueno (TNT).

7.2 Reactores Nucleares .Un reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las

reacciones de fisión en cadena, con los medios adecuados para extraer el calor generado.Un reactor nuclear consta de varios elementos, que tienen cada uno un papel importante en lageneración del calor. Estos elementos son:

El combustible, formado por un material fisionable, generalmente uncompuesto de uranio, en el que tienen lugar las reacciones de fisión, y portanto, es la fuente de generación del calor.

El moderador, que hace disminuir la velocidad de los neutrones rápidos,llevándolos a neutrones lentos o térmicos. Este elemento no existe en losreactores denominados rápidos. Se emplean como materiales moderadores elagua, el grafito y el agua pesada.

El refrigerante, que extrae el calor generado por el combustible del reactor.Generalmente se usan refrigerantes líquidos, como el agua ligera y el aguapesada, o gases como el anhídrido carbónico y el helio.

El reflector, que permite reducir el escape de neutrones de la zona delcombustible, y por tanto disponer de más neutrones para la reacción encadena. Los materiales usados como reflectores son el agua, el grafito y elagua pesada.

Los elementos de control, que actúan como absorbentes de neutrones,permiten controlar en todo momento la población de neutrones, y por tanto, lareactividad del reactor, haciendo que sea crítico durante su funcionamiento, ysubcrítico durante las paradas. Los elementos de control tienen formas debarras, aunque también pueden encontrarse diluido en el refrigerante.

El blindaje, que evita el escape de radiación gamma y de neutrones delreactor. Los materiales usados como blindaje son el hormigón, el agua y elplomo.

7.2.1 Combustible Nuclear .Se llama combustible nuclear cualquier material que contiene núcleos

fisionables y puede emplearse en un reactor nuclear para que en él se desarrolleuna reacción nuclear en cadena.

Según esto el uranio es un combustible nuclear, como también lo es el óxidode uranio.En el primer caso nos referimos a un elemento químico, algunos decuyos isótopos son fisionables; en el segundo, a un compuesto químicodeterminado que contiene tales isótopos.

Entendemos por isótopos fisionables aquellos núcleos susceptibles deexperimentar fisión. Para hablar con precisión, sería necesario especificar laenergía de los neutrones que pueden hacer fisionar dichos isótopos; por ejemplo,el U-238 no es fisionable por los neutrones térmicos (baja velocidad), pero si porlos rápidos, aunque con pequeña sección eficaz. Normalmente, y a no ser que sehagan mayores precisiones, suele entenderse por isótopo fisionable cualquiernúcleo que fisiona por la acción de los neutrones térmicos.

El único isótopo fisionable por neutrones térmicos que existe en la naturalezaes el U-235. Se encuentra en una proporción del 0'711% en el uranio natural.

Hay otros isótopos fisionables que no existen en la naturaleza pero quepueden obtenerse artificialmente. Los principales son:


El uranio-233, que se obtiene por captura de un neutrón por un núcleo detorio-232. El núcleo intermedio formado sufre dos desintegraciones beta,dando lugar al mencionado U-233.

El plutonio-239: Aunque han podido detectarse trazas de él, se considera queno es un isótopo natural. Se forma en la captura de un neutrón por un núcleode uranio-238, seguida de dos emisiones beta.

El plutonio-241: Tiene menor importancia que los anteriores. Se forma por lacaptura de un neutrón por el Pu-240, el cual procede a su vez, de la capturade un neutrón por un núcleo de Pu-239.La obtención de los dos primeros isótopos, el U-233 y el Pu-239, se puede

realizar en los propios reactores nucleares, si introducimos en los mismos núcleosde torio-232 y uranio-238, que son los átomos que por captura de un neutrón danlugar a los isótopos fisionables. Este material se llama material fértil.

7.2.2 Elementos combustibles .Los elementos combustibles son los responsables de producir energía en los

Reactores Nucleares, generando calor durante dicho proceso como cualquier otrotipo de combustible.

Los Elementos Combustibles están formados normalmente, por:El material combustible: normalmente e Uranio y/o Plutonio combinado con

oxígeno para formar un óxido o con otro material para formar una aleación.Las vainas: normalmente aleaciones metálicas (de Zirconio, Aluminio, etc) que

encierran herméticamente al material combustible para evitar que se escapenlos productos (la mayoría gases) formados durante las reacciones nucleares.

Materiales estructurales: son también aleaciones metálicas (de Zirconio,Aluminio y/o aceros) que sirven para dar una estructura geométrica alconjunto permitiendo así que la remoción del calor generado sea extraído confacilidad por el líquido refrigerante (normalmente agua) que se mueve a travésde ellos.7.2.3 Ciclo del combustible nuclear .Se denomina ciclo del combustible nuclear al conjunto de operaciones

necesarias para la fabricación del combustible destinado a las centralesnucleares, así como al tratamiento del combustible gastado producido por laoperación de las mismas. En el caso del uranio, el ciclo cerrado incluye laminería, la producción de concentrados de uranio, el enriquecimiento (si procede),la fabricación de los elementos combustibles, su empleo en el reactor y lareelaboración de los elementos combustibles irradiados, para recuperar el uranioremanente y el plutonio producido, separando ambos de los residuos de altaactividad que hay que evacuar definitivamente.

Si el combustible irradiado no se reelabora es considerado en su totalidadcomo residuo radiactivo, lo que se denomina ciclo abierto, con lo que no secompleta el denominado ciclo del combustible nuclear.

7.2.4 Tipos de Reactores Nucleares .Los reactores nucleares se clasifican, de acuerdo con la velocidad de los

neutrones que producen las reacciones de fisión, en reactores rápidos y reactorestérmicos.

A su vez, los reactores térmicos se clasifican, de acuerdo con el tipo demoderadores empleado, en: reactores de agua ligera, reactores de agua pesada yreactores de grafito. Con cada uno de estos reactores está asociadogeneralmente el tipo de combustible usado, así como el refrigerante empleado.

Los reactores más empleados en las centrales nucleoeléctricas son:Reactor de agua a presión (PWR), que emplea agua ligera como moderador

y refrigerante; óxido de uranio enriquecido como combustible. El refrigerantecircula a una presión tal que el agua no alcanza la ebullición, y extrae el calordel reactor, que después lleva a un intercambiador de calor, donde se generael vapor que alimenta a la turbina.

Reactor de agua en ebullición (BWR), que emplea elementos similares alanterior, pero ahora el refrigerante, al trabajar a menor presión, alcanza latemperatura de ebullición al pasar por el núcleo del reactor, y parte del líquidose transforma en vapor, el cual una vez separado de aquél y reducido su


contenido de humedad, se conduce hacia la turbina sin necesidad de emplearel generador de vapor.

Reactor de agua pesada (HWR), que emplea agua pesada como moderador.Existen versiones en las que el refrigerante es agua pesada a presión, o aguapesada en ebullición. Puede emplear uranio natural o ligeramente enriquecidocomo combustible.

Reactor de grafito-gas. Este tipo de reactores usan grafito como moderador yCO2 como refrigerante. Mientras que los primeros reactores de este tipoemplearon uranio natural en forma metálica, los actuales denominadosavanzados de gas (AGR) utilizan óxido de uranio enriquecido; y losdenominados reactores de alta temperatura (HTGR), usan helio comorefrigerante.

Reactor de agua en ebullición (RBMK), moderado por grafito, desarrolladoen la Unión Soviética, que consiste en un reactor moderado por grafito, conuranio enriquecido, y refrigerado por agua en ebullición. Este tipo de reactoresno se han empleado en Europa occidental.

Reactor Rápido.En este tipo de reactores no existe el elemento moderadorpara los neutrones y por tanto el flujo de neutrones cae en la zona de losneutrones rápidos. En estos reactores el combustible de la zona central,formado por un óxido de uranio o de uranio y plutonio, se rodea de una zonade óxido de uranio muy empobrecido, con un contenido de U-235 menor oigual al del uranio natural. Con esta disposición, y si se usa un refrigeranteque no produzca la moderación de neutrones (normalmente se emplea sodio),se puede conseguir que en la capa de U-238 que rodea al combustible segenere más plutonio que el que se consume. De esta forma, al mismo tiempoque se está generando energía térmica, se está produciendo combustible enforma de Pu-239, que puede usarse en cualquier tipo de reactor, tanto rápidocomo térmico. A este tipo de reactores también se les conoce por reactoresreproductores, y su importancia es enorme, ya que permiten obtener unmejor aprovechamiento de los recursos existentes de uranio. En estemomento existen muy pocos países que tengan centrales nucleoéléctricas coneste tipo de reactores.En primer lugar, Francia con el Superphenix de 1200 MW funcionando enCrys-Malville, es la mayor central existente.Le sigue la antigua Unión Soviética con un proyecto de varias centrales conreactores de 600 MW, y finalmente Japón con una central de 300 MW.7.2.5 Funcionamiento de una central nuclearEl esquema general de una central nuclear tipo, puede ser el siguiente:

En este esquema se observan las tres partes de una central nuclear tipo:Circuito Primario, (Edificio del Reactor)

El circuito primario es estanco y está formado por la vasija del reactor quecontiene el núcleo, el presionador y tres lazos. Cada uno incorpora un generadorde vapor y una bomba principal.


El agua desmineralizada que circula por su interior toma el calor producido enel reactor por la fisión nuclear y lo transporta hasta el generador de vapor. En él,un segundo flujo de agua independiente del primero, absorbe el calor a través desu contacto exterior con las tuberías por las que circula el agua desmineralizadadel circuito primario. Por fin, dicho fluido retorna a la vasija del reactor tras serimpulsado por las bombas principales.

El reactor y su circuito de refrigeración están contenidos dentro de un recintohermético y estanco, llamado "Contención" consistente en una estructura esféricade acero de 53 m de diámetro, construida mediante planchas de acero soldadasde 40 mm de espesor y que se soporta sobre una estructura de hormigón enforma de cáliz que se apoya sobre la losa de cimentación de 3'5 m de espesor.La Contención está ubicada en el interior de un segundo edificio, también dehormigón y cuyas paredes exteriores tienen un espesor de 60 cm, llamado edificiodel Anillo del Reactor. Este tiene forma cilíndrica y está rematado por una cúpulasemiesférica, que sirve de blindaje biológico.

El funcionamiento del circuito primario se complementa con la presencia deuna serie de sistemas auxiliares que aseguran el control de volumen, purificacióny desgasificación del refrigerante.

La salida al exterior tanto de la radiación como de productos radiactivos esimposible por tres barreras físicas, asegurando cada una de ellas, que lahipotética rotura de una barrera sea soportada por la siguiente.

1ª Barrera:Las vainas que albergan el combustible. 2ª Barrera:La propia vasija del reactor integrada en el circuito

primario. 3ª Barrera:El recinto de contención, estructura esférica de acero

recubierto de hormigón.

Circuito Secundario, (Generación de electricidad).En el circuito secundario, el vapor producido en los generadores se conduce

al foco frío o condensador, a través de la turbina que transforma la energíatérmica (calor) en energía mecánica. La rotación de los álabes de la turbinaacciona directamente el alternador de la central y produce energía eléctrica.El vapor de agua que sale de la turbina pasa a estado líquido en el condensador,retornando, mediante el concurso de las bombas de condensado, al generador devapor para reiniciar el ciclo.Circuito de Refrigeración.

Mediante un caudal de agua de 44.600 kg/s aportado por un tercer circuitosemiabierto, denominado "Sistema de Circulación", se realiza la refrigeración delcondensador.Este sistema consta de dos torres de refrigeración de tiro natural, un canal derecogida del agua y las correspondientes bombas de impulsión para larefrigeración del condensador y elevación del agua a las torres.

El caudal de agua evaporado por la torre es restituido a partir de la toma deagua en un azud de un río próximo

7.2.6 Seguridad en una Central Nuclear .


Las salvaguardias técnicas deben mantener las siguientes funciones vitalesdeducidas del objetivo principal de la seguridad nuclear:

o El control de la Reacción Nuclearo La refrigeración del Reactor.

Junto con otras medidas pasivas e intrínsecas, los sistemas de seguridadresponden ante la indisponibilidad y fallos de los sistemas principales, así como alos posibles transitorios de operación.

En el "esquema simplificado" se indican los principales sistemas quesalvaguardan la refrigeración del Reactor y una síntesis de su funcionamiento.

Cerca de un centenar de sistemas prestan funciones de soporte a estafunción y en su caso complementan el cumplimiento del objetivo de seguridadnuclear.

Salvaguardia para mantener la refrigeración del Reactor ante el fallodel Circuito Primario

El sistema asegura la refrigeración del Reactor Nuclear, en el supuesto depérdida de la capacidad de refrigeración del Reactor por fallo o rotura del circuitoPrimario, y la evacuación del calor residual producido por los productos de fisiónexistentes en el núcleo del Reactor tras su parada.

El sistema inyecta agua directamente en la Vasija a presión, que contiene elnúcleo, de forma que asegura su refrigeración hasta que alcance un estado deparada segura (temperatura fría).

El agua derramada del dañado circuito Primario es recogida en el sumiderodel recinto de Contención y recirculada para volver a ser inyectada en la vasija,(circuito primario de emergencia).

El circuito primario encargado de transmitir elcalor generado en el núcleo del Reactor sepuede romper instantáneamente, quedando elnúcleo del reactor sin refrigerar.La fisión del combustible se detieneautomáticamente.

Por diferencia de presión un depósito llamadoacumulador descarga su contenido de aguapesada a ambos lados de la vasija del Reactor,de forma que al iniciar su descarga lascondiciones físicas son las previstas para unasegunda acción.


Desde el tanque de inundación y a través desus bombas de impulsión se inyecta unasegunda masa de agua durante un tiempomucho mayor y que asegura unas condicionesde presión y temperaturas normales.

Por la rotura sigue fluyendo hacia fuera todo elagua del circuito, inundando el recinto estancollamado "Contención". Este agua una vezrefrigerada, asegurará, cuando el tanque delproceso 3 se haya vaciado, el proceso derefrigeración.

Salvaguarda para mantener la refrigeración del circuito primario através del Generador de Vapor

Actúa ante la pérdida de la capacidad de refrigeración a través del circuitoSecundario y cuando un suceso exterior a la Central cuestiona la refrigeración delReactor.

El sistema asegura que el generador de vapor mantiene su función detransferir el calor del sistema de refrigeración del reactor, durante el tiempo quetranscurra desde la detención del Reactor hasta que alcance el estado de paradafría.

El sistema actúa directamente sobre el generador de vapor inyectándole aguaproveniente de los depósitos localizados en el llamado edificio de alimentación deemergencia. Cuatro grupos diesel acoplados a generadores eléctricos garantizanel abastecimiento.

o E s p a ñ a

7.4 Fusión Nuclear .La reacción de fusión nuclear requiere que dos núcleos se acerquen lo suficiente, para

que la fuerza nuclear atractiva se haga sentir y los dos iones se fundan en uno solo con laconsecuente ganancia de energía. Desgraciadamente, los núcleos tienen carga positiva y serepelen eléctricamente; esta repulsión actúa a distancias mucho mayores que el alcance de lainteracción fuerte. Como la repulsión eléctrica es proporcional al producto de las cargas que


se repelen, el acercamiento es más fácil para los núcleos ligeros, pues llevan menos carga. Afin de conseguir la fusión nuclear debemos usar, entonces, el hidrógeno y sus isótopos. Detodas formas, el rechazo entre las cargas significa una fuerte barrera que se opone a la fusióny que de una forma u otra debemos vencer.

Veamos primero cuáles son las posibilidades de que se produzca la fusión en lascondiciones habituales de temperatura y presión. Aunque los núcleos normalmente se hallanalejados uno del otro y apartados por la barrera de repulsión eléctrica, la mecánica cuánticapermite penetrarla. En otros términos, en el mundo microscópico las barreras no soninsalvables debido al principio de incertidumbre y a las propiedades ondulatorias de lamateria. En una molécula diatómica de un gas a la temperatura ambiente, por ejemplo, ladistancia media entre los dos núcleos es del orden de 10-8 cm. Sin embargo, la posición no sepuede conocer con precisión absoluta, pues entonces el ímpetu (y con él la velocidad) de losnúcleos estaría totalmente indeterminado. Por lo tanto, la probabilidad de que los dos núcleosse encuentren en el mismo sitio y que choquen, no es nula desde un punto de vista cuántico.Sin embargo, este proceso de fusión, que bien podríamos catalogar como "fría", es muy pocoprobable. Así, las estimaciones más optimistas predicen que para que ocurriera un soloproceso de fusión en un litro de gas de hidrógeno a presión atmosférica y temperaturaambiente (del orden de 20°C), habría que esperar un tiempo ¡mucho mayor que eltranscurrido desde el origen del Universo!

Entonces, ¿qué hacer para acelerar el proceso? Conceptualmente, la manera mássimple de inducir la fusión es producir, por algún método, núcleos con una energía cinéticasuperior a la energía de repulsión eléctrica, para que así se acerquen mucho unos a otros.Una posibilidad es utilizar aceleradores de partículas, aparatos que con inmensos camposeléctricos y magnéticos pueden lograr que las partículas alcancen altas velocidades. Conestos aparatos se ha podido estudiar no sólo el proceso de fusión sino la estructura internamisma de los núcleos. Sin embargo para producir energía mediante la fusión nuclear; el usode los aceleradores resulta inoperante, pues para acelerar cada núcleo necesitamos invertirmucho más energía de la que se obtiene de la fusión.

Debemos, pues, buscar otros caminos. Como ya hemos visto, la reacción de fusión esmás probable mientras menor sea la carga de los núcleos que se unen, pues entonces labarrera repulsiva es más pequeña. En consecuencia, recurrimos al hidrógeno y entre losisótopos de éste al deuterio o al tritio, cuyas fusiones son muy favorables energéticamente. Enla Tabla 2 se ve que Q es positiva, o sea que los productos finales de las reacciones posiblesde fusión emergen con energías mayores de las que se impartieron a los núcleos iniciales.

En la Tabla 2 además del valor Q para cada reacción se da, en la tercera columna, laprobabilidad relativa con la que puede ocurrir cada uno de los procesos. Así, las reaccionesentre deuterones que producen ya sea 3He más neutrones o tritio más protones se presentancon la misma frecuencia, pero aquella reacción entre dos núcleos de deuterio que produce4He y rayos gamma es diez millones de veces menos probable que las dos reaccionesanteriores. Por otro lado, las que hemos marcado en la tercera columna como secundarias,también son poco probables, pues es necesario que alguna otra reacción haya tenido lugarantes. En particular; las que incluyen deuterio y tritio, obviamente requieren que este último yase haya generado.


Características de las reacciones de fusión nuclear.

Reacción Valor de Q en MeV Probabilidad relativa

d + d 3He + n 3.3 1

d + d + p 4.0 1

d + d 4He + 23.9 10-7

d + r 4He + n 17.6 secundaria

p + d 3He + 5.5 secundaria

p + r 4He + 19.8 secundaria

El uso del deuterio presenta varias ventajas adicionales. La primera, que es muyabundante como energético, pues puede extraerse del agua de mar con tecnologías quedominamos bien. El tritio, por su parte, es más escaso, aunque es un subproducto de lasreacciones de fusión. El riesgo radiológico del tritio es pequeño si se le compara con el queimplican los residuos de los productos de la fisión, hoy empleada en los reactores nucleares.Por un lado, la vida media del tritio es de 12.2 años y por tanto mucho más corta que la de losproductos de fisión, que es de miles de años. Por otro lado, el tritio al decaer emite un electróncon energías pequeñas, comparables a las producidas en un televisor a color; por lo que supenetración en el aire es apenas de unos cuantos centímetros. Sin embargo, el principalriesgo asociado al tritio es que lo inhalamos, pues reemplaza al hidrógeno del agua que hayen el organismo y causa irradiación interna.

La fusión nuclear es una fuente alterna de energía con grandes posibilidades y muchasventajas sobre otros métodos, incluida la discutida fisión nuclear. Pero en la práctica las cosasno resultan tan simples. Fabricar un reactor de fusión nuclear controlada ha sido el objetivo demuchos años de investigación científica y tecnológica y ha requerido de inversionesastronómicas. Aun así, sigue siendo una gran ilusión. Algunos problemas se han resuelto ya,pero muchos restan aún. En el capítulo próximo discutiremos esos problemas para poner enperspectiva la gran importancia que tendría para la humanidad hallar mecanismosalternativos, más baratos y seguros, de producir la fusión nuclear.

8. Aplicaciones de los Radioisótopos .

Residuos Nucleares: http://www.nodo50.org/panc/Res.htm Chernobyl: http://www.din.upm.es/trabajos/cherno/chernobil.html Consecuencias bombas atómicas: http://www.portalplanetasedna.com.ar/bomba_nuclear.htm Consecuencias sobre los seres vivos:

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/08/htm/sec_12.htmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Radiobiolog%C3%ADa

Reactores de Fusión:http://es.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclearhttp://news.bbc.co.uk/hi/spanish/science/newsid_4631000/4631149.stm

http://www.nodo50.org/panc/Res.htm

http://www.din.upm.es/trabajos/cherno/chernobil.html

http://www.portalplanetasedna.com.ar/bomba_nuclear.htm

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/08/htm/sec_12.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Radiobiolog%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear

http://news.bbc.co.uk/hi/spanish/science/newsid_4631000/4631149.stm


Aplicaciones en la Vida CotidianaComencemos con lo relativo a la agricultura y la alimentación. Son muchas las

aplicaciones en este campo por lo que he de referirme solamente a las más destacadas,Como un primer capítulo, mostraré a través de un par de ejemplos cómo puede la

tecnología nuclear beneficiar a los cultivos.Primer ejemplo: Los procesos biológicos de las plantas se estudian, entre otras razones,

con la intención de optimizar las técnicas de manejo de los cultivos, Gracias a suradioactividad, se puede seguir la evolución del Carbono 14 en los sarmientos y de esamanera sacar conclusiones sobre podas y otras labores tendientes a lograr una mayoracumulación de azúcar en las uvas.

Segundo ejemplo: Con el auxilio de especies radiactivas en los fertilizantes, como elFósforo 32, se puede sacar importantes conclusiones con respecto a métodos, oportunidad ytipo de fertilizantes a ser utilizados Se trata de reducir al mínimo el uso de fertilizantes parabajar los costos de producción y reducir los daños que provocan al medio ambiente,

Un segundo capítulo dentro del tema agricultura y alimentación lo constituye el uso delas mutaciones genéticas para el desarrollo de variedades de cultivos agrícolas y hortícolas dealto rendimiento. Los rayos x, los rayos gamma y los neutrones rápidos son los mutágenosfísicos que se usan con mayor frecuencia para irradiar las especies que se desea mejorargenéticamente. Algunos de los logros que se puede alcanzar con esta técnica son los quecomento a continuación.

Para aumentar la resistencia al encamado se intenta disminuir la altura de la planta dearroz y dar mayor dureza a su tallo para que pueda resistir la lluvia y las tormentas, Comoejemplo podemos citar un mutante de arroz en china que consiguió tener una caña 20 cm.más corta que la de su progenitor.

Otro objetivo buscado es mejorar las características de los granos como, por ejemplo,aumentar el valor nutritivo (contenido de proteínas o aceites), aumentar la facilidad de coccióny disolución o reducir el tiempo de cocción. Como ejemplo se puede mencionar un mutante dearroz en china que consiguió aumentar el contenido de proteínas a más del 15%.

También puede intentarse mejorar los caracteres agronómicos de la planta, como ser,resistencia al frío del invierno, aumento de la tolerancia al calor o una mejor adaptación a lascondiciones de los suelos,

El rendimiento de muchas variedades de cultivos se ha multiplicado después demutaciones inducidas con radiaciones. Para citar un ejemplo: Pakistán logró duplicar suproducción de algodón usando esta técnica.

Una maduración temprana es importante para eludir las heladas y plagas, o simplementepara dar cabida en el terrero a otros cultivos. Un ejemplo de estos logros lo constituye unavariedad de arroz en China que madura 24 días antes que su progenitora.

Aumentar la resistencia a las enfermedades tiene gran importancia en los esfuerzos parareducir la utilización de productos químicos contra las plagas, que tanto dañan el medioambiente. Como ejemplos puedo citar: una variedad de arroz de Hungría y una variedad dementa de EE.UU. que resultaron resistentes a ciertos hongos que perjudicaban seriamente laproducción.

Otro capítulo importante es el de la producción pecuaria. Puedo mencionar trescontribuciones de las técnicas nucleares en este campo:

-primera contribución: aumentar el peso del cuerpo y el rendimiento lechero del ganadogracias al mejoramiento de los piensos. Mencionaré un ejemplo: en Indonesia los pastos sonde muy baja calidad. Con técnicas nucleares se estudió la eficiencia con que los búfalosdigerían esos pastos y se desarrolló, para sustituirlos, un bloque multinutritivo que los búfaloslamen. Se logró un aumento de 3 Kg. por semana en el ritmo de engorde usando la sextaparte del pasto que antes.

-Segunda contribución: mejorar la reproducción del ganado. A través de la medición delas hormonas que controlan la actividad de los ovarios (en particular la progesterona) sedetermina con exactitud si las hembras se encuentran en la fase adecuada de su cicloreproductivo para ser fecundadas. Con auxilio de esta técnica se pudo preservar las alpacas ylas vicuñas en los países andinos,

-Tercera contribución: eliminar enfermedades mediante la producción de vacunas usandoirradiación con rayos x o rayos gamma para atenuar los virus, Por ejemplo, en el Reino Unidola bronquitis parasitaria de temeros y corderos fue combatida con éxito mediante vacunasradioatenuadas, lográndose un ahorno de 40 millones de dólares anuales.


Un capitulo vinculado e la agricultura y también a la salud y a la ganadería es el de lalucha contra las plagas de insectos. Las técnicas nucleares permiten erradicar o controlarestas plagas utilizando insectos esterilizados o alterados genéticamente con radiaciones, Amodo de ejemplo, la principal peste de frutas y vegetares en los países subtropicales es lamosca mediterránea. Pudo ser combatida en varios países con la llamada técnica de losinsectos estériles que consiste en desarrollar machos esterilizados por irradiación y soltarlos acompetir con los machos fértiles. En sucesivas etapas se logra controlar la plaga.

El primer insecto erradicado con empleo de esta técnica fue la mosca del gusanobarrenador, plaga que desbastó animales domésticos y silvestres en Curaçao y pudo sercontrolada recién en 1945. Posteriormente, esta misma plaga fue también erradicada deEE.UU. y México.

La mosca tsetse, como es sabido, es portadora de un parásito unicelular, llamadotripanosoma, que causa la enfermedad del sueño, En el África Subsahariana, medio millón depersonas (de las cuales muere el 60%) tiene esta enfermedad. Causa también unaenfermedad del ganado llamada nagana, que mata tres millones de cabezas al año. La moscatsetse es, sin dudas, la causa principal del estancamiento de la agricultura en el continenteafricano.

Un último capítulo dentro de este gran tema de la agricultura y alimentación es lairradiación de alimentos. Este proceso consiste en exponer a los alimentos, ya sea a granel oenvasados, a una cantidad minuciosamente controlada de radiación ionizante. Esa irradiaciónpuede conseguir diversos efectos, entre los cuales voy a mencionar sólo algunos:

- prolongar el período de conservación de los alimentos,- inhibir la germinación de papas y cebollas,- retrasar la maduración de los frutos,- esterilizar alimentos envasados,- descontaminar aditivos e ingredientes.

Salud humanaLas aplicaciones de técnicas nucleares asociadas con la salud aparecieron rápidamente

después del descubrimiento de los rayos x en 1896. En la actualidad es casi imposible que unhospital moderno no tenga un departamento de radiología y un departamento de medicinanuclear o que no utilice métodos radioquímicos para diagnosticar e investigar enfermedades.Cada año se llevan a cabo más de 30 millones de procedimientos médicos usandoradioisótopos. Sólo en EE.UU. se ahorran 12 millones de dólares por cirugías que no fueronpracticadas al ser sustituidas por procedimientos médicos con radisótopos.

Podemos afirmar que uno de cada tres pacientes de un hospital importante recibe losbeneficios de la medicina nuclear, en la que intervienen como actores principales losradiofármacos. Cuando se quiere investigar en el cuerpo humano un proceso biológico o elfuncionamiento de un órgano es necesario elegir cuidadosamente el compuesto químicoradiactivo que se ha de administrar al paciente. Estos compuestos, en su mayoría orgánicos,se llaman radiofármacos. Actualmente, con fines de diagnóstico se usan más de 300radiofármacos diferentes. Algunos se deben producir en el mismo hospital pues su vida mediaes muy corta, pero la mayoría se producen en centros nucleares o laboratorios nuclearesespecíficos.

En la llamada medicina nuclear in vivo el radiofármaco se administra al paciente parainvestigar una función fisiológica o bioquímica del organismo. Por ejemplo, un compuestoconteniendo iodo radiactivo suministrado a un paciente permite investigar las glándulastiroides a través de un detector especial que obtiene la imagen del órgano estudiado.

El diagnóstico por imágenes nucleares permite obtener información única sobre elfuncionamiento de diversos órganos como el corazón, las tiroides, los riñones, el hígado y elcerebro, y también permite diagnosticar un amplio rango de tumores. Para diagnosticartrastornos cardíacos se inyecta cierto radiofármaco especifico en el torrente sanguíneo delpaciente aplicando luego un método analítico conocido corno tomografía computada deemisión de fotón simple. Una cámara rotatoria va midiendo e intervalos cortos la radiactividadcon la ayuda de una computadora, permitiendo determinar que porción del corazón no tienesangre.

Un nuevo método, llamado tomografía de emisión de positrones, tiene la ventaja dedetectar simultáneamente imágenes en lados opuestos del paciente por lo que permiteestudiar el metabolismo del músculo cardíaco con mayor precisión, Los positrones sonpartículas beta positiva emitidas por algunos radisótopos como el Fluor 18.


En la llamada medicina nuclear in vitro lo que se hace es detectar y medir en unlaboratorio ciertos componentes químicos de fluidos extraídos del cuerpo humano, como lasangre, y sacar conclusiones sobre enfermedades o deficiencias orgánicas. Cientos demillones de radioinmunoanálisis se realizan al año. Este método es de 10 a 100 millones deveces más sensible que otros, lo que hace posible detectar con total precisión hormonas,vitaminas, enzimas y muchas drogas en los fluidos biológicos. Esta técnica se aplica para ladetección precoz de alteraciones neurológicas importantes, como es, por ejemplo, elhipotiroidismo en niños aparentemente sanos.

Algunas hormonas que pueden ser medidas con la sangre del paciente mediante elradioinmunoanálisis son: la de la función tiroidea, la de la función paratiroidea (vinculada a ladescalcificación de los huesos), la de la reproducción, la de la función suprarenal, las queintervienen en la vasoconstricción y las que son segregadas en el páncreas.

Otra aplicación muy importante del radioinmunoanálisis es en el diagnóstico yseguimiento del cáncer por la medición de las sustancias que son segregadas en la mayoríade los tumores.

Los expertos predicen que la utilización general de técnicas nucleares en medicina habráde triplicarse en un futuro próximo a fin de hacer frente a todos los casos que prevén lasproyecciones.

Pasemos a otro capítulo del tema salud. La radioterapia permite el tratamiento de ciertasenfermedades, particularmente el cáncer, a través de la aplicación de radiaciones ionizantes.Dentro de la radioterapia, la teleterapia es el tratamiento en que la fuente de las radiacionesno está en contacto directo con el objeto del tratamiento. Las radiaciones utilizadas puedenser de diferentes tipos y energías y tener origen en diversas fuentes. Por ejemplo, lacobaltoterapia es la forma de teleterapia que usa fuentes de cobalto 60. Otra forma deteleterapia son los modernos aceleradores que proporcionan haces de electrones, neutroneso iones pesados que permiten combatir el cáncer.

La otra forma de radioterapia es la braquiterapia que utiliza radisótopos en forma dealambre, semilla o cápsula que se implantan directamente en el tumor, donde puedenpermanecer en forma continua hasta perder su actividad o ser extraídos después de un ciertotiempo. Estos procedimientos pueden aplicarse cuando el tumor no ha sobrepasado unospocos centímetros lo que -afortunadamente- es el caso de muchos pacientes. Un ejemplo esel tratamiento del cáncer de útero y de próstata muy comunes en muchos países en desarrollo

En el ámbito de la salud también las técnicas de irradiación son altamente eficaces y debajo costo en la esterilización de artículos de uso médico (vestimenta quirúrgica, suturas,catéteres y jeringas, entre otros). Las implantaciones de injertos de tejidos biológicos, comohuesos, nervios y recubrimientos de corion amniota para quemaduras también se esterilizanexitosamente con radiaciones ionizantes.

Como se ha dicho, las radiaciones ionizantes pueden producir daños importantes en lostejidos y en los órganos si no se toman las previsiones para evitar que incidan en formadescontrolada en nuestro organismo. Los departamentos de protección radiológica, quedeben existir en todas las instalaciones que manejan radiaciones ionizantes, tienen laobligación de asegurar que técnicos, profesionales, operarios, pacientes y público en generalno reciban más radiaciones ionizantes que las que sean imprescindibles y en un todo deacuerdo con las normas respectivas.

Un tema especialmente importante es, entonces, la determinación exacta de las dosis deradiaciones. En las aplicaciones terapéuticas su importancia puede ser de vida o muerte, porlo que es imprescindible que las dosis administradas se ajusten lo más estrechamente posiblea las dosis prescriptas y que éstas, a su vez, sean las adecuadas a cada situación. De allí quela presencia de físico-médicos junto a los radioterapeutas sea obligatoria en los paísesavanzados Industria

En los países desarrollados casi todas las industrias utilizan técnicas nucleares de algunaforma. Veamos inicialmente el capítulo de los trazadores radiactivos. El método consiste enañadir en un determinado proceso muy pequeñas cantidades de sustancias radiactivasllamadas trazadores y seguir su camino gracias a que emiten radiaciones. Según se cuenta, laprimera vez que se usó un trazador radiactivo fue en 1911 cuando un estudiante húngaro,llamado George de Hevesy, que vivía en una pensión en Manchester, le puso a las sobras decomida una pequeña dosis de material radioactivo mediante la cual pudo confirmar al día


siguiente que la comida estaba hecha con esas sobras. Como consecuencia, la dueña de lapensión lo acusó de brujo y lo expulsó de la pensión.

El hecho de que cantidades insignificantes de sustancias radiactivas puedan medirserápidamente y con precisión hace que los trazadores radiactivos tengan muchos usos en laindustria. Mencionaré algunos ejemplos:

- Control de mezclas. Por ejemplo, en un horno de cemento, al que se han agregadotrazadores radiactivos, se puede realizar mediciones a distintas alturas del proceso para sacarconclusiones sobre la eficiencia del mezclado.

- Detección de fugas. En la india se pudo detectar filtraciones en un oleoducto de 140 Kmde largo en sólo seis semanas, ahorrando seis meses de trabajo y 300 mil dólares eninvestigación, además de permitir una producción adicional de 1,6 millones de toneladas.

- Medición del desgaste de motores. En las pruebas de desgaste de la camisa decilindros y de los asientos de cojinetes de los nuevos modelos de motores, el uso detrazadores radiactivos produce un ahorno de más de 3 millones de dólares en uno y otro caso,además del ahorro de 4 años de pruebas.

Respecto de los diversos instrumentos de uso industrial que se benefician de las técnicasnucleares, gran parte de ellos se basan en la propiedad de la materia de interactuar con losrayos gamma. Así tenemos:

-medidores de densidad (petróleo, tabaco, silos, pasta de papel, polvos. lechadas),-indicadores de nivel (en silos, pozos, enlatados, botellas),-indicadores de espesor de láminas (papel, plásticos, chapas),-indicadores de espesor de bitumen,-detectores de humo.También la energía nuclear se usa en baterías nucleares de satélites artificiales,

estaciones meteorológicas aisladas y marca-pasos cardíacos.Se sabe que cada elemento químico reacciona a las radiaciones electromagnéticas

emitiendo rayos x característicos de dicho elemento, La detección y análisis de esos rayos xofrece información cualitativa y cuantitativa sobre la composición de cualquier muestrasometida a radiaciones. Esto abre campo al análisis por fluorescencia de rayos x de carácterindustrial.

Otro tema industrial son los ensayos no destructivos. La radiografía con empleo de rayosx, rayos gamma o neutrones se emplea corrientemente en la verificación de soldaduras, enfundiciones, en maquinaria ensamblada (como motores a chorro), en control de corrosión demateriales, en control de calidad de cerámicas, en la detección de explosivos, en la detecciónde humedad y en muchas otras aplicaciones.

Las radiaciones pueden inducir ciertas reacciones químicas convenientes para suaplicación en la industria. Por ejemplo, pueden emplearse en la fabricación de plásticos o enel injerto de plástico en otros materiales como madera u hormigón, o en la fabricación dematerial súper absorbente como pañales desechables y tampones, o para reducir lasconsecuencias medioambientales y sanitarias del empleo a gran escala de combustiblesfósiles.

Finalmente, las radiaciones pueden ayudar a mejorar las condiciones ambientales. Porejemplo, al ayudar a descomponer desechos sépticos o venenosos evitando el empleo deproductos químicos altamente nocivos para el medio ambiente como, por ejemplo, el cloro.

Hidrología isotópicaLa hidrología es un campo en que los Isótopos pueden desempeñar un papel de

vanguardia en relación con muchas actividades de investigaciones y diversas aplicaciones.Inicialmente menciono algunos ejemplos de aplicaciones en aguas subterráneas.

Con empleo de trazadores isotópicos se han estudiado exitosamente las interaccionesdel agua subterránea y la matriz de los acuíferos. A modo de ejemplo, en México, Creta yPortugal se han descubierto fuentes de contaminación de agua marina en los acuíferoscosteros con ayuda de trazadores isotópicos.

El método de datación isotópica está basado en la comparación de las proporciones delos isótopos radiactivos presentes al inicio de un proceso y al momento de la datación.Durante el lapso que se quiere medir ha habido un cambio en las proporciones iniciales -supuestamente conocidas- de los radisótopos presentes inicialmente en el elemento osustancia. El cambio es debido a la desintegración radiactiva que se ha operado en esosradisótopos. Los cálculos se apoyan, justamente, en los valores de vida media de losradisótopos intervinientes. Por ejemplo, en las zonas áridas y semiáridas puede determinarse


la edad del agua subterránea en lugares en que se prevé impulsar un desarrollo industrial. Sila datación dice que el agua tiene miles de años debe concluirse que, en caso de extraerla, nohabrá reposición y la zona se secará en poco tiempo.

Las técnicas nucleares ayudan a explorar los recursos geotermales y conocer susmecanismos de recarga, así como la calidad de su agua y sus posibles conexiones con otrosacuíferos.

En aguas superficiales las técnicas nucleares ayudan a medir la dinámica de lagos yembalses, la filtración de las represas y de los conductos subterráneos, la descarga de losríos, el transporte de sedimentos suspendidos y de fondo y la tasa de sedimentación.

9. Partículas Elementales .Podemos definir las partículas elementales como aquellas cuya estructura interna no

puede ser descrita (en el estado actual del conocimiento) como una simple combinación deotras partículas.

Al introducir el estado de conocimiento que se tiene del mundo subatómico en ladefinición de las partículas elementales, hemos de tener en cuenta que éstas, al variar lo quesabemos del mundo atómico, cambian. Podemos, de hecho, distinguir (muy arbitrariamente)cuatro etapas en la historia de las partículas elementales.

En la primera de ellas, que terminó en 1932, seis partículas elementales fuerondescubiertas, que son: el fotón, el electrón, el protón, el neutrón, el positrón y el neutrino(aunque el descubrimiento de éste último era sólo teóricamente).

La segunda etapa en la Física de las Partículas Elementales comenzó en 1935 cuandoquedó claro que las partículas existentes no eran suficientes para explicar la naturaleza de lasfuerzas nucleares, en concreto cómo coexistían los protones en el núcleo si debido a la cargaeléctrica positiva que poseían debían repelerse (lo cual se explica introduciendo una nuevafuerza, la fuerza nuclear fuerte) y fenómenos derivados de la desintegración de núcleos, esdecir la radiactividad natural y artificial (para ello se introdujo otra nueva fuerza llamada fuerzanuclear débil). La idea cuántica de una fuerza es suponer que, igual que dos esquiadores quese lanzan pelotas de nieve uno a otro se repelen, si decimos que entre dos partículas existeuna fuerza, significa que existe un intercambio de partículas. Este razonamiento une la físicade las Partículas con las fuerzas, interacciones o campos elementales. Además, durante esteperiodo se descubrieron nuevas partículas como son: los muones (1938) y los mesones (en1947 los mesones cargados y en 1950 el mesón neutro).

La tercera fase comprende un vasto espacio de tiempo (1949-1964), a lo largo del cualextrañas partículas inestables fueron descubiertas, la existencia del neutrino electrónico y elneutrino muónico fueron confirmada experimentalmente. Muchas de estas partículas noexisten en nuestro mundo observable ya que son muy inestables y tienen una vida media muycorta transmutándose en otras partículas pasado un tiempo, por eso se han encontradoúnicamente en colisiones realizadas artificialmente (por ejemplo bombardeando núcleos conhaces de neutrones que se les ha comunicado una gran velocidad con un acelerador) otambién explorando la radiación cósmica procedente del espacio exterior.

Antes de comentar la cuarta etapa en la investigación de las partículas elementales,vamos a realizar una ordenación de las partículas existentes en aquellos momentos.

Las partículas elementales se subdividen comúnmente en cuatro tipos. A uno de ellospertenece una sola partícula: el fotón. El segundo tipo le forman los leptones, el tercero losmesones, y finalmente, el cuarto tipo, los bariones. Los mesones y los bariones se unenusualmente en un tipo de partículas de interacción fuerte denominadas hadrones.

A continuación daremos una breve descripción de los tipos de partículas enumerados:1. Los fotones (partículas o cuantos responsables del campo electromagnético), participan

en las interacciones electromagnéticas, pero no poseen interacciones nuclerares fuertesni débiles.

2. Los leptones recibieron su nombre de la palabra griega leptos, que significa ligeros. Aestos pertenecen las partículas que no poseen interacción fuerte: los muones, loselectrones, los neutrinos electrónicos, y las correspondientes antipartículas para cadauna de estas partículas. Todos los leptones tienen un espín igual a 1/2 y porconsiguiente, son fermiones (partículas de espín semientero que no pueden encontrarseen el mismo estado con los mismos números cuánticos) y poseen interacción débil.Aquellos que tienen carga eléctrica (o sea, los muones y los electrones) poseen tambiéninteracción electromagnética.


3. Los mesones son partículas inestables de interacción fuerte que carecen de la llamadacarga bariónica. A este grupo pertenece los mesones pi o piones, los mesones K okaones y el mesón eta. A diferencia de los leptones, los mesones poseen no sólointeracción débil (y electromagnética, si están cargados), sino también fuerte, la que semanifiesta durante la interacción de éstos entre sí y también con los bariones para formarhadrones. El espín de todos los mesones es igual a cero, de manera que todos ellos sonbosones, que contrariamente a los fermiones, pueden acumularse en un estado.

4. Los bariones agrupan a los nucleones (protón, neutrón) y unas partículas inestables, queposeen mayor masa que la de los nucleones, denominados hiperones. Todos losbariones poseen interacción fuerte y, por consiguiente interaccionan activamente con losnúcleos atómicos. El espín de todos los bariones es igual a 1/2, de forma que los mismosson fermiones. Salvo el protón todos los bariones son inestables. Desintegrándose juntocon otras partículas dan obligatoriamente un barión.

Finalmente, realizado el estudio de las partículas existentes, indiquemos que la cuartaetapa en la investigación de las partículas elementales comenzó incluso antes de lafinalización de la tercera (1961) y continua hasta nuestros días.

Se han acumulado tantas partículas llamadas elementales que han surgido serias dudassobre su elementalidad. Con relación a esto, surgió la hipótesis de que todas las partículasestán compuestas por tres partículas fundamentales, portadora de unas cargas que,combinadas pudieran responder a las de las partículas existentes. El primer modelo de estaclase fue propuesto por el físico japonés S. Sakata, el que consideraba como partículasfundamentales el protón, el neutrón y el hiperón. Esta última es una nueva partícula que fuepredicha considerando las simetrías que se daban al ordenar las partículas subatómicasexistentes entonces en diagramas bidimensionales con dos propiedades (o númeroscuánticos) de estas, así se llegó a la conclusión de que entre los grupos de partículasconocidas como hadrones (es decir uniones de mesones y bariones) se daba la simetría delocteto o simetría SU(3). Sin embargo, el esquema de Sakata resultó inaplicable al campo delas interacciones fuertes.

En el año 1963 Gell-Mann e independientemente el físico suizo Zweig propusieron unahipótesis, según la cual todas las partículas elementales están constituidas por tres partículasdenominadas quarks, llegaron a esta conclusión teniendo en cuenta que la más simplerepresentación de la simetría del grupo SU(3) se consigue con un triplete. A éstos se lesasignan números cuánticos fraccionarios, en particular una carga eléctrica igual a +2/3, -1/3,+1/3 respectivamente para cada uno de los tres quarks. Éstos se representan por las letras u(de la palabra inglesa up, que significa hacia arriba), d (down, que significa hacia abajo), y s(strange, extraño o sideways que significa lateral). Aparte de estos tres quarks, cada uno deellos lleva asociado su antiquark correspondiente.

10. Las Fuerzas FundamentalesComo hemos visto, el estudio de los componentes de la materia nos ha llevado también a

introducir dos nuevas fuerzas en el campo de la Física. Hasta entonces, todo podía explicarsegracias al campo gravitatorio y al campo electromagnético, actualmente se consideran cuatrointeracciones o fuerzas fundamentales, las cuales en orden descendente en intensidad son:fuerza nuclear fuerte, fuerza electromagnética, fuerza nuclear débil y fuerza gravitacional.

Para tener una idea de la magnitud relativa de estas fuerzas, supongamos que en unaescala de intensidades, en la que la fuerza gravitatoria tuviese magnitud 1, la fuerza débiltendría un valor de 10+34 (un uno seguido de 34 ceros), la fuerza electromagnética tendría unvalor de 10+37 (un uno seguido de 37 ceros) y la fuerza fuerte tendría un valor de 10+39 (un unoseguido de 39 ceros).

Igual que con las partículas, una fuerza es considerada como fundamental en función delo que se conoce en ese momento. De esa manera puede entenderse cómo la unificación delas fuerzas eléctricas y magnéticas llevada a cabo por Maxwell redujo dos fuerzas (magnéticay eléctrica) en una sola interacción: el campo electromagnético.

Para clarificar el ámbito de las fuerzas fundamentales mencionare el alcance de cadafuerza. La fuerza fuerte es la responsable de que los protones y los neutrones se mantenganunidos dentro del núcleo. Si no fuera por el dominio que ejerce la fuerza fuerte, la repulsiónentre los protones haría inestable el núcleo; los protones se dispersarían y el núcleo no podríaexistir, por tanto su alcance es muy pequeño (10-15 m). La fuerza fuerte o nuclear fuerte tiene


un rango de acción ligeramente menor que el tamaño del núcleo, esto es: actúa solo sobre laspartículas más vecinas. La fuerza electromagnética afecta a todas las partículas que poseencarga eléctrica y su alcance es infinito, la constante de interacción de esta fuerza es unnúmero adimensional denominado constante de la estructura fina (de valor aproximado1/137). Por su lado, la fuerza débil o nuclear débil actúa entre partículas elementales y esresponsable de algunas reacciones nucleares. Por ejemplo, en la desintegración radiactiva delos núcleos que provoca su escisión en varios fragmentos, además la fuerza nuclear débil esimportante en la velocidad de reacción de algunas reacciones nucleares que ocurren enestrellas como el sol (de hecho la vida media del sol está determinada por las característicasde esta fuerza), y en todos los procesos de interacción entre los neutrinos y la materia. Es unafuerza de corto alcance, 10-16m. Por último la fuerza gravitatoria es universal, a ella sesometen todas las partículas elementales sin excepción, sin embargo debido a su pocamagnitud no juega un papel importante en el micromundo.

Cuando se empieza a hablar de las fuerzas fundamentales es obligado hablar también desu unificación.

Newton en 1686 mostró que la gravedad celeste y la terrestre podían considerarse dentrode una misma teoría: la gravitación universal. Ésta fue la primera unificación. Newton explicocómo se comportan los cuerpos ante la gravedad, pero fue Einstein el primero que propuso unmodelo teórico para explicar el origen de la gravedad. En la teoría de la relatividad general, laspartículas siguen trayectorias rectilíneas siempre, de tal manera que la gravedad o campogravitatorio, según el cual las partículas masivas "tuercen" su trayectoria es una consecuenciade la deformación del espacio-tiempo causada por la masa.

Aunque fueron Faraday y Oersted los primeros que observaron la relación de losfenómenos eléctricos y magnéticos, fue Maxwell quien en 1864 le dio una estructura formal alo que ahora se conoce como teoría electromagnética. Ésta fue la segunda unificación. Existeuna interesante simetría en las ecuaciones de Maxwell la cual sugiere que el hecho de laexistencia de cargas eléctricas, "obliga" también la existencia de cargas magnéticas, es decirla carga eléctrica es a la vez responsable de los campos eléctricos y los campos magnéticos.Hay incluso varias investigaciones documentadas relacionadas con la búsqueda de estascargas magnéticas, las cuales se denominan "el monopolo magnético."

Alrededor de 1968, Weinberg y Salam trabajando independientemente, mostraron laconexión que subyace entre la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil. Esta tercerunificación dio lugar a la llamada fuerza electrodébil. Este enfoque se consiguió con la llamadaTeoría Cuántica de Campos, que aplicada a las interacciones electromagnética y débil sedenomina electrodinámica cuántica, en ella, tal y como se ha comentado anteriormente, seconsidera una interacción entre dos partículas como un intercambio de unas partículasespeciales llamadas partículas o portadores de fuerza. Estas partículas de fuerza sonbosones y podemos decir que la interacción electromagnética depende del intercambio defotones, mientras que en la fuerza nuclear débil interviene el intercambio de dos tipos debosones muy masivos llamados W y Z. Para la fuerza nuclear fuerte se postuló la existenciade una portador que actúa a un nivel más profundo, son los gluones, unos bosones que notienen masa. La interacción fuerte queda así explicada con la teoría de la CromodinámicaCuántica.

Debido a que la formulación de la Cromodinámica Cuántica y de la ElectroDinámicaCuántica es, en esencia la misma, parece plausible pensar que puede existir algunaunificación entre ambas, aunque de hecho aún no se ha encontrado.

De las cuatro fuerzas fundamentales, tenemos tres (que podrían ser dos si la unificaciónde la Teoría Cuántica de Campo y la Cromodinámica Cuántica se diera), de esta tres, aún nohemos podido saber si son la misma fuerza o tienen características diferentes. De ellas, lamás complicada de introducir es la gravedad. Recordemos que el campo gravitatorio no sebasa en el intercambio de partículas sino en la deformación del espaciotiempo; de todasmaneras existen teorías cuánticas que pretenden unificar la gravedad postulando la partículade intercambio, que aunque no está descubierta, se denominaría el gravitón.

Otra propuesta más a las unificaciones fue hecha en 1921 por un matemático alemánllamado Theodor Kaluza. Él mostró cómo, considerando 5 dimensiones, se puede obtener elelectromagnetismo y la gravitación en una sola teoría. Al introducir las otras fuerzasfundamentales, la teoría no funciona correctamente, aunque existen estudios dondetrabajando con más dimensiones se busca la ansiada unificación. Estas teorías no son teoríascuánticas al no introducir la idea de una interacción como un intercambio de partícula, en


estas teorías las fuerzas se explican como una propiedad del espacio (tal y como sucede conla gravedad). Se denominan las teorías de las supercuerdas, que pretenden explicar toda lafísica mediante la introducción de unas diminutas cuerdas de materia muy densa, estascuerdas son muy pequeñas, pues no tienen más de 10-35 m de largo. Todas las cuerdas sonlazos donde los fermiones y los bosones, que son las partículas elementales asociadas a lamateria y a las interacciones respectivamente, corresponden a ondas que viajan en la direcciónde las manecillas del reloj para el caso de los fermiones y en dirección contraria en el caso delos bosones. En las teorías de supercuerdas; cada uno de los infinitos modos posibles devibración, (armónicos y modos fundamentales de vibración), correspondería a una partículadiferente. Esto implica la existencia de un número infinito de partículas elementales. Todo estoes relativamente fácil de asimilar, ¡pero lo que no les he dicho es que estas cuerdas vibran enun espacio que tiene de 10 a 26 dimensiones!

La meta final de todas las unificaciones es encontrar una única fuerza que explique todaslas interacciones que observamos en la naturaleza. Las teorías que describen el proceso deunificación de las fuerzas fundamentales se llaman 'teorías de supersimetrías. Pero hay quetener cuidado, ya que, como se ha dicho antes, una fuerza es considerada como fundamentalsegún los conocimientos científicos existentes en ese momento.

En resumen, hoy tenemos una lista pequeña de partículas (pero no tan pequeña como en1932) que, a principios del siglo XXI, nos da una visión general de la estructura fundamentalde la materia y de todas las fuerzas que actúan sobre esa materia.

Veamos cuál es esa lista:

PROPIEDADES DE LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES

Nombre Cargaeléctrica

Spin ¿Estable?

Partículas que nointeraccionanfuertemente

electrón -1 1/2 sí

muón -1 1/2 no

tau -1 1/2 no

neutrino(tres tipos) 0 1/2 ¿sí?

Partículas que síinteraccionanfuertemente

quarks(tres tipos cada uno)

u 2/3 1/2 síd 1/3 1/2 En protonesc 2/3 1/2 nos 1/3 1/2 not 2/3 1/2 nob 1/3 1/2 no

Partículastransmisoras de la

interacción

Fotón 0 1 sí

W(tres tipos)

-1 1 no

Z 0 1 no

gluón(ocho tipos) 0 1 no

gravitón 0 2 sí

La interacción electromagnética se transmite mediante fotones. La interacción débil mediante los transmisores W y Z. La interacción fuerte mediante los gluones. La interacción gravitatoria se transmite, según este esquema, mediante

gravitones.

Sin embargo aún hay muchas incógnitas. La interrogación en la estabilidad de losneutrinos es sólo una de ellas. No se han podido detectar quarks individuales (sólo agrupadosformando protones, neutrones, etc.). El gravitón es el más desconcertante. Su existencia esnecesaria para completar la uniformidad de las leyes físicas, pero no se ha podido detectar


nunca uno (aunque esto puede ser debido a que es muy difícil detectarlo, porque la gravedades muy débil, y no a que no exista).

Esta Tabla es importante (aunque ahora no debemos preocuparnos por entender todo loque está en ella -basta con que vayan sonándonos esos nombres tan raros-) porque intentacondensar todo lo que existe en el Universo: las partículas elementales que forman la materiay las fuerzas o interacciones entre ellas.

Vamos a fijarnos ahora sólo en la columna que pone spin. ¿Qué es eso? En ingléssignifica "girar", pero en física significa una cantidad que mide una propiedad intrínseca decada partícula, relacionada con su giro y sus características magnéticas.

Miren en la Tabla y observen que las partículas que interaccionan tienen todas spinfraccionario e igual a ½. Las partículas transmisoras de interacciones lo tienen entero y vale 1,salvo para el gravitón que vale 2.

¿Señala esto un carácter especial al gravitón en esta visión del universo? Puede que sí.

11. Fuerzas Fundamentales .Denominamos fuerzas fundamentales a aquellas fuerzas de la naturaleza que no se

pueden explicar en función de otras más básicas y que rigen los procesos en el mundosubatómico.

Las fuerzas o interacciones fundamentales conocidas hasta ahora son cuatro,gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. Las dos primeras sedescubrieron hace mucho tiempo, sin embargo, las nucleares son recientes, por haber sidoestudiadas en el último siglo.

Puesto que son fuerzas que afectan a las partículas elementales, su investigacióntambién necesitará de los aceleradores de alta energía. Lógicamente, el disponer deproyectiles de enormes energías nos permite profundizar en la estructura de los núcleosatómicos e ir descubriendo multitud de nuevas partículas, al mismo tiempo que observamoslos diversos tipos de interacciones existentes entre ellas.Aunque en la práctica el estudio de las fuerzas y de las partículas fundamentales se hace demanera conjunta, pues todo se integra en el modelo estándar que intenta explicar laconstitución de la materia y las fuerzas fundamentales, en el presente artículo noscentraremos sólo en las fuerzas, con el fin de mejorar su comprensión.Interacción gravitatoria

La interacción gravitatoria es la fuerza de atracción que una porción de materia ejercesobre otra, y afecta a todos los cuerpos. Su intensidad es mínima entre las partículas queintervienen en los procesos atómicos, pero es importante a gran escala porque su alcance esinfinito, aunque decrece de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia,según la ley de Newton.

A pesar de ser tan débil, su importancia reside en que siempre es atractiva y por tanto, seacumula, aumentando con el número de partículas en juego. De este modo, la gravitación esla fuerza preponderante a escala macroscópica, a pesar de que se trata de la más débil detodas las interacciones. Es la responsable de la atracción universal entre los cuerpos, de lacohesión de los astros (planetas, estrellas, satélites...) y regula sus movimientos.

Einstein, en 1915, tras formular su teoría especial de la relatividad, sugirió que lagravedad no era una fuerza como las otras, sino una consecuencia de la deformación delespacio-tiempo por la presencia de masa (o energía, que es lo mismo), formulando su teoríageneral de la relatividad. Entonces, cuerpos como la Tierra no se mueven en órbitas cerradasporque haya una fuerza llamada gravedad, sino que describen trayectorias parecidas a líneasrectas, pero en un espacio-tiempo que se encuentra deformado por la presencia del Sol.

No cabe duda de que, en su época, la interpretación de Einstein era innovadora, noobstante, con todo, propuso una teoría de campo clásica, en el sentido de que no introducelos conceptos cuánticos que describen el mundo microscópico. Los intentos realizados porcuantizar la interacción gravitatoria, igual que las demás interacciones y de los que prontohablaremos, implican la existencia de una partícula especial, el gravitón, de masa nula ynúmero cuántico de espín 2, que no ha podido ser detectada aún.Interacción electromagnética

La fuerza electromagnética afecta exclusivamente a los cuerpos con carga eléctrica y esla responsable de las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas, donde unea los electrones y los núcleos. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria y su alcancees también infinito. Sin embargo, no es acumulativa como la gravitación. Ahora, según el tipo


de cargas presentes, las interacciones electromagnéticas son atractivas o repulsivas, demanera que la neutralidad eléctrica de la materia anula sus efectos a larga distancia.

A raíz del triunfo de la teoría general de la gravitación de Newton, el francés Coulomb laadaptó para explicar las fuerzas de atracción y repulsión experimentadas por los objetoscargados eléctricamente, demostrando que ésta era directamente proporcional al producto delas cargas eléctricas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. Mostrótambién, que las cargas de igual signo se atraen y las de distinto signo se repelen y que loscuerpos imanados también sufrían una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de ladistancia. Experimentos posteriores realizados por el danés Oersted, el francés Ampère y elbritánico Faraday revelaron que los fenómenos eléctricos y magnéticos estaban relacionados.Fue cuando se descubrió la existencia del campo electromagnético, es decir que losfenómenos eléctricos y magnéticos poseen un origen común, las cargas eléctricas, ya esténen reposo o en movimiento.

El estudio del campo electromagnético fue sistematizado por el físico escocés J. C.Maxwell en su teoría electromagnética, en la que predijo que la transmisión de los camposeléctrico y magnético, perpendiculares entre sí, se realizaba ondulatoriamente a la velocidadde la luz. En el orden macroscópico, la teoría de Maxwell constituye un modelo de economíaal unificar el tratamiento de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Ahora bien, cuando seaplica a las dimensiones atómicas la teoría del electromagnetismo se denominaelectrodinámica cuántica, cuyos fundamentos se deben a Bethe, Tomonaga, Schwinger yFeynman, principalmente, en la cual se lleva a cabo una corrección cuántica de lasecuaciones de Maxwell.Interacciones nucleares

Hasta hace sólo poco más de medio siglo nos bastaba suponer válida la ley de Coulombpara el estudio del átomo. Este escaso conocimiento permitió descubrir la existencia de unnúcleo cargado positivamente y una corteza electrónica externa, con carga opuesta. Laatracción entre el núcleo y los electrones se puede explicar por medio de la interacciónelectromagnética. Sin embargo, el descubrimiento de la radiactividad y concretamente, el delas desintegraciones de tipo beta, han llevado a pensar que ciertos átomos tienen un excesode neutrones, algunos de los cuales se desintegran convirtiéndose en un protón, un electrón yun neutrino a través de un proceso regido por la interacción nuclear débil o de Fermi, que sólose manifiesta a distancias de 10-17 ó 10-18 m, la fuerza de menor alcance.

La emisión de neutrinos fue propuesta por primera vez en 1929 por Wolfgang Pauli.Postuló que junto a los tres tipos de radiaciones conocidos, alfa, beta y gamma, debíanemitirse otras partículas a las que llamó neutrinos y antineutrinos, sin carga eléctrica y cuyamasa o bien era muy pequeña o bien era nula, como en el caso del fotón. En la emisión betaun neutrón se convierte en un protón, una situación no prevista ni en física clásica ni en físicacuántica y que tanto desconcertó a los físicos de partículas, y se crean un electrón y unantineutrino.

En resumidas cuentas, la fuerza nuclear débil es la responsable de la desintegración betade los neutrones y otros procesos similares. Recibe este nombre porque su intensidad es1014 veces inferior que las interacciones fuertes, siendo su alcance de unos 10-18 m, aunmenor que el de la interacción nuclear fuerte.

Las predicciones de Pauli se vieron confirmadas en el momento en que fuerondescubiertos los neutrinos por Frederick Reines y Clyde Cowan, en Los Álamos, en 1956. Elneutrino es el mejor ejemplo de las interacciones débiles. Aunque tiene una sección eficazextremadamente baja y como consecuencia de ello muy poca interacción con la materia, esmuy importante en astrofísica, pues los procesos termonucleares de las estrellas implican unaproducción masiva de neutrinos. Esto ha posibilitado su estudio, pues la escasa interacción seve suplida por el gran número que se genera de ellos. Experimentalmente, se ha demostradoque los neutrinos producidos en reacciones en las que interviene el electrón son distintos delos asociados a las otras partículas sometidas sólo a las interacciones débiles y no existeevidencia de que puedan ocurrir transiciones entre tipos distintos.

No obstante, en un núcleo atómico hallamos un buen número de protones reunidos en unespacio muy reducido, lo que hace pensar en una repulsión eléctrica muy elevada. No esposible entender muy bien la estabilidad de un átomo bajo este punto de vista. Para explicar laestabilidad de los núcleos, que contienen protones a una distancia increíblemente pequeña,Rutherford postuló la existencia de la interacción nuclear fuerte, una fuerza atractiva de cortoalcance, unos 10-15 m, es decir, muy intensa para distancias del orden de los diámetros


nucleares, capaz de vencer la repulsión electrostática entre los protones. Podemos afirmarque la fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de losnúcleos atómicos y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones oneutrones.

Comparando todas las interacciones, la menor, sin duda, es la interacción gravitatoria. Sia ésta la asignamos una intensidad de 1, la fuerza nuclear débil sería de 1017,considerablemente mayor, seguida por la electromagnética, en torno a 1030 y la de mayorintensidad, la interacción nuclear fuerte, con 1032.

Teniendo en cuenta el especial carácter de las fuerzas nucleares al compararlas con lasdos interacciones clásicas, es lógico suponer que su formulación no será similar a lasecuaciones de Newton y de Coulomb, sino que irá por otros derroteros. La descripción queactualmente se utiliza de la fuerza débil se realiza de manera unificada con laelectromagnética en la denominada interacción electrodébil. Sus autores, Sheldon Glashow,Abdus Salam y Steven Weinberg, recibieron el Premio Nobel de Física 1979 por su trabajo. Lateoría actual de la interacción fuerte, debida principalmente a Yang y Mills, fue completada amitad de los años 70 y se llama cromodinámica cuántica, desarrollada por analogía con laelectrodinámica de Feynman y colaboradores.Partículas virtuales

Una de las aplicaciones más exitosas del Principio de Incertidumbre es la del conceptode partícula virtual, que a su vez se utiliza para explicar las interacciones fundamentales.Sabemos que la relación de incertidumbre puede extenderse a otras variables conjugadasademás de la posición y la cantidad de movimiento. Por ejemplo, el producto de la energía y eltiempo también posee las unidades de la constante de Planck. Si designamos por ΔE laincertidumbre en nuestro conocimiento de la energía de una partícula y por Δt la incertidumbrerespecto al tiempo en el que la energía adquiere un cierto valor, recordemos que también secumplirá la relación de incertidumbre:

Para comprender esta relación pensemos en lo que implica el proceso de medición de laenergía de una partícula. La observación requerirá obviamente algún tipo de sonda queempleará un tiempo en la realización de la medida durante el cual la sonda interactúa con lapartícula. Podemos definir ese tiempo como la incertidumbre Δt. La incertidumbre ΔErepresenta nuestra capacidad de obtener información sobre la energía de la partícula en unaescala de tiempo menor a Δt. En este sentido, la relación de incertidumbre tiempo-energía dalugar a un concepto muy interesante de la física actual, el concepto de partícula virtual. Así, sisustituimos en la expresión de Heisenberg el valor de la energía por su equivalencia relativistacon la masa (ΔE =Δm.c2) y despejamos ésta, obtenemos:

Vemos que si Δt es lo suficientemente pequeño es posible que la indeterminación en elvalor de la masa sea lo bastante grande para que durante ese tiempo no podamos conocer sien un punto del espacio hay una partícula de masa m o un conjunto de partículas de masam+Δm. Dicho de otro modo, podríamos tener una sucesión de hechos en donde una partículase convierte por un instante en una pareja de partículas y luego vuelve a ser una sola.Decimos que la partícula original fluctúa entre dos partículas y llamamos al objeto adicionalpartícula virtual.

La primera aplicacióndel concepto de partículavirtual vino comoexplicación de lainteracción fuerte, sugeridopor el japonés Yukawa. Sitenemos dos partículas auna distancia d lo


suficientemente pequeña como para que pueda ser recorrida por una partícula virtual en eltiempo que dura su fluctuación, puede acabar siendo absorbida por la segunda partícula antesde desaparecer. Esto se conoce como intercambio de una partícula virtual y de nuevo el

principio de incertidumbre nosdice que estos procesospueden darse sin que seamoscapaces de detectar ningunaviolación del principio deconservación de la energía.

Yukawa demostrómatemáticamente que si lamasa de las partículas

virtuales tuvieran aproximadamente 1/9 de la masa del protón, el resultado neto delintercambio sería una fuerza lo bastante elevada como para superar la repulsiónelectromagnética entre dos protones y mantenerlos unidos. Es decir, el intercambio de lapartícula virtual produciría la enorme fuerza necesaria para mantener la cohesión del núcleo.Posteriormente, los cálculos de Yukawa sobre la masa necesaria fueron confirmados por eldescubrimiento de los mesones. De este modo, ahora se piensa que todas las interaccionesfundamentales son debidas, en última instancia, al intercambio de partículas virtuales.No todas las partículas virtuales que se han propuesto se han podido observar, pero símuchas de ellas, como los fotones de la interacción electromagnética, los gluones de lainteracción fuerte y las partículas, designadas por W+, W- y Z, mediadoras de lasinteracciones nucleares débiles en los experimentos.

Debemos resaltar que los intentos de hallar una explicación para las interaccionesdébiles, como los estudios llevados a cabo por Pauli y su continuador Fermi, conducían aresultados absurdos si se tenían en cuenta los efectos relativistas. No obstante, en 1961 sealcanzó la dirección correcta gracias a los estudios de Glashow. Supuso que las interaccionesdébiles eran transmitidas por unas partículas de elevada masa y de vida muy corta, de ahí lasdificultades de su detección, que finalmente fueron encontradas en el laboratorio europeoCERN, a principios de los años ochenta.

Según ello, el tipo de partícula de intercambio se asocia a cada interacción. Es decir,cada interacción tiene una intensidad y un alcance concreto que la distingue de las otras,como ya hemos comentado con anterioridad. Por ejemplo, las fuerzas electromagnéticas ygravitatorias tienen un alcance infinito, mientras que las otras dos se reducen al ámbitonuclear. Pues bien, cuando el alcance es infinito los cálculos exigen que la partícula virtual deintercambio, también llamada bosón, tenga masa nula. Esto es lo que le sucede al fotón y alhipotético gravitón. Mientras menor sea el alcance, mayor es la masa requerida para el bosónde la interacción. Por eso, los bosones mayores corresponden a las fuerzas débiles, las demenor alcance.

Un símil nos puede ayudar a aclarar la razón de esas exigencias de masa. Si dospersonas intercambian un objeto pesado, serán capaces de hacerlo a mucha distanciaconforme el objeto sea más o menos pequeño. Si se intercambian un objeto grande,pongamos por caso un saco de cemento, han de estar muy cerca una de otra. Por elcontrario, si el objeto es pequeño, como una canica, se la podrán pasar una a otra aun cuandoestén alejadas.

Igual que la fuerza débil, la transmisión de la interacción nuclear fuerte se explica por elintercambio de unas partículas específicas, denominadas en este caso gluones, queresponden a una propiedad cuántica llamada color. Es decir, el gluón es el cuanto del campocolor, igual que el fotón es el cuanto de radiación electromagnética.

Basándose en las analogías existentes entre la teoría de la interacción fuerte y laelectrodinámica cuántica, se construye la llamada cromodinámica cuántica como unageneralización de las anteriores. Esta teoría es análoga a la electrodinámica, aunque difiere alpresentar ocho gluones distintos en vez de un solo fotón. Además, estos gluones, al serpartículas que tienen color, pueden interaccionar entre sí, mientras que los fotones, sin cargaeléctrica, no pueden. El nombre de cromodinámica aparece por buscar una cierta similitud conla teoría cromática, pues, al contrario que la carga eléctrica, que únicamente puede darse endos variedades, positiva y negativa, la carga color puede darse en seis: tres principales,llamadas rojo, azul y verde, y tres complementarias que poseen las antipartículas, y que sesuelen llamar antirrojo, antiazul y antiverde.


Por consiguiente y dejando a un lado las particularidades matemáticas que detallan ydescriben las diferencias entre cada tipo de interacción y que justifican una teoría distinta pararepresentar cada una de ellas, es muy evidente que todas se pueden explicar bajo un marcocomún, es decir, dos partículas materiales, con mayor o menor estabilidad según el caso,interaccionan mediante el intercambio de una partícula virtual, de existencia efímera. Lasdiferencias en la magnitud de las respectivas intensidades de cada tipo de fuerza se explicande acuerdo con la masa de la partícula de intercambio y la constante de acoplamiento.

Richard Feynman ideó un sencillo diagrama para representar la interacción de cualquiertipo entre dos partículas, donde los estados iniciales y finales de ambas se dibujan unidospor la partícula deintercambio.

La constante deacoplamiento es un númeroadimensional que mide laeficacia relativa de lainteracción y es tanto mayorcuanto más intensa sea lafuerza. Para la gravitación,el valor de dicha constantees del orden de 10-38,mucho menor que las del resto de interacciones fundamentales, por eso las fuerzasgravitatorias son prácticamente despreciables respecto a las energías que entran en juegoen la física de partículas. El supuesto gravitón, mediador de la interacción gravitatoria, ha detener necesariamente una masa nula, igual que el fotón, mediador de la fuerzaelectromagnética, ya que sus alcances son infinitos. No obstante, la constante deacoplamiento para esta última fuerza es 1/137, mucho mayor que la gravitatoria.

Si queremos representar los cuatro tipos de fuerzas obtendremos los diagramas deFeynman de la figura siguiente. En el esquema, e representa al electrón, p al protón, n alneutrón, M es una partícula cualquiera de masa M y q es alguno de los componentes de losprotones o de los neutrones.

Todo lo que sucede en el Universo es debido a la actuación de una o varias de estasfuerzas que se transmiten gracias al intercambio de un tipo distinto de partícula, de modo queasí se diferencian unas de otras. Estas partículas de intercambio o intermediarias sonbosones, es decir, tienen espín entero o nulo y obedecen a la estadística de Bose-Einstein,mientras que las partículas origen de la interacción son fermiones, esto es, partículas demateria que cumplen la estadística de Fermi-Dirac, con espín semientero. En definitiva, sonnecesarias dos formulaciones de la mecánica estadística para describir el comportamiento delas partículas cuánticas porque los fermiones y los bosones tienen propiedadessignificativamente distintas.

Los fermiones cumplen el principio de exclusión de Pauli, que afirma que dos fermionesno pueden encontrarse en el mismo estado cuántico. Esto se traduce, como sabemos, en quelos números cuánticos que se asocian a sus estados energéticos no pueden ser todos iguales,al menos uno debe ser distinto, como el espín, que puede ser positivo o negativo. Entre losfermiones se hallan loselectrones, los protones o losnúcleos de helio 3, por ejemplo.

En cambio, los bosones nocumplen el principio deexclusión de Pauli. Algunosejemplos de bosones son losfotones o los núcleos de helio 4.Mientras que en cada momentosólo puede haber un fermión enun estado cuántico determinado,pueden existir múltiples bosonesen un único estado. Ello explicala superfluidez del helio a bajastemperaturas y el fenómenoláser.


Teorías de unificación de las interaccionesEn la actualidad, las investigaciones van algo más lejos y pretenden demostrar que las

cuatro fuerzas en realidad son manifestaciones diferentes de un solo tipo básico. Esta idea escompartida al mismo tiempo por la Cosmología, de forma que, en la teoría más aceptada queexplica el origen del universo, se propone la existencia de una fuerza única después de laGran Explosión, que fue dando origen a las cuatro fuerzas conocidas en los primerosinstantes del universo.

Antes de que hubieran transcurrido menos de 10-40 segundos, parece ser que ya sehabía separado la gravitación. Después de la era inflacionaria, en torno a 10-30 segundos trasla Gran Explosión, tuvo lugar la separación de la interacción nuclear fuerte, continuandounidas todavía la fuerza nuclear débil y la electromagnética, que se diferenciaron en torno alos 10-8 segundos después del Big Bang.

Resulta increíble pensar que en mucho menos de un segundo se completó el proceso deseparación de las fuerzas. Por eso, los estudios de la física de altas energías sirven parahacer un recorrido hacia atrás en el tiempo y quizás entender qué sucedió en los primerosinstantes de su nacimiento. De ahí el interés por alcanzar una teoría del campo unificado,siguiendo el camino iniciado en la electrodinámica cuántica, que permita reunir a las nuevasteorías, de modo que dos o más de las cuatro fuerzas fundamentales aparezcan como sifueran básicamente idénticas. Una aspiración más ambiciosa es la teoría de la granunificación, el intento de reunir en un único marco teórico las interacciones nucleares y lafuerza electromagnética y la teoría del todo, la cual pretende proporcionar una descripciónunificada de las cuatro fuerzas fundamentales. Hoy día, ha ganado muchas opciones paraconvertirse en una teoría del todo la teoría de supercuerdas, cuyo desarrollo está muyavanzado.


Resumen Física NuclearNúmero atómico Z Número de protones

Número másico A Número de protones y neutrones

Energía de enlace nuclear

Defecto de masaLa masa de un núcleo en reposo es siempre menor que lasuma de las masas de los nucleones aislados que locomponen.

Para un átomo de masa atómica m,número másico A y número atómico Z m = Z mp + (A - Z) mn + Z me - m

RadiactividadLos núcleos correspondientes a átomos con número atómico superior a 83 son muy inestables ypueden fragmentarse de manera espontánea en otros núcleos más ligeros.

El número de partículas N que se desintegran en untiempo dt (velocidad con que se desintegra un cuerpo) esproporcional a número presente.

d N / d t = - N

N = No e- t donde No es la cantidad inicialy la constante de desintegración

Periodo de semidesintegración

Tiempo necesario para que el número deátomos radiactivos de una muestra sereduzca a la mitad:T = ln 2 /

Actividad radiactiva de una muestra

Número de desintegraciones por segundo: NSe mide en curies.1 curie = 3.7 1010 desintegraciones / sg =3.7 1010 Bq

Vida media = 1 /

Reacciones nucleares

La suma de los números másicos y la suma de losnúmeros atómicos deben coincidir en ambos miembros dela ecuación.

a + X ---> Y + bX (a, b) Ydonde X e Y son los núcleos pesadosinicial y final, a el proyectil y b lapartícula o núcleo emitido

Si libera energía, la reacción es exoenergética.Si absorbe energía, la reacción esendoenergética.

Emisión alfa (ley de Soddy) XZA = YZ-2

A-4 + He24 + energía

Al perder un átomo de un cuerpo radiactivo una partícula disminuye su masa atómica cuatrounidades y su número atómico dos; transformándose el elemento en otro situado dos lugares antes enla clasificación periódica.

Emisión beta (ley de Fajans) XZA = YZ+1

A + He-10 + energía

Al perder un átomo de un cuerpo radiactivo una partícula no se altera su masa atómica y su númeroatómico aumenta una unidad, transformándose el cuerpo en otro situado un lugar más avanzado en laclasificación periódica.


Espectros atómicos. Espectros de rayos XEnergía de un fotón E = h = h c /

Espectros = R1 ( 1 / n12 - 1 / n2

2)donde R1 es la constante de Rydberg R1 = 3.291 1015 Hz

1 / = R2 ( 1 / n12 - 1 / n2

2)donde R2 es la constante de Rydberg R2 = 1.097 107 m-1

Lyman n1 = 1, n2 = 2, 3, 4...

Balmer n1 = 2, n2 = 3, 4, 5...

Paschen n1 = 3, n2 = 4, 5, 6...

Brackett n1 = 4, n2 = 5, 6, 7...

Teoría de Bohr e2 / (4 o r2) = m v2 / r

r = h2 o n2 / (m e2)

Radio de Bohr ao = h2 o / (m e2)

Efecto fotoeléctrico. Dualidad onda - corpúsculo

Efecto fotoeléctrico

El = Ea + Ec

donde El = h = h c / es la energía de la luz incidenteEa es la energía para arrancar los electrones del metal = trabajo de extracciónEc es la energía cinética máxima de los fotoelectrones emitidosPotencial de detención (o de frenado): Ecmáx = e VVelocidad de una partícula de masa m y carga q acelerada con un potencial V: v= [2 q V / m ]1/2

Relación de DeBroglie

= h / p = h / (m v)donde h = 6.6 10-34 J sg es la constante de Planck y p el momento lineal de lapartícula

Unidades

Electronvoltio 1 eV = 1.6 10-19 J

Actividad radiactiva1 Bq (becquerel) = 1 desintegración / sg1 curio = curie (Ci) = 3.7 1010 Bq

Velocidad de la luz c = 3 . 108 m /sg

Algunas partículas:protón: p1

1 ; neutrón: no1

H11, H1

2, H13, He2

4, 24, -1

0, 00

Fisión nuclearUn átomo relativamente pesado sedescompone en otros más ligeros.

Fusión nuclearSe unen dos átomos para formar otro máspesado.


Apéndice 1:FluorescenciaLa fluorescencia es la luminiscencia producida por determinados minerales cuando son expuestos a la acción de ciertos rayos(rayos X, ultravioleta, visibles, catódicos y radiactivos). Estas radiaciones son transformadas por el mineral en ondas luminosasde longitud de onda mayor que la de los rayos que inciden en él. A diferencia de los casos de luminosidad fosforescente, en lafluorescente la emisión luminosa cesa en el instante en que se suprime la luz excitante. Ejemplo de minerales emisores de luzfluorescente son el ópalo, la fluorita y algunas calcitas.Cuando en una pantalla se producen escintillaciones (centelleos, destellos) alimpactar sobre ella rayos X, esa pantalla es de unmaterial fluorescente.FosforescenciaLa fosforescencia es la luminiscencia producida por un mineral durante un tiempo más o menos largo, después de que ha cesadola fuente de radiación excitadora.Ejemplo de minerales fosforescentes son la blenda y determinadas calcitas.La posición de las agujas y los números de los relojes se pueden ver en la oscuridad porque están recubiertos de una sustanciafosforescente.Usaba una sustancia fosforescente (sales de uranio) y una placa fotográfica. Envolvía la placa en papel grueso y negro para quelos rayos solares no la velaran y colocaba las sales de uranio encima. Los rayos que emitía la sal eran muy energéticos,atravesaban el papel y ennegrecían la placa. Se formaba una imagen en la placa que era la silueta del trozo de sal depositada sobreel papel

Apéndice 2:El NeutrinoEl camino que llevó a la aceptación del neutrino como ingrediente definitivo del cosmos no fue liso y sin tropiezos. El desarrollode la teoría del neutrino tomó 42 años desde la determinación del espectro de la radiación beta en 1914, hasta el descubrimientodel neutrino en 1956. Durante estos años los científicos que participaron en esta aventura se vieron enfrentados a formidablesobstáculos que los llevaron hasta el extremo de considerar el rechazo al principio de la conservación de energía.El neutrino fue originalmente una sugerencia teórica propuesta en 1930 por el eminente físico Wolfgang Pauli para aplicarle unremiendo a la venerada ley de conservación de la energía, que por esos días parecía venirse al suelo socavando los fundamentossobre los cuales se había edificado la magnífica obra que hoy llamamos física clásica. El problema surgió haciendo observacionesdel decaimiento radiactivo beta (emisión de electrones por el núcleo) al momento de medir la energía del electrón emitido. Eneste tipo de radioactividad, un núcleo atómico decae cuando uno de sus neutrones sufre una reacción espontánea en la cual seconvierte en un protón emitiendo un electrón que sale disparado fuera del núcleo como una diminuta bala. El protón queda en elnúcleo, cambiando así su identidad como elemento químico. Según este modelo la energía del electrón emitido tendría un valorfijo ya que la energía disponible (proveniente de la diferencia en masa entre el protón y el neutrón) se la reparten en proporciónfija los dos objetos producidos en la reacción.Las primeras mediciones de la energía del electrón proveniente de núcleos radiactivos indicaban un espectro monocromático.Este resultado se obtuvo observando las placas fotográficas producidas por rayos beta desviados por un campo magnético. Si loselectrones salen del núcleo con energías de todos los valores posibles se esperaría, debido a la acción del campo magnético, queéstos golpearan la placa fotográfica en puntos distribuidos en una gran área de la placa. Lo que se observó sin embargo fue unpunto preferencial donde los electrones hacían impacto. Algo similar sucede si imaginamos un cañón que dispara balas idénticassiempre con la misma energía (y si ignoramos los efectos del aire): las trayectorias de las balas, desviadas por el campogravitacional, siempre terminan en el mismo blanco. Por el contrario, si el cañón dispara las balas con diferentes energías en cadadisparo, éstas terminarán dispersas en una gran región.El fenómeno de la radiactividad apenas comenzaba a entenderse durante la primera década del siglo XX, lo cual hacía muy difícilun estudio sistemático en el cual todas las variables estaban bajo control. Para la medición del espectro de energía de la radiaciónbeta, por ejemplo, es necesario tener en cuenta la dependencia de la energía con la velocidad y los efectos producidos por laradiación alfa y gamma proveniente de las fuentes radiactivas usadas en los experimentos. Por no tener en cuenta estos factores,los resultados iniciales que indicaban un espectro monocromático de los rayos beta y que daban apoyo a la teoría del momento noeran correctos. La medición definitiva del espectro de la radiación beta la realizó James Chadwick en 1914 quien pudo determinarque efectivamente los electrones emitidos por el núcleo salen con un espectro continuo.Pauli se dio cuenta que introduciendo una tercera partícula en la reacción nuclear beta, se salvaba el principio de la conservaciónde energía y al mismo tiempo se explicaba de forma natural su espectro continuo. En este esquema la energía disponible en lareacción se distribuye de forma continua entre las tres partículas resultantes: el electrón, el neutrino y el protón. El físico italianoEnrico Fermi desarrolló en 1934 la primera teoría exitosa del decaimiento radiactivo beta incorporando la partícula propuesta porPauli, a la cual bautizó con el nombre de ‘neutrino’.


Descubrimiento del NeutrinoSi efectivamente existe el neutrino, ¿por qué no se había observado antes? La respuesta nos lleva a una propiedad fundamentaldel neutrino: este no siente la fuerza nuclear fuerte ni la electromagnética, únicamente interacciona por medio de la gravedad y lafuerza nuclear débil haciéndolo muy difícilmente detectable. Mientras que usted lee esta frase miles de millones de neutrinos hanatravesado su cuerpo y han penetrado la Tierra sin sufrir interacción alguna. Esto se debe a que la interacción nuclear débil esapenas una fracción de 1/100.000.000.000 menos fuerte que la interacción electromagnética y tiene un alcance de solo0,000000000000001 centímetros.En 1955 Frederick Reines y Clyde Cowan montaron un experimento para observar neutrinos generados por el reactor nuclear deSavannah River en Estados Unidos [1]. A pesar del inmenso flujo de neutrinos disponible (10.000.000.000.000 neutrinos porcentímetro cuadrado por segundo) y de las grandes proporciones de su detector (un tanque de 200 litros de agua tratada con pocastrazas de cadmio) Reines y Cowan solo llegaron a detectar 3 eventos por hora incluyendo ruido en sus detectores producido porrayos cósmicos. La técnica que usaron consistió en detectar los productos de la reacción inversa al decaimiento beta (ver Fig. 2).En esta reacción un neutrino le pega a un protón del blanco convirtiéndolo en un neutrón y emitiendo un positrón (la antipartículadel electrón). El positrón se aniquila rápidamente con un electrón en el medio resultando en dos partículas gama. Microsegundosmás tarde el neutrón es absorbido por uno de los núcleos de cadmio emitiendo más partículas gama. La detección en coincidenciade dos partículas gama de igual energía seguida por un pequeño pulso de partículas gama es la señal que identifica la presenciadel neutrino.

Tema9.2ºbachillerato.física

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