Física Nuclear

Física Nuclear

La física nuclear trata del estudio de las propiedades y el comportamiento de los núcleos atómicos y una de las aplicaciones prácticas es el aprovechamiento de la energía nuclear en centrales nucleares y en el desarrollo de armas nucleares, tanto de fisión como de fusión nuclear.

Primeros experimentos
En 1896, Henri Becquerel, descubrió que el uranio emitía radiación. Poco después del descubrimiento de Becquerel, Marie Curie empezó a estudiar la radioactividad y completó en gran medida el primer trabajo sobre cambios nucleares. Curie descubrió que la radiación era proporcional a la cantidad de elementos radioactivos presentes, y propuso que la radiación era una propiedad de los átomos (no era una propiedad química de un compuesto). Marie Curie fue la primera mujer en ganar el Premio Nobel y la primera persona en ganar dos (el primero, compartido con su esposo Pierre Curie y con Becquerel por descubrir la radioactividad; y el segundo por descubrir los elementos radioactivos radio y polonio).

Radiación y reacciones nucleares
En 1902, Frederick Soddy propuso que:

La radioactividad es el resultado de un cambio natural de un isotopo de un elemento hacia un isotopo de un elemento diferente.

Las reacciones nucleares incluyen cambios en las partículas del núcleo de un átomo y por consiguiente causan un cambio en el átomo mismo. Todos los elementos más pesados que el bismuto (Bi) (y algunos más livianos) exiben una radioactividad natural y por consiguiente pueden 'decaer' hacia elementos más livianos. Al contrario que las reacciones químicas normales que forman moléculas, las reacciones nucleares resultan en la transmutación de un elemento en un isotopo diferente o en un elemento diferente (recuerde que el número de protones de un átomo define el elemento, por lo tanto un cambio de un protón resulta en un cambio de un átomo). Hay tres tipos comunes de radiación y cambios nucleares:

1. La Radiación Alpha (α) es la emisión de una partícula alpha del núcleo de un átomo de un elemento radiactivo. Una partícula α contiene 2 protones y 2 neutrones (y es similar a un núcleo un átomo de helio: ). Un ejemplo de una transmutación α tiene lugar cuando el uranio (U) decae hacie el elemento torio (Th) emitiendo una partícula alpha tal como se ve en la siguiente ecuación:
En general, si el nucleo de un átomo de un elemento radiactivo emite una partícula α, se origina un nuevo elemento cuya masa atómica ha disminuido en cuatro unidades (ya que 2 protones y 2 neutrones están perdidos) y su número atómico disminuye en 2 unidades (Ley de Soddy). Se dice que el elemento se 'transmuta' en otro elemento que es 2 unidades más pequeño.Nota: los símbolos de los elementos tradicionalmente van precedidos de su peso atómico A (arriba a la derecha) y el número atómico Z (arriba a la izquierda).


2. La Radiación Beta β es la emisión de un electrón del núcleo de un átomo de un elemento producto de la transmutación de un neutrón en un protón. Un ejemplo de un proceso en donde se emite una partícula β se da en la transmutación de un isotopo del carbono 14 en el elemento nitrogeno siguiente:

En general, cuando un átomo emite una partícula β, la masa del átomo no cambiará (puesto que no hay cambio en el número total de partículas nucleares), sin embargo el número atómico aumentará en l (porque el neutrón se transmutó en un protón adicional).

3. La Radiación Gamma (γ) incluye la emisión de energía electromagnética (similar a la energía proveniente de la luz) de un núcleo de un átomo. Ninguna partícula es emitida durante la radiación gamma, y por consiguiente la radiación gamma no causa en sí misma la transmutación de los átomos. Sin embargo, la radiación gamma es emitida generalmente durante, y simultáneamente, a la disminución radioactiva α o β. Los rayos X, emitidos durante la disminución beta del cobalto-60, son un ejemplo común de la radiación gamma.

Las Reacciones Nucleares Artificiales
Mientras que muchos elementos experimentan disminución radioactiva naturalmente, las reacciones nucleares puede también ser estimuladas artificialmente. Hay dos tipos de reacciones nucleares artificiales.

1. La Fisión Nuclear: son reacciones en las cuales un núcleo de un átomo se divide en partes más pequeñas, soltando una gran cantidad de energía en el proceso. Comúnmente esto ocurre al 'lanzar' un neutrón en el núcleo de un átomo. La energía del neutrón en forma de 'bala' provoca la división del blanco en dos (o más) elementos que son menos pesados que el átomo original.
   Durante la fisión de U235, tres neutrones son soltados adicionalmente a los dos átomos resultantes. Si estos neutrones chocan con núcleos U235 vecinos, ellos pueden estimular la fisión de estos átomos y empezar una reacción en cadena nuclear autónoma. Esta reacción en cadena es la base del poder nuclear. A medida que los átomos de uranio siguen dividiéndose, la reacción libera una significativa cantidad de energía. El calor liberado durante esta reacción es recogido y usado para generar energía eléctrica.


2. La Fusión Nuclear: son reacciones en las cuales dos o más elementos se 'fusionan' para formar un elemento más grande, soltando energía en este proceso. Un buen ejemplo es la fusión de dos isótopos de hidrógeno 'pesado' (deuterio: H2 y tritio: H3) en el elemento helio.
   Las reacciónes de fusión liberan enormes cantidades de energía y son comúnmente referidas como reacciones termonucleares. A pesar que mucha gente piensa que el sol es una gran bola de fuego, el sol (y todas las estrellas) son en realidad enormes reactores de fusión. Las estrellas son esencialmente gigantes bolas de gas de hidrógeno bajo tremenda presión debido a las fuerzas gravitacionales. Las moléculas de hidrógeno son fusionadas en helio y elementos más pesados dentro de las estrellas, soltando energía que recibimos como luz y calor.

A continuación les invito a visualizar un documental titulado Otto Hahn y la fisión nuclear.

Como comentamos, la fisión nuclear ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía).

Otto Hahn, (Fráncfort, Alemania 8 de marzo de 1879- † 28 de julio de 1968) fue un químico alemán que ganó el Premio Nobel de Química en 1944 por sus trabajos pioneros en el campo de la radiactividad.

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