Radiactividad

Química. Radio. Átomo. Neutrón. Fuerzas nucleares. Defecto de masa. Fisión. Fusión

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INTRODUCCIÓN

La física nuclear es la parte de la física que estudia el núcleo atómico, las reacciones en las que intervienen tales núcleos y los aparatos y métodos para medir o producir dichas reacciones.

La primera información acerca del núcleo atómico es de 1896 al descubrir Becquerel la radiactividad natural de un modo fortuito. Un año después de que Röntgen descubriera los rayos X, mientras realizada experimentos para relacionar la fluorescencia con dichos rayos X. Más tarde confirmaron un mineral altamente radiactivo, que denominaron Polonio. Meses más tarde obtuvieron el Radio, un millón de veces más radiactivo que el uranio. A partir de entonces no se ha dejado de investigar sobre la constitución del Núcleo y del Átomo, elaborando diversas teorías acerca de su constitución.

L a primera partícula subatómica identificada fue el Electrón. Más adelante, en 1907, Thompson identificó los rayos positivos, lo que en 1920 daría lugar al descubrimiento claro del protón.

El físico norteamericano Robert A. Millikam consiguió medir la carga del electrón, que actualmente se considera de 1,602 · 10 C. A partir de la relación de Thompson, e / m, se puede deducir la masa del electrón, que es de:

Se tuvo que esperar hasta 1932 para descubrir el Neutrón, y su masa es de 1,67482 · 10 cha y de tamaño parecido al protón.

La fuerza nuclear es la que mantiene unida al núcleo, a pesar de que los protones, con carga positiva, deberían repelerse pero no ocurre así porque dicha fuerza tiene unas características realmente sorprendentes:

  • Son idénticas entre pares de nucleolos, ya sea entre protones, neutrones o entre neutrón y protón.

  • Son independientes de la carga eléctrica.

  • Son muy fuertes.

  • Tienen muy poco alcance.

  • Las fuerzas nucleares se saturan. Un nucleón no reacciona con un número ilimitado de nucleones sino con un pequeño número de ellos.

  • Son muy intensivas y atractivas entre nucleolos separadas por una distancia de 10 m, pero se convierten en repulsivas si los nucleolos se acercan más entre sí.

En la figura 209 se representa un diagrama fuerza nuclear-distancia entre nucleolos, representándola positiva cuando es repulsiva y negativa cuando es atractiva.

DEFECTO DE MASA.

Energía de enlace nuclear

La masa total del deuterio H es 2,014102 u.m.a., pero al intentar calcularla a partir de las partículas que lo integran, un protón, un neutrón y un electrón, se obtiene un resultado distinto:

Masa del protón: 1,00758 u.m.a

Masa del neutrón: 1,00893 u.m.a

Masa del electrón: 0,00055 u.m.a

Masa total de las partículas: 2,01706 u.m.a

Masa del deuterio: -2,01410 u.m.a

Diferencia de masa: 0,00296 u.m.a

El deuterio es inferior en 0,00296 u.m.a, que representan 2,755 MeV, a la masa de las partículas que lo integran. Esta cantidad se denomina Defecto de masa del deuterio.

FUERZAS NUCLEARES

Se ha dicho que el núcleo está fuertemente unido y que es difícil separar de él un nucleón, debido a la energía de ligadura. La fuerza responsable de esta energía de enlace tan grande se denomina Fuerza nuclear. La determinación de las características de dicha fuerza es uno de los problemas fundamentales de física nuclear.

En física se conocen cuatro tipos de fuerzas: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte.

La fuerza de atracción entre neutrones o protones sería debida a un intercambio de meson:

Mientras que la fuerza entre protón y neutrón sería el resultado de intercambios:

*los mesones son nucleones que pueden ser neutros, positivos o negativos ( )

MODELOS NUCLEARES

Hay dos tipos de modelos nucleares: el modelo de la gota líquida y modelo de las capas concéntricas.

Modelo de la gota líquida

Se considera el núcleo formado por nucleones mezclados al azar como moléculas del agua en una gota. Este modelo fue propuesto por Bohr en 1936 y su fundamento parece estar en la densidad casi uniforme de todos los núcleos de los elementos, que es el del orden de 10 gr/cm.

Modelos de capas concéntricas.

Fue ideado en 1950 por Mayer y considera que los nucleones están situados en capas dentro del núcleo, del mismo modo que en el modelo de Bohr los electrones están colocados en la corteza del átomo, con la diferencia que ahora no hay ningún objeto físico que haga de núcleo atómico. Este modelo se explica con los de nominados números mágicos: número de rareza, de paridad, de encanto, etc. La idea principal es que cuando un núcleo tiene un número de protones o neutrones igual a 2, 8, 20, 50, 82 o 126, presentan gran estabilidad; se dice entonces que las capas están completas como se hacía con los niveles de electrones de un átomo.

Son doblemente mágicos, en lo referente a los protones y los neutrones, el

Otros elementos estables son:

REACCIONES NUCLEARES

Las reacciones nucleares artificiales tienen lugar cuando los núcleos, venciendo la repulsión electrostática, quedan muy cerca uno del otro, produciéndose un reagrupamiento de los nucleones.

Normalmente se bombardea un núcleo con un proyectil ligero, un deuterón o partícula alfa, ya que para vencer la repulsión electrostática entre núcleos pesados se necesitaría una gran energía cinética. Los neutros son especialmente atractivos como proyectiles, pues al no tener carga no están sujetos a la repulsión electrostática.

En las reacciones nucleares como son choques aislados, es decir, sin ninguna fuerza exterior, deberá conservarse la cantidad de movimiento total del sistema. Deberá conservarse también la carga, así como se deberá conservar el número de nucleolos.

Pero hay que resaltar que en las reacciones nucleares no se conserva la masa, es decir, que la suma de las masas de los átomos reaccionantes no coincide con la de los productos resultantes.

Hay dos tipos de reacciones en los que se libera energía de ligadura: en la fisión nuclear, que consiste en dividir núcleos pesados en núcleos de masa media, y la fusión nuclear, que combina núcleos ligeros dando lugar a un núcleo de masa mayor. Se puede afirmar que cuando la energía de ligadura total de los productos es mayor que la de los reactivos, se libera energía.

FISIÓN

En 1939 los alemanes Hahn y Stassman bombardearon uranio con neutrones obteniendo dos átomos casi iguales, neutrones y rayos Y. Los dos átomos obtenidos pueden pertenecer a unos 20 isótopos distintos pero comprendidos entre los números atómicos 34 y 58. Una posible reacción sería:

En cada fisión se producen 2 o 3 neutrones de gran energía cinética (neutrones rápidos), y si alguno de ellos alcanza otro núcleo de uranio se repite la fisión; continuando el proceso se producirá una reacción en cadena. Cuando un neutrón alcanza un núcleo de uranio debe tener la energía cinética apropiada por lo que debe ser frenado por un moderador (grafito, agua pesada...) para convertirlo en un neutrón lento, denominado neutrón térmico.

Una central nuclear está constituida básicamente por el núcleo de la central, donde se produce la reacción nuclear. El núcleo está integrado por:

-Combustible: normalmente U que no es fisionable, pero captura neutrones para evitar la reacción en cadena, enriquecido con U que sí es fácilmente fisionable.

-Moderador: normalmente grafito o agua pesada, que reduce la velocidad de los neutros para que sean capaces de producir nuevas fisiones

-Elementos de control: tienen por objeto absorber neutrones.

-Circuito primario de refrigeración: circuito por el que circula agua y extrae energía del interior del núcleo al exterior a una temperatura de unos 250ºC.

FUSIÓN

En este tipo de reacciones, la energía proviene de dos núcleos ligeros, que se fusionan para dar lugar a otro más pesado. La energía de ligadura del núcleo producto es mayor que la de los iniciales.

La ciencia investiga además por otros caminos para desarrollar la fusión, como puede ser el de la fusión fría.

Se cree que la fusión es la responsable de la formación de los elementos químicos hoy existentes.

APLICACIONES DE LA

ENERGÍA NUCLEAR

Se pueden usar de distintas maneras:

  • Como radiación directa para esterilizar alimentos, tratar tumores, etc.

  • Enviando radiación sobre un blanco y analizando la radiación reflejada, para el estudio de materiales, estructura de compuestos, etc.

  • Aprovechando un núcleo radiactivo tiene las mismas propiedades fisicoquímicas que uno que no lo sea, pero que mediante sistemas de detección apropiados, es posible seguir la traza en diversos procesos.

  • Mediante la magnitud semivida se puede determinar la edad de los fósiles o materiales.