Física nuclear

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Física nuclear

La f√≠sica nuclear es una rama de la f√≠sica que estudia las propiedades y el comportamiento de los n√ļcleos at√≥micos. La f√≠sica nuclear es conocida mayoritariamente por la sociedad por el aprovechamiento de la energ√≠a nuclear en centrales nucleares y en el desarrollo de armas nucleares, tanto de fisi√≥n como de fusi√≥n nuclear. En un contexto m√°s amplio, se define la f√≠sica nuclear y de part√≠culas como la rama de la f√≠sica que estudia la estructura fundamental de la materia y las interacciones entre las part√≠culas subat√≥micas.

Contenido

Primeros experimentos

La radiactividad fue descubierta en las sales de uranio por el físico francés Henri Becquerel en 1896.

En 1898, los científicos Marie y Pierre Curie descubrieron dos elementos radiactivos existentes en la naturaleza, el polonio (84Po) y el radio (88Ra).

En 1913 Niels Bohr publica su modelo de √°tomo, consistente en un n√ļcleo central compuesto por part√≠culas que concentran la pr√°ctica mayor√≠a de la masa del √°tomo (neutrones y protones), rodeado por varias capas de part√≠culas cargadas casi sin masa (electrones). Mientras que el tama√Īo del √°tomo resulta ser del orden del angstrom (10-10 m), el n√ļcleo puede medirse en fermis (10-15 m), o sea, el n√ļcleo es 100.000 veces menor que el √°tomo.

Ernest Rutherford en el a√Īo 1918 defini√≥ la existencia de los n√ļcleos de hidr√≥geno. Rutherford sugiri√≥ que el n√ļcleo de hidr√≥geno, cuyo n√ļmero at√≥mico se sab√≠a que era 1, deb√≠a ser una part√≠cula fundamental. Se adopt√≥ para esta nueva part√≠cula el nombre de prot√≥n sugerido en 1886 por Goldstein para definir ciertas part√≠culas que aparec√≠an en los tubos cat√≥dicos.

Durante la d√©cada de 1930, Ir√®ne y Jean Fr√©d√©ric Joliot-Curie obtuvieron los primeros nucleidos radiactivos artificiales bombardeando boro (5B) y aluminio (13Al) con part√≠culas őĪ para formar is√≥topos radiactivos de nitr√≥geno (7N) y f√≥sforo (15P). Algunos is√≥topos de estos elementos presentes en la naturaleza son estables. Los is√≥topos inestables se encuentran en proporciones muy bajas.

En 1932 James Chadwick realiz√≥ una serie de experimentos con una radiactividad especial que defini√≥ en t√©rminos de corp√ļsculos, o part√≠culas que formaban esa radiaci√≥n. Esta nueva radiaci√≥n no ten√≠a carga el√©ctrica y pose√≠a una masa casi id√©ntica a la del prot√≥n. Inicialmente se postul√≥ que fuera resultado de la uni√≥n de un prot√≥n y un electr√≥n formando una especie de dipolo el√©ctrico. Posteriores experimentos descartaron esta idea llegando a la conclusi√≥n de que era una nueva part√≠cula procedente del n√ļcleo a la que se llam√≥ neutrones.

Los cient√≠ficos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann descubrieron la fisi√≥n nuclear en 1938. Cuando se irradia uranio con neutrones, algunos n√ļcleos se dividen en dos n√ļcleos con n√ļmeros at√≥micos. La fisi√≥n libera una cantidad enorme de energ√≠a y se utiliza en armas y reactores de fisi√≥n nuclear.

Reacciones nucleares

Artículo principal: Procesos nucleares

Colisión inelástica

La f√≠sica nuclear incluye tambi√©n el estudio de las reacciones nucleares: el uso de proyectiles nucleares para convertir un tipo de n√ļcleo en otro. Si, por ejemplo, se bombardea el sodio con neutrones, parte de los n√ļcleos estables Na capturan estos neutrones para formar n√ļcleos radiactivos ¬≤Na:


\hbox{Na}\;+\;2\hbox{n}^{0}\;\to\;^{A+2}\hbox{Na}\;+\;\gamma

Estas reacciones se estudian colocando muestras dentro de los reactores nucleares para producir un flujo alto de neutrones (n√ļmero elevado de neutrones por unidad de √°rea).

Los n√ļcleos tambi√©n pueden reaccionar entre ellos pero, si est√°n cargados positivamente, se repelen entre s√≠ con gran fuerza. Los n√ļcleos proyectiles deben tener una energ√≠a lo bastante alta como para superar la repulsi√≥n y reaccionar con los n√ļcleos blanco. Los n√ļcleos de alta energ√≠a se obtienen en los ciclotrones, en los generadores de Van de Graaff y en otros aceleradores de part√≠culas.

Una reacci√≥n nuclear t√≠pica es la que se utiliz√≥ para producir artificialmente el elemento siguiente al uranio (238U), que es el elemento m√°s pesado existente en la naturaleza. El neptunio (Np) se obtuvo bombardeando uranio con deuterones (n√ļcleos del is√≥topo hidr√≥geno pesado, 2H) seg√ļn la reacci√≥n:

{}_{92}^{238}\text{U} + {}_1^2\text{H} \to\; {}_{93}^{239}\text{Np} + \hbox{n}

Colisión elástica

Desintegración nuclear

Artículos principales: Desintegración alfa, desintegración beta y radiación gamma
Véase también: Partículas elementales

Los n√ļcleos at√≥micos consisten en protones, cargados positivamente y neutrones sin carga. El n√ļmero de protones de un n√ļcleo es su n√ļmero at√≥mico, que define al elemento qu√≠mico. Todos los n√ļcleos con 11 protones, por ejemplo, son n√ļcleos de √°tomos de sodio (Na). Un elemento puede tener varios is√≥topos, cuyos n√ļcleos tienen un n√ļmero distinto de neutrones. Por ejemplo, el n√ļcleo de sodio estable contiene 12 neutrones, mientras que los que contienen 13 neutrones son radiactivos. Esos is√≥topos se anotan como {}_{11}^{23}Na y {}_{11}^{24}Na, donde el sub√≠ndice indica el n√ļmero at√≥mico, y el super√≠ndice representa el n√ļmero total de nucleones, es decir, de neutrones y protones. A cualquier especie de n√ļcleo designada por un cierto n√ļmero at√≥mico y de neutrones se le llama nucleido.

Los nucleidos radiactivos son inestables y sufren una transformación espontánea en nucleidos de otros elementos, liberando energía en el proceso (véase Radiactividad).

Esas transformaciones incluyen la desintegraci√≥n alfa, que supone la emisi√≥n de un n√ļcleo de helio ({}_{2}^{4}He^{+2}), y la desintegraci√≥n beta (que puede ser ő≤- o ő≤+). En la desintegraci√≥n ő≤- un neutr√≥n se transforma en un prot√≥n con la emisi√≥n simult√°nea de un electr√≥n de alta energ√≠a y un antineutrino electr√≥nico. En la desintegraci√≥n ő≤+ un prot√≥n se convierte en un neutr√≥n emitiendo un positr√≥n.

Por ejemplo, el 24Na sufre una desintegraci√≥n ő≤- formando el elemento superior, el magnesio:

{}_{11}^{24}Na \to\; {}_{12}^{24}Np + \beta + \bar{\nu}_e

La radiaci√≥n gamma es radiaci√≥n electromagn√©tica de alta frecuencia (y por tanto energ√≠a). Cuando se produce la desintegraci√≥n őĪ o ő≤, el n√ļcleo resultante permanece a menudo en un estado excitado (de mayor energ√≠a), por lo que posteriormente se produce la desexcitaci√≥n emitiendo rayos gamma.

Al representar la desintegración de un nucleido radiactivo se debe determinar también el periodo de semidesintegración del nucleido. El periodo de semidesintegración del {}_{11}^{24}Na, es de 15 horas. Es importante determinar el tipo y energía de la radiación emitida por el nucleido.

Fisión

Véase también: Fisión nuclear

Los conceptos de fisión y fusión nuclear difieren en las características de formación de cada uno. De esta forma se encuentra que la fisión (utilizada en las bombas y reactores nucleares) consiste en el "bombardeo" de partículas subatómicas al uranio (o a cualquier elemento transuránico, siempre y cuando sus características lo permitan), trayendo como consecuencia la fisión (de allí su nombre) del átomo y con esto la de los demás átomos adyacentes al bombardeado en reacción en cadena. Mientras que, la fusión es la unión bajo ciertas condiciones (altas presiones, altas temperaturas, altas cargas, etc.) de dos o más átomos y genera mucha más energía que la fisión.

Fusión

Véase también: Fusión nuclear

La fusión representa diversos problemas, ya que a nivel atómico las cargas de los átomos se repelen entre sí impidiendo la unión de estos, por esto se recurre generalmente a la utilización de isotópos ligeros, con menor carga eléctrica (como el hidrógeno y sus isótopos deuterio y tritio). En ciertas condiciones, definidas por los criterios de Lawson, se lograría la fusión de dichos átomos. Para ello primero se les debe convertir al estado de plasma, ionizándolos, favoreciendo a la unión. Esto se consigue mediante dos métodos básicos: el confinamiento magnético y el confinamiento inercial. Existen varias posibilidades para producir la fusión a partir de los isótopos del hidrógeno.

La energía de la fusión aun no se ha podido aprovechar con fines prácticos.

Representa algunas ventajas en relación a la fisión nuclear:

  1. Produce menos residuos nucleares.
  2. En los dise√Īos actuales se necesita un aporte exterior de energ√≠a para que la reacci√≥n en cadena se mantenga.
  3. Produce más energía por reacción.

También posee desventajas:

  1. La reacción más energética es deuterio+tritio, y el tritio es un isótopo muy escaso en la Tierra.
  2. Las condiciones necesarias son tan extremas que solo se dan en el centro de las estrellas, por lo que son muy difíciles de alcanzar y controlar.

Las técnicas conocidas de alcanzar las condiciones impuestas por los criterios de Lawson son dos:

Detección

Véase también: Detector de partículas

Análisis radioquímico como apoyo a la detección

Las part√≠culas alfa, que son emitidas normalmente por elementos con n√ļmeros at√≥micos superiores a 83, tienen la energ√≠a discreta caracter√≠stica de los nucleidos emisores. As√≠, los emisores őĪ pueden ser identificados midiendo la energ√≠a de las part√≠culas őĪ. Las muestras a medir deben ser muy delgadas porque estas part√≠culas pierden r√°pidamente energ√≠a al atravesar el material. Los rayos gamma tambi√©n tienen la energ√≠a discreta caracter√≠stica del nucleido que se desintegra, por lo que la energ√≠a de estos rayos tambi√©n puede usarse para identificar nucleidos. Puesto que los rayos gamma pueden atravesar una cantidad considerable de material sin perder energ√≠a, la muestra no tiene que ser delgada. Los espectros de energ√≠a de las part√≠culas beta (y los positrones) no son √ļtiles para identificar nucleidos porque se extienden sobre todas las energ√≠as hasta un m√°ximo para cada emisor ő≤.

Análisis mediante activación neutrónica

Con frecuencia, las t√©cnicas de f√≠sica nuclear se emplean para analizar materiales rastreando elementos presentes en cantidades muy peque√Īas. La t√©cnica utilizada se llama an√°lisis de activaci√≥n. Se irradia una muestra con proyectiles nucleares (normalmente neutrones) para convertir nucleidos estables en nucleidos radiactivos, que luego se miden con detectores de radiaci√≥n nuclear. Por ejemplo, el sodio de una muestra puede ser detectado irradiando la muestra con neutrones, y convirtiendo as√≠ parte de los n√ļcleos estables ¬ģNa en n√ļcleos radiactivos ¬≤Na; a continuaci√≥n se mide la cantidad de estos √ļltimos contando las part√≠culas ő≤ y los rayos g emitidos.

El an√°lisis de activaci√≥n puede medir (sin separaci√≥n qu√≠mica) cantidades tan peque√Īas como 1 nanogramo (10-9 g) de unos 35 elementos en materiales como el suelo, las rocas, los meteoritos y las muestras lunares. Tambi√©n puede utilizarse para analizar muestras biol√≥gicas, como la sangre y el tejido humano; sin embargo, en los materiales biol√≥gicos se pueden observar pocos elementos sin separaciones qu√≠micas.

Otras aplicaciones importantes de la física nuclear son el desarrollo de métodos para producir especies radiactivas utilizadas para la diagnosis y los tratamientos médicos. También ha desarrollado los isótopos trazadores que se usan para estudiar el comportamiento químico de los elementos, para medir el desgaste de los motores de automóviles y en otros estudios que emplean cantidades mínimas de material.


Científicos relevantes en la física nuclear

Véase también


Enlaces externos


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  • nuclear ‚ÄĒ verbo transitivo 1. Origen: Am√©rica. Reunir, agrupar (un grupo dirigente) [a personas de actividades afines]. nuclear adjetivo ‚Ķ   Diccionario Salamanca de la Lengua Espa√Īola

  • nuclear ‚ÄĒ adj. 2 g. 1.¬†Relativo a n√ļcleo (ex.: papel nuclear; sentido nuclear). 2.¬† [F√≠sica, Qu√≠mica] Relativo ao n√ļcleo do √°tomo e √† energia que dele prov√©m (ex.: f√≠sica nuclear; explos√Ķes nucleares). 3.¬† [Biologia] Relativo ao n√ļcleo da c√©lula. 4.¬†… ‚Ķ   Dicion√°rio da L√≠ngua Portuguesa

  • f√≠sica ‚ÄĒ sustantivo femenino 1. (no contable) Ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energ√≠a: Es un gran genio de la F√≠sica. f√≠sica cu√°ntica F√≠sica de los cuantos. f√≠sica nuclear F√≠sica que estudia la constituci√≥n del n√ļcleo at√≥mico ‚Ķ   Diccionario Salamanca de la Lengua Espa√Īola

  • F√≠sica ‚ÄĒ Si he logrado ver m√°s lejos, ha sido porque he subido a hombros de gigantes. Sir ‚Ķ   Wikipedia Espa√Īol

  • nuclear ‚ÄĒ ‚Ėļ adjetivo 1 Del n√ļcleo o centro: ‚Ė† la idea nuclear de la obra es el paso del tiempo. SIN√ďNIMO central nucleario 2 F√ćSICA Del n√ļcleo del √°tomo: ‚Ė† los protones y los neutrones se encuentran en la zona nuclear del √°tomo. SIN√ďNIMO ‚Ķ   Enciclopedia Universal

  • F√≠sica ‚ÄĒ ‚Ėļ sustantivo femenino F√ćSICA Ciencia que estudia las propiedades, leyes y fen√≥menos de la materia y la energ√≠a. * * * f√≠sica (del lat. ¬ęphysń≠ca¬Ľ, del gr. ¬ęphysikŠłó¬Ľ, f. de ¬ęphysik√≥s¬Ľ) 1 f. Ciencia que estudia los fen√≥menos que ocurren en la… ‚Ķ   Enciclopedia Universal

  • F√≠sica at√≥mica ‚ÄĒ Modelo de explicaci√≥n de la emisi√≥n alfa. La f√≠sica at√≥mica es un campo de la f√≠sica que estudia las propiedades y el comportamiento de los √°tomos (electrones y n√ļcleos at√≥micos). El estudio de la f√≠sica at√≥mica incluye a los iones as√≠ como a los ‚Ķ   Wikipedia Espa√Īol


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