{"id":5822,"date":"2015-08-08T13:26:59","date_gmt":"2015-08-08T13:26:59","guid":{"rendered":"https:\/\/wp.rinconeducativo.org\/?recursos=nociones-basicas-de-fisica-nuclear"},"modified":"2024-12-13T12:14:15","modified_gmt":"2024-12-13T11:14:15","slug":"nociones-basicas-fisica-nuclear","status":"publish","type":"re_recurso","link":"https:\/\/rinconeducativo.org\/es\/recursos-educativos\/nociones-basicas-fisica-nuclear\/","title":{"rendered":"Nociones b\u00e1sicas de f\u00edsica nuclear"},"content":{"rendered":"\n
\u00bfQu\u00e9 es un \u00e1tomo?<\/h3>\n\n\n\n
La teor\u00eda at\u00f3mico-molecular fue establecida a principios del siglo XIX; Dalton, Avogadro y Proust fueron sus principales art\u00edfices. Seg\u00fan ella, la materia es discontinua, de tal modo que la menor porci\u00f3n que se puede obtener de un cuerpo es una mol\u00e9cula. Las mol\u00e9culas, a su vez, pueden dividirse en unas entidades menores denominadas \u00e1tomos; las mol\u00e9culas de los cuerpos simples est\u00e1n formadas por \u00e1tomos iguales entre s\u00ed, mientras que las mol\u00e9culas de los cuerpos compuestos est\u00e1n formadas por \u00e1tomos de dos o m\u00e1s clases. Tambi\u00e9n afirmaba esta teor\u00eda, que los \u00e1tomos eran indivisibles, a lo que alude su nombre (\u00ab\u00e1tomos\u00bb significa \u00abno divisible\u00bb, en griego), y que todos los \u00e1tomos de un mismo elemento eran iguales. Por lo tanto, podemos definir un \u00e1tomo como \u00abla parte m\u00e1s peque\u00f1a y el\u00e9ctricamente neutra de que est\u00e1 compuesto un elemento qu\u00edmico y que puede intervenir en las reacciones qu\u00edmicas sin perder su integridad\u00bb. Hoy se conocen m\u00e1s de 107 elementos qu\u00edmicos distintos, algunos de los cuales no existen en la naturaleza y se han obtenido artificialmente.<\/p>\n\n\n
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Una serie de descubrimientos que tuvieron lugar en el \u00faltimo tercio del pasado siglo y primer tercio del presente obligaron a revisar esta teor\u00eda at\u00f3mica: la Ley Peri\u00f3dica de Mendeleiev, las teor\u00edas sobre la ionizaci\u00f3n y la radiactividad dieron lugar a que, primero, Rutherford y, luego, Bohr y Heisenberg, establecieran el modelo at\u00f3mico hoy vigente.<\/p>\n\n\n\n
Seg\u00fan este modelo, el \u00e1tomo no es indivisible sino que est\u00e1 formado por entidades m\u00e1s peque\u00f1as, llamadas part\u00edculas elementales. En el \u00e1tomo se pueden considerar dos partes: una central o n\u00facleo at\u00f3mico formado por protones y neutrones, y una parte externa o corteza, formada por electrones (hay tantos electrones en la corteza como protones en el n\u00facleo, por lo cual el \u00e1tomo es el\u00e9ctricamente neutro), los cuales giran alrededor del n\u00facleo a semejanza de los planetas que giran alrededor del Sol. El radio del \u00e1tomo es de unos 10-8 cm, y el del n\u00facleo es de 10-13 cm, lo que indica que la materia est\u00e1 casi totalmente vac\u00eda.<\/p>\n\n\n\n
\u00bfQu\u00e9 son las part\u00edculas elementales?<\/h3>\n\n\n\n
Hoy sabemos que los \u00e1tomos no son indivisibles, sino que est\u00e1n formados por unas part\u00edculas subat\u00f3micas, llamadas part\u00edculas elementales. Estas se pueden definir como entes f\u00edsicos m\u00e1s simples que el n\u00facleo at\u00f3mico, y se considera que son el \u00faltimo constituyente de la materia.<\/p>\n\n\n\n
Las tres part\u00edculas elementales que entran a formar parte del \u00e1tomo son: el electr\u00f3n, el prot\u00f3n y el neutr\u00f3n. El electr\u00f3n posee una masa de 9,11 x 10-31 kg (aproximadamente 1\/1800 de la masa del \u00e1tomo de hidr\u00f3geno) y una carga negativa de 1,602 x 10-19 C (este valor se toma como unidad en f\u00edsica nuclear); el prot\u00f3n tiene una masa de 1,673 x 10-27 kg (aproximadamente, la masa del \u00e1tomo de hidr\u00f3geno) y una carga positiva igual en valor absoluto a la carga del electr\u00f3n; el neutr\u00f3n tiene una masa ligeramente inferior a la del prot\u00f3n y carece de carga el\u00e9ctrica. Hoy se sabe que el prot\u00f3n y el neutr\u00f3n no son esencialmente distintos, sino que son dos estados de una misma part\u00edcula denominada nucle\u00f3n, de tal modo que un neutr\u00f3n puede desintegrarse en un prot\u00f3n m\u00e1s un electr\u00f3n, sin que ello signifique que el electr\u00f3n existiese anteriormente sino que se forma en el momento de la desintegraci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n
An\u00e1logamente, un prot\u00f3n puede transformarse en un neutr\u00f3n para lo que ha de emitir un electr\u00f3n positivo (positr\u00f3n).<\/p>\n\n\n\n
Otra part\u00edcula de gran importancia en f\u00edsica nuclear es el neutrino que, aunque carece de masa y de carga, posee energ\u00eda y cantidad de movimiento. La existencia del neutrino se dedujo a partir de consideraciones te\u00f3ricas que hac\u00edan necesaria la existencia de esta part\u00edcula si determinados procesos subat\u00f3micos hab\u00edan de cumplir las leyes de la f\u00edsica.<\/p>\n\n\n\n
El estudio de la radiaci\u00f3n c\u00f3smica, as\u00ed como los experimentos que se llevan a cabo en los aceleradores de part\u00edculas, han permitido comprobar la existencia de un n\u00famero mucho mayor de part\u00edculas elementales, todas ellas de vida ef\u00edmera, es decir, que se desintegran en otras; estas part\u00edculas han recibido los nombres de muones, tauones, mesones, hiperones. El n\u00famero de part\u00edculas elementales descubiertas hasta la fecha rebasa el centenar.<\/p>\n\n\n\n
Tambi\u00e9n se sabe que adem\u00e1s de cada part\u00edcula existe la antipart\u00edcula correspondiente, la cual posee la misma masa que ella e igual carga pero de signo contrario. As\u00ed, el antiprot\u00f3n es una part\u00edcula con la misma masa que el prot\u00f3n pero cuya carga es una unidad negativa; el antielectr\u00f3n (que recibe el nombre de positr\u00f3n) es igual que un electr\u00f3n con carga positiva. Las antipart\u00edculas tienen una vida muy corta, ya que cuando se encuentran con una part\u00edcula se anulan liberando energ\u00eda.<\/p>\n\n\n\n
\u00bfQu\u00e9 son los is\u00f3topos?<\/h3>\n\n\n\n
Una especie at\u00f3mica viene definida por dos n\u00fameros enteros: el n\u00famero de protones que hay en el n\u00facleo y el n\u00famero total de protones m\u00e1s neutrones. El primero, llamado n\u00famero at\u00f3mico, Z, define el elemento qu\u00edmico al que pertenece el \u00e1tomo; es decir, independientemente del n\u00famero de neutrones que posean, todos los \u00e1tomos que tienen un prot\u00f3n son \u00e1tomos de hidr\u00f3geno, todos los que tienen ocho protones son \u00e1tomos de ox\u00edgeno, etc. El segundo n\u00famero, denominado n\u00famero m\u00e1sico. A, es el n\u00famero entero m\u00e1s pr\u00f3ximo a la masa (expresada en unidades de masa at\u00f3mica) del \u00e1tomo en cuesti\u00f3n; es decir, todos los \u00e1tomos con A igual a 2 tienen una masa de, aproximadamente, 2 unidades m\u00e1sicas; los que tienen A igual a 235, tienen una masa de unas 235 unidades de masa at\u00f3mica.<\/p>\n\n\n\n
Ocurre que existen varias especies at\u00f3micas o clases de \u00e1tomos que tienen el mismo n\u00famero at\u00f3mico, pero poseen n\u00fameros m\u00e1sicos distintos. Esto significa que, dentro de cada elemento qu\u00edmico, existen varias especies at\u00f3micas que difieren en su masa at\u00f3mica. Estas especies de un mismo elemento se llaman is\u00f3topos, nombre que alude (isos: igual; topos: lugar) a que estos \u00e1tomos ocupan el mismo lugar en la tabla peri\u00f3dica de los elementos. Por ejemplo, el hidr\u00f3geno tiene tres is\u00f3topos: el is\u00f3topo con A=1, denominado protio (que carece de neutrones); el is\u00f3topo con A=2, llamado deuterio (que posee 1 neutr\u00f3n); y el is\u00f3topo con A=3, denominado tritio (que posee 2 neutrones).<\/p>\n\n\n\n
\u00bfEl nucleido e is\u00f3topo son conceptos equivalentes?<\/h3>\n\n\n\n
Nucleido es el nombre gen\u00e9rico que se aplica a todos los \u00e1tomos que poseen el mismo n\u00famero at\u00f3mico y el mismo n\u00famero m\u00e1sico. Simb\u00f3licamente cada nucleido se representa por ZAM, donde M es el s\u00edmbolo del elemento qu\u00edmico al que pertenece, y A y Z son sus n\u00fameros m\u00e1sico y at\u00f3mico, respectivamente.<\/p>\n\n\n\n
Dos nucleidos que difieren en el n\u00famero m\u00e1sico pero tienen un mismo n\u00famero at\u00f3mico son \"especies\" de un mismo elemento qu\u00edmico. Se dice que estos dos nucleidos son is\u00f3topos de dicho elemento. De acuerdo con estas definiciones nucleido se refiere a considerar cada especie por s\u00ed misma, mientras que el concepto is\u00f3topo implica una relaci\u00f3n de comparaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n
Ahora bien, en la pr\u00e1ctica se suele olvidar esta distinci\u00f3n sem\u00e1ntica tan sutil entre ambos vocablos, y, aunque no sea riguroso, es moneda corriente el empleo de is\u00f3topo como sin\u00f3nimo de nucleido, aunque no al contrario. En esta obra, y en mor de seguir el uso, emplearemos is\u00f3topo con los dos significados: is\u00f3topo \u00abstrictu sensu\u00bb y nucleido.<\/p>\n\n\n\n
\u00bfQu\u00e9 es la radiactividad?<\/h3>\n\n\n\n
La radiactividad fue descubierta por el cient\u00edfico franc\u00e9s Antoine Henri Becquerel, en 1896. El descubrimiento tuvo lugar de una forma casi ocasional: Becquerel realizaba investigaciones sobre la fluorescencia del sulfato doble de uranio y potasio y descubri\u00f3 que el uranio emit\u00eda espont\u00e1neamente una radiaci\u00f3n misteriosa. Esta propiedad del uranio - despu\u00e9s se ver\u00eda que hay otros elementos que la poseen- de emitir radiaciones, sin ser excitado previamente, recibi\u00f3 el nombre de radiactividad.<\/p>\n\n\n\n
El descubrimiento dio lugar a un gran n\u00famero de investigaciones sobre el tema. Quiz\u00e1s las m\u00e1s importantes en lo referente a la caracterizaci\u00f3n de otras sustancias radiactivas fueron las realizadas por el matrimonio, tambi\u00e9n franc\u00e9s, Pierre y Marie Curie, quienes descubrieron el polonio y el radio, ambos en 1898.<\/p>\n\n\n\n
La naturaleza de la radiaci\u00f3n emitida y el fen\u00f3meno de la radiactividad fueron estudiados en Inglaterra por Ernest Rutherford, principalmente, y por Frederick Soddy. Como resultado pronto se supo que la radiaci\u00f3n emitida pod\u00eda ser de tres clases distintas, a las que se llam\u00f3 alfa, beta y gamma, y que al final del proceso el \u00e1tomo radiactivo original se hab\u00eda transformado en un \u00e1tomo de naturaleza distinta, es decir, hab\u00eda tenido lugar una transmutaci\u00f3n de una especie at\u00f3mica en otra distinta. Tambi\u00e9n se dice (y esta es la terminolog\u00eda actual) que el \u00e1tomo radiactivo ha experimentado una desintegraci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n
Hoy sabemos que la radiactividad es una reacci\u00f3n nuclear de \u00abdescomposici\u00f3n espont\u00e1nea\u00bb; es decir, un nucleido inestable se descompone en otro m\u00e1s estable que \u00e9l, a la vez que emite una radiaci\u00f3n. El nucleido hijo (el que resulta de la desintegraci\u00f3n) puede no ser estable, y entonces se desintegra en un tercero, el cual puede continuar el proceso, hasta que finalmente se llega a un nucleido estable. Se, dice que los sucesivos nucleidos de un conjunto de desintegraciones forman una serie radiactiva o familia radiactiva.<\/p>\n\n\n\n
Son radiactivos todos los is\u00f3topos de los elementos con n\u00famero at\u00f3mico igual o mayor a 84 (el polonio es el primero de ellos), y hoy se obtienen en el laboratorio is\u00f3topos radiactivos de elementos cuyos is\u00f3topos naturales son estables; es la llamada radiactividad artificial. La primera obtenci\u00f3n en el laboratorio de un is\u00f3topo artificial radiactivo (es decir, el descubrimiento de la radiactividad artificial), la llev\u00f3 a cabo, en 1934, el matrimonio formado por Fr\u00e9deric Joliot e Irene Curie, hija de los esposos Curie.<\/p>\n\n\n\n
\u00bfQu\u00e9 tipos hay de desintegraciones radiactivas?<\/h3>\n\n\n
\n<\/figure>\n<\/div>\n\n\n
Al estudiar el fen\u00f3meno de la radiactividad, Rutherford descubri\u00f3 que la radiaci\u00f3n emitida por una desintegraci\u00f3n radiactiva pod\u00eda ser de tres clases: alfa, beta y gamma; adem\u00e1s, tambi\u00e9n hay que considerar la emisi\u00f3n de neutrones.<\/p>\n\n\n\n
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La radiaci\u00f3n alfa (\u03b1) est\u00e1 formada por n\u00facleos del is\u00f3topo 4 del helio, es decir, est\u00e1 constituida por una radiaci\u00f3n corpuscular, en la que cada corp\u00fasculo est\u00e1 formado por dos protones y dos neutrones. Ello significa que tiene una masa at\u00f3mica de 4 unidades y una carga el\u00e9ctrica de 2 unidades positivas. Estos protones y neutrones formaban antes parte del n\u00facleo que se ha desintegrado.<\/li>\n\n\n\n
La radiaci\u00f3n beta (\u03b2) est\u00e1 constituida por electrones, lo que significa que es tambi\u00e9n de naturaleza corpuscular, en la que cada corp\u00fasculo tiene una masa at\u00f3mica de 1\/1800, aproximadamente, y una carga de 1 unidad negativa. A diferencia del caso anterior, el electr\u00f3n emergente no exist\u00eda anteriormente en el n\u00facleo, sino que procede de la transformaci\u00f3n de un neutr\u00f3n en un prot\u00f3n, que queda dentro del n\u00facleo, y el electr\u00f3n, que es eyectado.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
Posteriormente se descubri\u00f3 la radiaci\u00f3n beta positiva, semejante a la beta pero con carga positiva. Est\u00e1 formada por positrones procedentes de la transformaci\u00f3n de un prot\u00f3n en un neutr\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n
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La radiaci\u00f3n gamma (\u03b3) es de naturaleza electromagn\u00e9tica, semejante a la luz ordinaria o a la radiaci\u00f3n X, pero con mucha menor longitud de onda. Es, por lo tanto, de naturaleza ondulatoria, carente de masa en reposo y de carga. Esta radiaci\u00f3n tampoco exist\u00eda antes en el n\u00facleo, sino que es energ\u00edaque se emite como consecuencia de un reajuste energ\u00e9tico del n\u00facleo.<\/li>\n\n\n\n
En la fisi\u00f3n espont\u00e1nea, as\u00ed como en la fisi\u00f3n inducida y en otras reacciones nucleares, se produce una radiaci\u00f3n de neutrones, formada por estas part\u00edculas, con masa, por lo tanto, de 1 unidad de masa at\u00f3mica y sin carga.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
Las leyes que rigen los distintos tipos de desintegraci\u00f3n fueron descubiertas por Soddy y Fajans. Estas leyes son:<\/p>\n\n\n\n
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En la desintegraci\u00f3n alfa, puesto que se emiten dos protones y dos neutrones, el nucleido hijo tiene dos protones menos que el padre, lo que significa que ha retrocedido dos puestos en el sistema peri\u00f3dico y su masa ha disminuido en cuatro unidades.<\/li>\n\n\n\n
En la desintegraci\u00f3n beta negativa, ya que un neutr\u00f3n se transforma en un prot\u00f3n, el \u00e1tomo hijo tiene un prot\u00f3n m\u00e1s que el padre, lo que representa que avanza un puesto en el sistema peri\u00f3dico, y no var\u00eda su masa at\u00f3mica.<\/li>\n\n\n\n
La emisi\u00f3n gamma no constituye una desintegraci\u00f3n propia, sino que se produce acompa\u00f1ando a las radiaciones alfa o beta, en las desintegraciones de este tipo, o en la desexcitaci\u00f3n de nucleidos que se encontraban en un nivel energ\u00e9tico superior al normal de ese nucleido (nucleidos excitados).<\/li>\n\n\n\n
En la desintegraci\u00f3n con emisi\u00f3n de un neutr\u00f3n, el nucleido hijo es un is\u00f3topo del padre, pero posee una masa menor en una unidad.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
\u00bfQu\u00e9 ley rige el proceso de una desintegraci\u00f3n radiactiva?<\/h3>\n\n\n\n
La desintegraci\u00f3n de un cuerpo radiactivo es un proceso estad\u00edstico; ello quiere decir que si consideramos un determinado \u00e1tomo radiactivo no podemos conocer en qu\u00e9 momento tendr\u00e1 lugar su desintegraci\u00f3n, pero si tomamos un n\u00famero muy grande de \u00e1tomos de un mismo nucleido, podemos conocer la ley que, como promedio, sigue el conjunto en su desintegraci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n
Se demuestra que la probabilidad de que se desintegre un \u00e1tomo radiactivo permanece constante a lo largo del tiempo. Ello se traduce en que al desintegrarse una sustancia radiactiva, la cantidad de ella que no se ha desintegrado disminuye exponencialmente con el tiempo. Se llama per\u00edodo de semidesintegraci\u00f3n, T, al tiempo que ha de transcurrir para que la cantidad de sustancia radiactiva se haya reducido a la mitad. El valor de T puede variar entre fracciones muy peque\u00f1as de segundo (is\u00f3topos de vida corta) a millones de a\u00f1os (is\u00f3topos de vida larga).<\/p>\n\n\n\n
\u00bfQu\u00e9 son las radiaciones ionizantes?<\/h3>\n\n\n\n
El t\u00e9rmino radiaci\u00f3n se emplea gen\u00e9ricamente para designar la energ\u00eda electromagn\u00e9tica o las part\u00edculas materiales que, a partir de un foco emisor, se propagan en el espacio. Esta propagaci\u00f3n, en ausencia de campos que influyan sobre la radiaci\u00f3n, es rectil\u00ednea (en forma de \u00abrayos\u00bb, a lo cual alude el nombre).<\/p>\n\n\n\n
Determinadas radiaciones son capaces de producir part\u00edculas cargadas (iones) a su paso por la materia, por lo que reciben el nombre gen\u00e9rico de radiaciones ionizantes. En unos casos, la radiaci\u00f3n est\u00e1 formada por part\u00edculas cargadas que poseen energ\u00eda cin\u00e9tica suficiente para producir iones en su colisi\u00f3n con los \u00e1tomos que encuentran a su paso (se las llama, por eso, radiaciones directamente ionizantes); en otros casos, la radiaci\u00f3n est\u00e1 formada por part\u00edculas no cargadas que pueden dar lugar en la materia a la liberaci\u00f3n de part\u00edculas directamente ionizantes, por lo que reciben el nombre de radiaciones indirectamente ionizantes.<\/p>\n\n\n\n
Las principales radiaciones ionizantes son: las radiaciones alfa, beta y gamma, los rayos X y los neutrones. De ellas, las dos primeras son radiaciones directamente ionizantes, y las dem\u00e1s son indirectamente ionizantes.<\/p>\n\n\n\n
\u00bfQu\u00e9 son las reacciones nucleares?<\/h3>\n\n\n\n
Por analog\u00eda con las reacciones qu\u00edmicas, se llaman reacciones nucleares a las interacciones entre n\u00facleos at\u00f3micos o entre n\u00facleos at\u00f3micos y part\u00edculas elementales; por extensi\u00f3n, se incluyen tambi\u00e9n las interacciones entre part\u00edculas elementales.<\/p>\n\n\n\n
La primera reacci\u00f3n nuclear llevada a cabo en el laboratorio, la realiz\u00f3 Rutherford, en 1919, bombardeando el is\u00f3topo 14 del nitr\u00f3geno con part\u00edculas alfa. En la reacci\u00f3n se producen el Is\u00f3topo 17 del ox\u00edgeno y un prot\u00f3n. Simb\u00f3licamente, se representa por la ecuaci\u00f3n: <\/p>\n\n\n\n
714N + 24He\u2192817O+11H<\/p>\n\n\n\n
Al igual que en qu\u00edmica se considera que la descomposici\u00f3n espont\u00e1nea de una mol\u00e9cula inestable es la reacci\u00f3n qu\u00edmica m\u00e1s simple (reacci\u00f3n monomolecular), la radiactividad es el tipo m\u00e1s simple de reacci\u00f3n nuclear, y es la que se descubri\u00f3 primero.<\/p>\n\n\n\n
En los dem\u00e1s tipos de reacciones nucleares hay, en general, dos n\u00facleos o part\u00edculas que reaccionan, para dar lugar a productos de reacci\u00f3n. A semejanza de lo que ocurre en una reacci\u00f3n qu\u00edmica, para producir una reacci\u00f3n nuclear normalmente es necesario comunicar al sistema inicial una energ\u00eda de activaci\u00f3n. En la reacci\u00f3n se libera energ\u00eda, que se manifiesta en forma de energ\u00eda cin\u00e9tica de los productos de la reacci\u00f3n, acompa\u00f1ada en ocasiones por la producci\u00f3n de radiaci\u00f3n gamma.<\/p>\n\n\n\n
\u00bfC\u00f3mo se realiza una reacci\u00f3n nuclear?<\/h3>\n\n\n\n
Una reacci\u00f3n nuclear puede representarse esquem\u00e1ticamente en la forma:<\/p>\n\n\n\n
a+X\u2192Y+b<\/p>\n\n\n\n
donde X e Y son los n\u00facleos inicial y final, a es la part\u00edcula empleada como proyectil y b la part\u00edcula emergente. Para que ocurra la reacci\u00f3n es necesario que la part\u00edcula a tenga una energ\u00eda suficiente para producirla. En las primeras reacciones nucleares realizadas en el laboratorio se emplearon como proyectiles part\u00edculas procedentes de una desintegraci\u00f3n radiactiva. M\u00e1s adelante se construyeron los llamados aceleradores de part\u00edculas, donde la energ\u00eda necesaria se obtiene mediante la acci\u00f3n de campos el\u00e9ctricos o magn\u00e9ticos.<\/p>\n\n\n\n
Un criterio ampliamente usado para clasificar las reacciones nucleares consiste en definirlas sobre la base de las dos part\u00edculas incidente y emergente, a y b. As\u00ed, se habla de reacciones (n, p) en las que la part\u00edcula incidente es un neutr\u00f3n y la emergente un prot\u00f3n, etc.<\/p>\n\n\n\n
Cuando no exist\u00edan a\u00fan los aceleradores, se utilizaba como proyectil la radiaci\u00f3n alfa de una desintegraci\u00f3n radiactiva; los trabajos de Rutherford en los primeros decenios de este siglo se centraron en este tipo de reacciones. La construcci\u00f3n de aceleradores de part\u00edculas permiti\u00f3 el empleo de otros proyectiles cargados, principalmente protones. En 1934, el f\u00edsico italiano, Enrico Fermi, concibi\u00f3 la idea de emplear el neutr\u00f3n como proyectil y el grupo de investigadores dirigido por \u00e9l estudi\u00f3 sistem\u00e1ticamente las reacciones entre neutrones y los diversos elementos de la tabla peri\u00f3dica. En una de estas reacciones, la que tiene lugar entre el uranio-235 y el neutr\u00f3n, Otto Hahn descubri\u00f3 la fisi\u00f3n en los \u00faltimos d\u00edas de 1938.<\/p>\n\n\n\n
Entre los tipos m\u00e1s importantes de reacciones nucleares debemos citar:<\/p>\n\n\n\n
\n
Dispersi\u00f3n: En ellas la part\u00edcula es de la misma naturaleza que el proyectil. Todo ocurre como si \u00e9ste hubiese rebotado contra el blanco, aunque nadie podr\u00eda asegurar que la part\u00edcula emergente sea la misma que incidi\u00f3. Cuando la energ\u00eda cin\u00e9tica total de los productos originales es igual a la de los productos finales de la reacci\u00f3n se dice que se trata de una dispersi\u00f3n el\u00e1stica. Si, por el contrario, la energ\u00eda cin\u00e9tica total de los productos de reacci\u00f3n es menor que la inicial, diremos que es una dispersi\u00f3n inel\u00e1stica. En este caso, la diferencia entre ambas energ\u00edas es absorbida por el blanco, el cual queda excitado.<\/li>\n\n\n\n
Captura: En esta reacci\u00f3n la part\u00edcula incidente es absorbida por el blanco sin que se produzca ninguna part\u00edcula emergente, con la excepci\u00f3n de fotones gamma.<\/li>\n\n\n\n
Fisi\u00f3n: En este tipo de reacci\u00f3n, generalmente, un n\u00facleo pesado se rompe en dos fragmentos cuyos tama\u00f1os son del mismo orden de magnitud, lo que va acompa\u00f1ado de una emisi\u00f3n de neutrones y radiaci\u00f3n gamma, con la liberaci\u00f3n de una gran cantidad de energ\u00eda. Aunque existen casos de fisi\u00f3n espont\u00e1nea o de fisi\u00f3n por captura de un fot\u00f3n, la reacci\u00f3n se produce normalmente por la captura de un neutr\u00f3n.<\/li>\n\n\n\n
Fusi\u00f3n nuclear: Es una reacci\u00f3n entre dos n\u00facleos de \u00e1tomos ligeros en la que se produce un n\u00facleo de un \u00e1tomo m\u00e1s pesado, unido a la liberaci\u00f3n de part\u00edculas elementales y de una gran cantidad de energ\u00eda.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
La energ\u00eda liberada en el Sol y en las estrellas proviene de reacciones de fusi\u00f3n nuclear.<\/p>\n\n\n\n
\u00bfQu\u00e9 es una reacci\u00f3n de fisi\u00f3n nuclear en cadena?<\/h3>\n\n\n\n
La fisi\u00f3n nuclear es una reacci\u00f3n que se produce mediante el bombardeo con neutrones de determinados nucleidos, denominados nucleidos fisionables. En la fisi\u00f3n acontece que al romperse el n\u00facleo blanco se liberan varios neutrones con una energ\u00eda igual o superior a la de los neutrones incidentes, lo que permite que los neutrones producidos den lugar a nuevas fisiones, y los liberados en ellas a otras nuevas, etc. Con ello se puede conseguir que, una vez iniciada la reacci\u00f3n, no sea necesario continuar con el bombardeo de neutrones externos, sino que la reacci\u00f3n se mantenga por s\u00ed misma.<\/p>\n\n\n\n
Cuando una vez iniciada una reacci\u00f3n es capaz de mantenerse por s\u00ed misma se dice que se trata de una reacci\u00f3n en cadena. Seg\u00fan esta definici\u00f3n, una reacci\u00f3n de fisi\u00f3n nuclear en cadena es un proceso de fisiones nucleares sucesivas en las que todos o parte de los neutrones liberados en cada fisi\u00f3n originan nuevas fisiones, y as\u00ed sucesivamente.<\/p>\n\n\n\n
Para conocer en qu\u00e9 condiciones puede tener lugar la reacci\u00f3n de fisi\u00f3n nuclear en cadena, es preciso estudiar las vicisitudes que siguen los neutrones producidos en la fisi\u00f3n. Si imaginamos un neutr\u00f3n que reacciona con un n\u00facleo de uranio 235, dar\u00e1 lugar a su fisi\u00f3n, proceso en el que como promedio se liberan 2,5 neutrones. Una parte de los neutrones producidos dar\u00e1 lugar a nuevas fisiones; otra parte ser\u00e1 absorbida por n\u00facleos de otros elementos presentes en el sistema, sin dar lugar a fisiones; una \u00faltima parte escapar\u00e1 al exterior. Sin que tampoco origine nuevas fisiones. Si el n\u00famero de neutrones del primer grupo es igual a la unidad se habr\u00e1 obtenido una reacci\u00f3n autosostenida y con un n\u00famero constante de fisiones por unidad de tiempo, ya que cada neutr\u00f3n que produjo inicialmente una fisi\u00f3n dar\u00e1 lugar a otro neutr\u00f3n \u00fatil para continuar el proceso. Se dice, entonces, que el sistema forma un conjunto cr\u00edtico. Si el n\u00famero de neutrones \u00fatiles para producir nuevas fisiones fuera mayor que la unidad, el n\u00famero de fisiones por unidad de tiempo ser\u00eda creciente y tendr\u00edamos un conjunto hipercr\u00edtico. Si, por el contrario, fuera menor que la unidad, la reacci\u00f3n decrecer\u00eda con el tiempo y acabar\u00eda deteni\u00e9ndose; el conjunto recibe el nombre de subcr\u00edtico.<\/p>\n\n\n\n
Un conjunto ser\u00e1 cr\u00edtico, hipercr\u00edtico o subcr\u00edtico dependiendo de la proporci\u00f3n relativa de neutrones en cada uno de los tres grupos, lo que es funci\u00f3n de la concentraci\u00f3n de \u00e1tomos de U-235 en el medio, de la concentraci\u00f3n y naturaleza de los restantes nucleidos presentes, y de la relaci\u00f3n entre volumen y superficie del medio donde tiene lugar la reacci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n
\u00bfD\u00f3nde reside el inter\u00e9s pr\u00e1ctico de la fisi\u00f3n?<\/h3>\n\n\n\n
El hecho de que la fisi\u00f3n pueda dar lugar a una reacci\u00f3n de fisi\u00f3n nuclear en cadena permite que, una vez iniciada \u00e9sta, se mantenga por s\u00ed misma, lo que significa que puede obtenerse una producci\u00f3n de energ\u00eda en r\u00e9gimen estacionario. La consecuencia pr\u00e1ctica es que la fisi\u00f3n es una reacci\u00f3n nuclear que puede servir como fuente de energ\u00eda para cubrir necesidades energ\u00e9ticas de la sociedad. Esto es semejante, en un proceso nuclear, a lo que ocurre con las reacciones qu\u00edmicas de combusti\u00f3n, que tambi\u00e9n sirven como fuentes de energ\u00eda porque una vez iniciada la combusti\u00f3n del carb\u00f3n o del petr\u00f3leo, la reacci\u00f3n se mantiene por s\u00ed misma sin necesidad de ninguna acci\u00f3n exterior.<\/p>\n\n\n\n
\u00bfQu\u00e9 se entiende por combustible nuclear?<\/h3>\n\n\n\n
Se llama combustible nuclear a cualquier material que contenga nucleidos fisionables y pueda emplearse en un reactor para que en \u00e9l se desarrolle una reacci\u00f3n nuclear en cadena.<\/p>\n\n\n\n
Seg\u00fan esto, el uranio es un combustible nuclear, como tambi\u00e9n lo es el \u00f3xido de uranio. En el primer caso, nos referimos a un elemento qu\u00edmico, alguno de cuyos is\u00f3topos es fisionable; en el segundo, a un compuesto qu\u00edmico determinado que contiene tales is\u00f3topos.<\/p>\n\n\n
\n<\/figure>\n<\/div>\n\n\n
Entendemos por is\u00f3topos fisionables aquellos nucleidos susceptibles de experimentar fisi\u00f3n. Es necesario especificar la energ\u00eda de los neutrones que pueden hacer fisionar dicho is\u00f3topo; por ejemplo, el U-238 no es fisionable por los neutrones t\u00e9rmicos, pero s\u00ed por los r\u00e1pidos, aunque con peque\u00f1a secci\u00f3n eficaz. Normalmente, y a no ser que se hagan mayores precisiones, suele entenderse por is\u00f3topo fisionable cualquier nucleido que fisiona tanto por la acci\u00f3n de los neutrones t\u00e9rmicos como de los r\u00e1pidos.<\/p>\n\n\n\n
El \u00fanico is\u00f3topo fisionable que existe en la naturaleza es el uranio-235. Se encuentra en una proporci\u00f3n del 0,711 % en el uranio natural.<\/p>\n\n\n\n
Hay otros is\u00f3topos fisionables que no existen en la naturaleza pero que pueden obtenerse artificialmente. Los principales son:<\/p>\n\n\n\n
\n
El uranio-233. Se obtiene por captura de un neutr\u00f3n por un n\u00facleo de torio-232. El n\u00facleo intermedio formado sufre dos desintegraciones beta, dando lugar al mencionado U-233.<\/li>\n\n\n\n
El plutonio-239. Aunque han podido detectarse trazas de \u00e9l, se considera que no es un is\u00f3topo natural. Se forma en la captura de un neutr\u00f3n por un n\u00facleo de U-238, seguida por dos emisiones beta.<\/li>\n\n\n\n
Menor importancia que los anteriores tiene el plutonio-241. Se forma por captura de un neutr\u00f3n en el Pu-240, el cual procede, a su vez, de la captura de un neutr\u00f3n por un n\u00facleo de Pu-239.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
\u00bfQue se entiende por material f\u00e9rtil?<\/h3>\n\n\n\n
Existen determinados nucleidos de elementos de elevado peso at\u00f3mico que reaccionan con los neutrones, capturando \u00e9stos y emitiendo despu\u00e9s part\u00edculas beta, con la circunstancia de que el nucleido final es fisionable.<\/p>\n\n\n\n
Dichos nucleidos iniciales, no fisionables con neutrones t\u00e9rmicos, son de un gran inter\u00e9s pr\u00e1ctico, puesto que si se introducen dentro de un reactor nuclear sirven de materia prima para la obtenci\u00f3n de combustible nuclear. Reciben el nombre de nucleidos f\u00e9rtiles y el material que los contiene el de material f\u00e9rtil.<\/p>\n\n\n\n
El torio-232 y el uranio-238 son los dos is\u00f3topos f\u00e9rtiles m\u00e1s importantes. Por lo tanto, el torio y el uranio natural empobrecido son los dos materiales f\u00e9rtiles de mayor inter\u00e9s t\u00e9cnico.<\/p>\n\n\n\n
\u00bfD\u00f3nde radica el inter\u00e9s pr\u00e1ctico de la fusi\u00f3n nuclear?<\/h3>\n\n\n\n
El inter\u00e9s pr\u00e1ctico de la fusi\u00f3n nuclear se encuentra en la cantidad de energ\u00eda obtenida y en la abundancia de los elementos at\u00f3micos empleados, lo que le da el car\u00e1cter de energ\u00eda inagotable.<\/p>\n\n\n\n
En las reacciones nucleares de fusi\u00f3n se emplean elementos at\u00f3micos ligeros, en general el hidr\u00f3geno y sus is\u00f3topos: el deuterio y el tritio. El deuterio abunda en el agua del mar en una proporci\u00f3n de un \u00e1tomo por cada 6.500 de hidr\u00f3geno. Como, adem\u00e1s, tres cuartas partes de la Tierra est\u00e1n cubiertas por agua, se puede afirmar que las reservas son inagotables. El tritio, aunque es escaso en la naturaleza, se puede generar mediante reacciones nucleares con neutrones y con los dos is\u00f3topos del litio, material, por otro lado, abundante en la corteza terrestre (20 ppm) y en el agua del mar (0,17 ppm).<\/p>\n\n\n\n
Desde el punto de vista energ\u00e9tico, por la fusi\u00f3n del deuterio contenido en un litro de agua, se obtiene una energ\u00eda equivalente a la producida en la combusti\u00f3n de 300 litros de gasolina.<\/p>\n\n\n\n
\u00bfCu\u00e1l es la situaci\u00f3n actual de las investigaciones sobre fusi\u00f3n nuclear?<\/h3>\n\n\n\n
La fusi\u00f3n nuclear se encuentra en un estado de desarrollo tal que hasta la fecha no se ha demostrado su factibilidad tecnol\u00f3gica. Es decir, la energ\u00eda gastada para producir las reacciones de fusi\u00f3n no se ha podido recuperar en su totalidad.<\/p>\n\n\n\n
Para demostrar esta factibilidad tecnol\u00f3gica, o de ganancia energ\u00e9tica igual a la unidad, se han desarrollado dos l\u00edneas de trabajo: el confinamiento magn\u00e9tico y el inercial.<\/p>\n\n\n\n
En la fusi\u00f3n por confinamiento magn\u00e9tico se emplean campos magn\u00e9ticos para hacer que las part\u00edculas del plasma se aceleren en trayectorias alrededor de las l\u00edneas del campo magn\u00e9tico, y as\u00ed puedan reaccionar con mayor facilidad. Actualmente existen cuatro m\u00e1quinas que funcionan bajo el concepto Tokamak: JET del Euratom; TFTR de Princeton (EE.UU.), T-20 de Rusia y JT-60 de Jap\u00f3n. Los resultados m\u00e1s notables conseguidos hasta ahora se lograron en el JET, en noviembre de 1991, al obtener una potencia de 1,7 MW; posteriormente, en 1993, el TFTR lleg\u00f3 hasta los 6 MW alcanzando temperaturas de 30 millones de \u00b0C.<\/p>\n\n\n\n
El proyecto m\u00e1s avanzado de confinamiento magn\u00e9tico es el ITER (International Thermonuclear Engineering Reactor), prototipo basado en el concepto Tokamak, y en el que se espera alcanzar ganancia energ\u00e9tica superior a la unidad. El emplazamiento de Cadarache (Francia) ha sido el elegido para ser la sede del proyecto ITER.<\/p>\n\n\n\n
En la fusi\u00f3n por confinamiento inercial se emplea un l\u00e1ser o un haz de part\u00edculas para suministrar la energ\u00eda necesaria para la fusi\u00f3n de peque\u00f1as part\u00edculas de deuterio y tritio. En la actualidad se dispone de l\u00e1seres que tienen una energ\u00eda de varias decenas de kilojulios. Concretamente, los m\u00e1s importantes son: NOVA (40 kJ) del Laboratorio Nacional de Lawrence Li-vermore (Estados Unidos), GEKKO-XII (10 kJ), de la Universidad de Osaka (Jap\u00f3n), OMEGA (30 kJ) de la Universidad de Rochester (Estados Unidos), PHEBUS (3 kJ) de Francia y VOLCAN del Reino Unido. Para alcanzar la factibilidad tecnol\u00f3gica ser\u00e1 necesario incrementar su energ\u00eda en un factor 10. En este sentido, en el laboratorio citado de Livermore se ha comenzado el dise\u00f1o y construcci\u00f3n de una instalaci\u00f3n: NIF (National Ignition Facility) con una energ\u00eda entre 1,8 y 2,2 MJ. Paralelamente, Francia est\u00e1 realizando un proyecto similar: el L\u00e1ser Megajoule, que con una energ\u00eda entre 1,8 y 3,2 MJ se instalar\u00e1 en Burdeos.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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