Fisica Nuclear. Una breve introduccion (Primera parte)

Como a muchos se que no les gusta leer mucho sobre la historia, ire mas o menos directamente al grano. Considerando el punto teorico mas importante en cuestion.

El nucleo atomico

Hoy sabemos que un átomo consta de un núcleo que porta casi la totalidad de la masa del átomo y unos electrones dispuestos en torno al núcleo de acuerdo con unas distribuciones de probabilidad que determina la física cuántica.
El núcleo del átomo no es un ente fundamental, sino que puede ser dividido en partes más pequeñas. Está formado por neutrones (sin carga eléctrica) y protones (con carga eléctrica positiva), y sabemos que estas dos partículas (llamas genéricamente nucleones) tampoco son fundamentales, sino que están compuestas de otras más pequeñas denominadas quarks.
Un elemente químico está caracterizado por el número de protones que tienes, es decir, por su carga. Pero un mismo elemento químico puede tener distinto número de neutrones, estas especies se llaman isótopos. De este modo, por ejemplo, el núcleo de hidrógeno que generalmente sólo tiene un protón, puede además tener un neutrón (llamándose Deuterio) o incluso dos (llamándose entonces Tritio). Estos núcleos suelen representarse con su símbolo y un número que indica el número de nucleones que posee, es decir, su número másico o número de neutrones + protones. Así, para el caso del hidrógeno: Hidrógeno (1H), Deuterio (2H) Tritio (3H)
Del mismo modo el elemento Uranio, cuyo isótopo mayoritario es el 238U que tiene 92 protones y 146 neutrones, puede tener también otros isótopos como el 235U con 92 protones y 143 neutrones o el 233U con 92 protones y 141 neutrones.

Radioactividad

Como hemos mencionado en la sección anterior, un mismo elemento químico tiene varios isótopos (puede tener hasta varias decenas), sin embargo únicamente dos o tres de ellos, en general, son estables. El resto son inestables y se convierten en isótopos estables mediante varios procesos radiactivos.
En la naturaleza existen aproximadamente unos 300 núcleos atómicos estables y, hasta el momento, hemos podido originar en el laboratorio, de diversas formas, más de 2000 núcleos inestables. Todo en la naturaleza tiende hacia un estado de mínima energía, u en física nuclear, eso significa que los núcleos inestables (que tienen un exceso de energía) tratan a toda costa de convertirse en núcleos estables mediante procesos radiactivos. Existen, básicamente, cuatro procesos radiactivos en la naturaleza: la radiación alfa, la radiación beta, la radiación gamma y la fisión.
La radiación beta consiste en la emisión de electrones por parte del núcleo inestable; la radiación alfa consiste en la emisión de núcleos de Helio (2 protones y 2 neutrones), mientras que la radiación gamma consiste en la emisión de ondas electromagnéticas de la misma naturaleza que la luz que vemos a diario, pero de mucha más energía.

Fisión y fusión

La fisión y la fusión nuclear son dos procesos antagónicos que, sin embargo, tienen algo en común: ambos liberan grandes cantidades de energía susceptible de ser utilizable. Profundizaremos un poco más en ambos conceptos a continuación, comenzando por la fusión.

Fusión Nuclear

La fusión nuclear es un proceso mediante el cual dos núcleos atómicos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado, con la particularidad de que su masa es inferior a la suma de las masas de los dos núcleos iniciales. Según la famosa ecuación que debemos a Einstein la energía y la masa son la misma cosa: E=mc2. Por tanto, si el núcleo final tiene menos masa que los dos núcleos iniciales, ese defecto de masa se ha
transformado en energía liberada, energía que podemos aprovechar del mismo modo que lo hacemos con la combustión de combustibles fósiles. La reacción típica que tiene lugar en un reactor de fusión se da entre dos isótopos del hidrógeno que ya hemos mencionado anteriormente, el deuterio y el tritio, del siguiente modo:

Actualmente se encuentra en marcha el proyecto internacional  ITER, que llevará a cabo la construcción de un reactor nuclear de fusión en Cadarache (Francia) para demostrar la viabilidad científica y técnica de este tipo de energía.

Fisión Nuclear

Ésta es la reacción más importante y relevante en el marco de este curso, ya que las centrales nucleares actuales basan su funcionamiento en este tipo de reacciones. La fisión es un proceso nuclear mediante el cual un núcleo atómico pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, emitiendo además algunos subproductos. Estos subproductos incluyen neutrones, rayos gamma y otras especies como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones).
La fisión, como vemos, es el proceso antagónico a la fusión, pero análogamente, en la fisión se libera una gran cantidad de energía. El núcleo pesado inicial tiene una masa superior a la suma de los dos núcleos en los que se divide. Por tanto, y una vez más, ese exceso de masa se transforma en energía tal y como establece la célebre ecuación E=mc2.

La forma en la que se induce una reacción de fisión es la siguiente, se envía un neutrón con la velocidad (energía) adecuada contra un núcleo susceptible de ser fisionado (por ejemplo el isótopo del Uranio que tiene 235 nucleones, 235U). Este isótopo captura (absorbe) al neutrón y se hace altamente inestable, comenzando a vibrar y a agitarse. Finalmente el núcleo se parte en dos trozos, emitiendo además varios neutrones. Si en las inmediaciones del núcleo que ha fisionado tenemos otros núcleos susceptibles de ser fisionados, éstos pueden absorber los neutrones emitidos por el primer núcleo, a su vez emitirán nuevos neutrones que serán absorbidos por otros núcleos de 235U y así sucesivamente, teniendo lugar lo que conocemos como “Reacción en cadena”, que es la clave para el funcionamiento de las centrales nucleares, tal y como se explicará mas adelante.

Reaccion de fision en cadena

No todos los núcleos pesados tienen la capacidad de ser fisionados, solamente algunos de ellos cumplen los requisitos necesarios. Ejemplos de estos núcleos son 233U, 235U o el 239Pu.

La conquista del nucleo atomico

El primero en hacer experimentos mediante el bombardeo de núcleos de Uranio con neutrones fue el ilustre
físico italiano Enrico Fermi, sus trabajos le valieron el Premio Nobel de Física en 1938. Sus investigaciones alentaron a Otto Hahn, Lisa Meittner and Fritz Strassmann, que en 1939 demostraron que después de bombardear Uranio con neutrones, aparecían núcleos de Bario, que tenía una masa aproximadamente la mitad que el Uranio. Estos resultados crearon una gran controversia en la comunidad científica, pero fueron rápidamente corroborados por nuevos experimentos que disiparon todas las dudas al respecto. Estos trabajos le valieron a Otto Hahn el Premio Nobel de Química en 1944.
Gran parte de los científicos implicados en estas investigaciones eran de origen judío, y acabaron emigrando a Estados Unidos a medida que los regímenes totalitarios se adueñaban de sus respectivos países. Tal fue el caso de Enrico Fermi, que aprovechando la ceremonia de entrega de los Nobel escapó junto con toda su familia del fascismo de Mussolini. Este insigne físico, uno de los más grandes de la historia, condujo a su equipo de investigación a uno de los mayores logros de la historia de la Ciencia, la primera reacción nuclear en cadena autosostenida, que tuvo lugar a las 15:20 horas del día 2 de diciembre de 1942. Ese día la Humanidad logró iniciar una reacción en cadena y posteriormente detenerla, consiguiendo liberar de forma controlada la fuente de energía más poderosa del Universo.

 

Conclusiones

• El átomo consta de un núcleo central que tiene más del 99% de la masa del mismo, rodeado por electrones que orbitan alrededor del núcleo.
• El núcleo de un átomo está formado por neutrones y protones, a estas dos partículas se les llama nucleones (por ser los que conforman el núcleo).
• La energía y la masa son equivalentes, tal y como postuló Einstein en su famosa ecuación E=mc2.
• La fusión y la fisión son dos tipos de reacciones nucleares en las que se libera energía debido que los núcleos resultantes de la reacción tienen menos masa que los núcleos iniciales. La diferencia de masa se transforma en energía.
• En la fusión dos núcleos ligeros se juntan en uno de mayor masa.
• En la fisión un núcleo pesado se divide en dos de menor masa.
• La reacción de fisión nuclear es la reacción más energética del Universo.
• En la fisión se liberan, entre otras partículas, neutrones. Estos neutrones pueden, a su vez, fisionar nuevos núcleos y crear una reacción en cadena.
• La reacción en cadena es la base del funcionamiento de las centrales nucleares.
• El primer reactor nuclear fue construido por Fermi en 1942, debajo de las gradas del estadio de la Universidad de Chicago.