CONCEPTOS BÁSICOS DE FÍSICA NUCLEAR
La teoría atómico-molecular fue establecida a principios del siglo XIX; Dalton, Avogado y Proust fueron sus principales artífices. Según ella, la materia es discontinua, de tal modo que la menor parcela que se puede obtener de un cuerpo es una molécula. Las moléculas, a su vez, pueden dividirse en unas entidades menores denominadas átomos; las moléculas de los cuerpos simples están formadas por átomos iguales entre sí, mientras que las moléculas de los cuerpos compuestos están formadas por átomos de dos o más clases. También afirmaba esta teoría que los átomos eran indivisibles, a lo que alude su nombre ("átomos" significa "no divisible" en griego), y que todos los átomos de un mismo elemento eran iguales. Por lo tanto, podemos definir un átomo como "la parte más pequeña y eléctricamente neutra de que está compuesto un elemento químico y que puede intervenir en las reacciones químicas sin perder su integridad". Hoy se conocen 1 07 elementos químicos distintos, algunos de los cuales no existen en la naturaleza y se han obtenido artificialmente.Una serie de descubrimientos que tuvieron lugar en el último tercio del pasado siglo y primer tercio del presente obligaron a revisar esta teoría atómica: la Ley periódica de Mendeleiev, las teorías sobre la ionización y la radiactividad dieron lugar a que, primero, Rutherford y, luego, Bohr y Heisenberg establecieran el modelo atómico hoy vigente. Según este modelo el átomo no es indivisible sino que está formado por entidades más pequeñas, llamadas partículas elementales. En el átomo se pueden considerar dos partes: una central o núcleo atómico formada por protones y neutrones, y una parte externa o corteza, formada por electrones (hay tantos electrones en la corteza como protones en el núcleo, por lo cual el átomo es eléctricamente neutro), los cuales giran alrededor del núcleo a semejanza de los planetas que giran alrededor del Sol. El radio del átomo es de unos 10-8 cm, y el del núcleo es de 10-13 cm, lo que indica que la materia está casi totalmente vacía.
Hoy sabemos que los átomos no son indivisibles sino que están formados por unas partículas subatómicas, llamadas partículas elementales. Estas se pueden definir como entes físicos más simples que el núcleo atómico, y se considera que son el último constituyente de la materia.Las tres partículas elementales que entran a formar parte del átomo son: el electrón, el protón y el neutrón: el electrón posee una masa de 9,11 x 10-31 kg (aproximadamente 1/1800 de la masa del átomo de hidrógeno) y una carga negativa de 1,602 x 10-19 C (este valor se toma como unidad en física nuclear); el protón tiene una masa de 1,673 x 10-27 kg. (aproximadamente, la masa del átomo de hidrógeno) y una carga positiva igual en valor absoluto a la carga del electrón; el neutrón tiene una masa ligeramente inferior al protón y carece de carga eléctrica. Hoy se sabe que el protón y el neutrón no son esencialmente distintos, sino que son dos estados de una misma partícula denominada nucleón, de tal modo que un neutrón puede desintegrarse en un protón más un electrón, sin que ello signifique que el electrón existiese anteriormente sino que se forma en el momento de la desintegración. Análogamente, un protón puede transformarse en un neutrón para lo que ha de emitir un electrón positivo (positrón)
Otra partícula de gran importancia en física nuclear es el neutrino, que, aunque carece de masa y de carga, posee energía y cantidad de movimiento. La existencia del neutrino se dedujo a partir de consideraciones teóricas que hacían necesaria la existencia de esta partícula si determinados procesos subatómicos habían de cumplir las leyes de la física.
El estudio de la radiación cósmica, así como los experimentos que se llevan a cabo en los aceleradores de partículas, han permitido comprobar la existencia de un número mucho mayor de partículas elementales, todas ellas de vida efímera, es decir, que se desintegran en otras; estas partículas han recibido los nombres de muones, tauones, mesones, hiperones. El número de partículas elementales descubiertas hasta la fecha rebasa el centenar.
También se sabe que además de cada partícula existe la antipartícula correspondiente, la cual posee la misma masa que ella e igual carga pero de signo contrario. Así, el antiprotón es una partícula con la misma masa que el protón pero cuya carga es una unidad negativa; el antielectrón (que recibe el nombre de positrón) es igual que un electrón con carga positiva. Las antipartículas tienen una vida muy corta, ya que cuando se encuentran con una partícula se aniquilan liberando energía.
Una especie atómica viene definida por dos números enteros: el número de protones que hay en el núcleo y el número total de protones más neutrones. El primero, llamado número atómico, Z, define el elemento químico al que pertenece el átomo; es decir, independientemente del número de neutrones que posean, todos los átomos que tienen un protón son átomos de hidrógeno, todos los que tienen ocho protones son átomos de oxígeno, etc. El segundo número, denominado número másico, A, es el número entero más próximo a la masa (expresada en unidades de masa atómica) del átomo en cuestión; es decir, todos los átomos con A igual a 2 tienen una masa de, aproximadamente, 2 unidades másicas; los que tienen A=235, tienen una masa de unas 235 unidades de masa atómica.Ocurre que existen varias especies atómicas (o clases de átomos) que tienen el mismo número atómico pero poseen números másicos distintos. Esto significa que, dentro de cada elemento químico, existen varias especies atómicas que difieren en su masa atómica. Estas especies de un mismo elemento se llaman isótopos, nombre que alude (isos: igual; topos: lugar) a que estos átomos ocupan el mismo lugar en la tabla periódica de los elementos. Por ejemplo, el hidrógeno tiene tres isótopos: el isótopo con A = 1 , denominado protio (que carece de neutrones); el isótopo con A = 2, llamado deuterio (que posee 1 neutrón); y el isótopo con A = 3, denominado tritio (que posee 2 neutrones).
Nucleido es el nombre genérico que se aplica a todos los átomos que poseen el mismo número atómico y el mismo número másico. Simbólicamente cada nucleido se representa pordonde M es el símbolo del elemento químico al que pertenece, y A y Z, son sus números másico y atómico, respectivamente.
M Dos nucleidos que difieren en el número másico pero tienen un mismo número atómico son "especies" de un mismo elemento químico. Se dice que estos dos nucleidos son isótopos de dicho elemento. De acuerdo con estas definiciones nucleido se refiere a considerar cada especie por sí misma, mientras que el concepto isótopo implica una relación de comparación.
Ahora bien, en la práctica se suele olvidar esta distinción semántica tan sutil entre ambos vocablos, y, aunque no sea riguroso, es moneda corriente el empleo de isótopo como sinónimo de nucleido, aunque no al contrario. En esta obra, y en mor de seguir el uso, emplearemos isótopo con los dos significados: isótopo "strictu sensu" y nucleido.
La radiactividad fue descubierta por el científico francés 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 descubrió que el uranio emitía espontáneamente una radiación misteriosa. Esta propiedad del uranio - después se vería que hay otros elementos que la poseen - de emitir radiaciones, sin ser excitado previamente, recibió el nombre de radiactividad.El descubrimiento dio lugar a un gran número de investigaciones sobre el tema. Quizás las más importantes en lo referente a la caracterización de otras sustancias radiactivas fueron las realizadas por el matrimonio, también francés, Pierre y Marie Curie, quienes descubrieron el polonio y el radio, ambos en 1898.
La naturaleza de la radiación emitida y el fenómeno de la radiactividad fueron estudiados en Inglaterra por Ernest Rutherford, principalmente, y por Frederick Soddy. Como resultado pronto se supo que la radiación emitida podía ser de tres clases distintas, a las que se llamó alfa, beta, y gamma, y que al final del proceso el átomo radiactivo original se había transformado en un átomo de naturaleza distinta, es decir, había tenido lugar una transmutación de una especie atómica en otra distinta. También se dice (y esta es la terminología actual) que el átomo radiactivo ha experimentado una desintegración.
Hoy sabemos que la radiactividad es una reacción nuclear de "descomposición espontánea"; es decir, un nucleido inestable se descompone en otro más estable que él, a la vez que emite una "radiación". El nucleido hijo (el que resulta de la desintegración) 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.
Digamos, por último, que son radiactivos todos los isótopos de los elementos con número atómico igual o mayor a 84 (el polonio es el primero de ellos), y que hoy se obtienen en el laboratorio isótopos radiactivos de elementos cuyos isótopos naturales son estables; es la llamada radiactividad artificial. La primera obtención en el laboratorio de un isótopo artificial radiactivo (es decir, el descubrimiento de la radiactividad artificial) la llevó a cabo en 1934 el matrimonio francés Joliot-Curie, formado por Fréderic Joliot e lrene Curie, hija de los esposos Curie.
Al estudiar el fenómeno de la radiactividad, Rutherford descubrió que la radiación emitida por una desintegración radiactiva podía ser de tres clases: alfa, beta, y gamma; además también hay que considerar hoy la emisión de neutrones. Las leyes que rigen los distintos tipos de desintegración fueron descubiertas por Soddy y Fajans. Estas leyes son:
La desintegración de un cuerpo radiactivo es un proceso estadístico; ello quiere decir que si consideramos un determinado átomo radiactivo no podemos conocer en qué momento tendrá lugar su desintegración, pero si tomamos un número muy grande de átomos de un mismo nucleido, podemos conocer la ley que, como promedio, sigue el conjunto en su desintegración.
Se demuestra que la probabilidad de que se desintegre un átomo 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 período de semidesintegración, 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 pequeñas de segundo (isótopos de vida corta) a millones de años (isótopos de vida larga).
El término radiación se emplea genéricamente para designar la energía electromagnética o las partículas' materiales- que, a partir de un foco emisor, se propagan en el espacio. Esta propagación, en ausencia de campos que influyan sobre la radiación, es rectilínea (en forma de "rayos", a lo cual alude el nombre).Determinadas radiaciones son capaces de producir partículas cargadas (iones) a su paso por la materia, por lo que reciben el nombre genérico de radiaciones ionizantes: en unos casos la radiación está formada por partículas cargadas que poseen energía cinética suficiente para producir iones en su colisión con los átomos que encuentran a su paso (se las llama, por eso, radiaciones directamente ionizantes); en otros casos la radiación está formada por partículas no cargadas que pueden dar lugar en la materia a la liberación de partículas directamente ionizantes, por lo que reciben el nombre de radiaciones indirectamente ionizantes.
Las principales radiaciones ionizantes, son: las radiaciones alfa, beta, y gamma, los rayos X y los neutrones.
Por analogía con las reacciones químicas, se llaman reacciones nucleares las interacciones entre núcleos atómicos o entre núcleos atómicos y partículas elementales; por extensión, se incluyen también las interacciones entre partículas elementales.La primera reacción nuclear llevada a cabo en el laboratorio, la realizó Rutherford, en 1919, bombardeando el isótopo 14 del nitrógeno con partículas alfa. En la reacción se producen el isótopo 17 del oxígeno y un protón. Simbólicamente se representa por la ecuación:
N + He ® O + H
En los demás tipos de reacciones nucleares hay, en general, dos núcleos o partículas que reaccionan, para dar lugar a productos de reacción. A semejanza de lo que ocurre en una reacción química, para producir una reacción nuclear normalmente es necesario comunicar al sistema inicial una energía de activación. En la reacción se libera energía, que se manifiesta en forma de energía cinética de los productos de la reacción, acompañada en ocasiones por la producción de radiación gamma.
Una reacción nuclear puede representarse esquemáticamente en la forma: a + X ® Y + b donde X e Y son los núcleos inicial y final, a es la partícula empleada como proyectil y b la partícula emergente. Para que ocurra la reacción es necesario que la partícula a tenga una energía suficiente para producirla. En las primeras reacciones nucleares realizadas en el laboratorio se emplearon como proyectiles partículas procedentes de una desintegración radiactiva. Más adelante se construyeron los llamados aceleradores de partículas, donde la energía necesaria se obtiene mediante la acción de campos eléctricos o magnéticos.Un criterio ampliamente usado para clasificar las reacciones nucleares consiste en definirlas sobre la base de las dos partículas incidente y emergente, a y b. Así, se habla de reacciones (n, p) en las que la partícula incidente es un neutrón y la emergente un protón, etc.
Cuando no existían aún los aceleradores, se utilizaba como proyectil la radiación alfa de una desintegración radiactiva; los trabajos de Rutherford en los primeros decenios de este siglo se centraron en este tipo de reacciones. La construcción de aceleradores de partículas permitió el empleo de otros proyectiles cargados, principalmente protones. En 1934 el físico italiano Enrico Fermi concibió la idea de emplear el neutrón como proyectil y el grupo de investigadores dirigido por él estudió sistemáticamente las reacciones entre neutrones y los diversos elementos de la tabla periódica. En una de estas reacciones, la que tiene lugar entre el uranio 235 y el neutrón, en los últimos días de 1938 Otto Hahn descubrió la fisión.
Entre los tipos más importantes de reacciones nucleares debemos citar:
La energía liberada en el Sol y en las estrellas proviene de reacciones de fusión nuclear.
La fisión nuclear es una reacción que se produce mediante el bombardeo con neutrones de determinados nucleidos, denominados nucleidos fisionables. En la fisión acontece que al romperse el núcleo blanco se liberan varios neutrones con una energía 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 reacción no sea necesario continuar con el bombardeo de neutrones externos, sino que la reacción se mantenga por sí misma.Cuando una vez iniciada una reacción es capaz de mantenerse por sí sola se dice que se trata de una reacción en cadena. Según esta definición, una reacción de fisión nuclear en cadena es un proceso de fisiones nucleares sucesivas en las que todos o parte de los neutrones liberados en cada fisión originan nuevas fisiones, y así sucesivamente.
Para conocer en qué condiciones puede tener lugar la reacción de fisión nuclear en cadena, es preciso estudiar las vicisitudes que siguen los neutrones producidos en la fisión. Si imaginamos un neutrón que reacciona con un núcleo de uranio 235, dará lugar a su fisión, proceso en el que como promedio se liberan 2,5 neutrones. Una parte de los neutrones producidos dará lugar a nuevas fisiones; otra parte será absorbida por núcleos de otros elementos presentes en el sistema, sin dar lugar a fisiones; una última parte escapará al exterior, sin que tampoco origine nuevas fisiones. Si el número de neutrones del primer grupo es igual a la unidad se habrá obtenido una reacción autosostenida y con un número constante de fisiones por unidad de tiempo, ya que cada neutrón que produjo inicialmente una fisión dará lugar a otro neutrón útil para continuar el proceso. Se dice, entonces, que el sistema forma un conjunto crítico. Si el número de neutrones útiles para producir nuevas fisiones fuera mayor que la unidad, el número de fisiones por unidad de tiempo sería creciente y tendríamos un conjunto hipercrítico. Si, por el contrario, fuera menor que la unidad, la reacción decrecería con el tiempo y acabaría deteniéndose; el conjunto recibe el nombre de subcrítico.
Un conjunto será crítico, hipercrítico o subcrítico dependiendo de la proporción relativa de neutrones en cada uno de los tres grupos, lo que es función de la concentración de átomos de U235 en el medio, de la concentración y naturaleza de los restantes nucleidos presentes, y de la relación entre volumen y superficie del medio donde tiene lugar la reacción.
El hecho de que la fisión pueda dar lugar a una reacción de fisión nuclear en cadena permite que, una vez iniciada ésta, se mantenga por sí misma, lo que significa que puede obtenerse una producción de energía en régimen estacionario. La consecuencia práctica es que la fisión es una reacción nuclear que puede servir como fuente de energía para cubrir necesidades energéticas de la sociedad. Esto es semejante, en un proceso nuclear, a lo que ocurre con las reacciones químicas de combustión, que también sirven como fuentes de energía porque una vez iniciada la combustión del carbón o del petróleo, la reacción se mantiene por sí misma sin necesidad de ninguna acción exterior.
Se llama combustible nuclear cualquier material que contiene nucleidos fisionables y puede emplearse
en un reactor para que en él se desarrolle una reacción nuclear en cadena.Según esto el uranio es un combustible nuclear, como también lo es el óxido de uranio. En el primero caso nos referimos a un elemento químico, alguno de cuyos isótopos es fisionable; en el segundo, a un compuesto químico determinado que contiene tales isótopos.
Entendemos por isótopos fisionables aquellos nucleidos susceptibles de experimentar fisión. Para hablar con precisión, sería necesario especificar la energía de los neutrones que pueden hacer fisionar dicho isótopo; por ejemplo, el U238 no es fisionable por los neutrones térmicos, pero sí por los rápidos, aunque con pequeña sección eficaz. Normalmente, y a no ser que se hagan mayores precisiones, suele entenderse por isótopo fisionable cualquier nucleido que fisiona por la acción de los neutrones térmicos.
El único isótopo fisionable por neutrones térmicos que existe en la naturaleza es el uranio235. Se encuentra en una proporción del 0,711 por ciento en el uranio natural.
Hay otro isótopos fisionables que no existen en la naturaleza pero que pueden obtenerse artificialmente. Los principales son:
Existen determinados nucleidos de elementos de elevado peso atómico que reaccionan con los neutrones, capturando éstos y emitiendo después partículas beta, con la circunstancia de que el nucleido final es fisionable. Dichos nucleidos iniciales, no fisionables, son de un gran interés práctico, puesto que si se introducen dentro de un reactor nuclear sirven de materia prima para la obtención de combustible nuclear. Reciben el nombre de nucleidos fértiles y el material que los contiene el de material fértil.El torio 232 y el U-238 son los dos isótopos fértiles más importantes. Por lo tanto el torio y el uranio natural empobrecido son los dos materiales fértiles de mayor interés técnico.
El interés práctico de la fusión nuclear se encuentra en la cantidad de energía obtenida y en la abundancia de los elementos atómicos empleados, lo que le da el carácter de energía inagotable.En las reacciones nucleares de fusión se emplean elementos atómicos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos: el deuterio y el tritio. El deuterio abunda en el agua del mar en una proporción de un átomo por cada 6.500 de hidrógeno. Como además, 3/4 del planeta están cubiertos 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 isótopos del litio, material, por otro lado, abundante en la corteza terrestre (20 ppm) y en el agua del mar (0,17 ppm).
Desde el punto de vista energético, por la fusión del deuterio contenido en un litro de agua, se obtiene una energía equivalente a la producida en la combustión de 300 litros de gasolina.
