¿Qué tienen en común los reactores nucleares, la radiación y la desintegración radiactiva? ¡La física nuclear! Todos estos conceptos caen en la categoría de la física nuclear, que es la encargada de estudiar todo lo relacionado con los núcleos atómicos.
Definición de física nuclear
La física nuclear es la rama de la física que estudia las estructuras atómicas y las interacciones entre las partículas subatómicas.
Esta disciplina abarca una amplia gama de fenómenos. Veamos algunos de ellos:
Estructura atómica.
Procesos en el interior del átomo, como las desintegraciones.
Interacción entre átomos y partículas, como la fusión y la fisión.
Procesos que resultan de la interacción entre los átomos y la radiación.
Todos estos fenómenos estudian, de diferentes maneras, la estructura del átomo y su comportamiento en diferentes situaciones.
Historia de la física nuclear
Henri Becquerel observó por primera vez el fenómeno de la radiactividad, en 1896, al notar que las sales de uranio emitían una radiación penetrante. Más tarde, a principios del siglo veinte, Marie Skłodowska y su marido Pierre Curie estudiaron el comportamiento de dos elementos radiactivos: el radio y el polonio.
Por su parte, Ernest Rutherford analizó los primeros datos recabados sobre las emisiones radiactivas. Gracias a sus estudios, se dio cuenta de que los materiales radiactivos decaen (emiten radiación) a un ritmo exponencial. Más tarde, Rutherford y su alumno Frederik Soddy descubrieron cómo esta desintegración transformaba elementos pesados en otros más ligeros. La comprensión del proceso de desintegración y de emisión de radiación abrió las puertas a muchas nuevas tecnologías.
La física nuclear se utiliza en áreas como la medicina, la alimentación, la generación de energía, la monitorización, los procesos de rastreo y muchas disciplinas de la química. Todas ellas usan los resultados hallados por la física nuclear para desarrollar aplicaciones prácticas. Muchas de estas aplicaciones provienen de procesos físicos nucleares en los que se emite radiación.
La emisión de radiación es un fenómeno nuclear que se produce, principalmente, durante la desintegración de elementos inestables (radiactivos).
Ejemplos de uso de la física nuclear y la radiación
Veamos dos ejemplos de aplicaciones prácticas de la física nuclear y la radiación:
La física nuclear y la radiación pueden emplearse en métodos de rastreo, mediante el uso de isótopos metaestables. Se trata de lo que comúnmente conocemos como las tomografías, con las que los médicos detectan ciertas enfermedades en nuestro cuerpo.
En una tomografía se utilizan elementos radiactivos, que decaen en poco tiempo, para crear imágenes internas del cuerpo. Se inyectan los elementos radiactivos en el cuerpo del paciente y estos emiten una radiación que se detecta, posteriormente, mediante instrumentos especiales. Finalmente, se procesa la información recibida y se producen imágenes del interior del cuerpo.
La radiación también se emplea para generar energía, como en las centrales nucleares. En las centrales, el calor producido por la radiación se usa para generar vapor de agua, que luego es usado para mover turbinas de vapor —las cuales, a su vez, están conectadas a un generador eléctrico—.
¿Qué es la desintegración radiactiva en la física nuclear?
El punto de partida de la física nuclear es el fenómeno denominado desintegración radiactiva.
Se trata del proceso en el que un átomo libera radiación en forma de partículas u ondas electromagnéticas (fotones). Durante la desintegración, los átomos se transforman en elementos más ligeros. Con el paso del tiempo, el proceso de desintegración convierte cada sustancia radiactiva en otra.
El momento (en el tiempo) en que las sustancias han decaído hasta la mitad de su cantidad original se denomina vida media o semivida.
La desintegración radiactiva es un proceso espontáneo y estocástico (aleatorio y probabilístico), que sigue un ritmo promedio determinado. Aunque no sepamos qué átomo se desintegrará, podemos calcular aproximadamente la cantidad de sustancia que quedará después de un tiempo y el tiempo medio que tardará en desintegrarse cualquier cantidad de sustancia.
Radiación emitida durante la desintegración
Durante la desintegración radiactiva, los átomos liberan partículas alfa o beta, en función de su composición. El átomo también puede emitir fotones de alta energía (radiación gamma)
Las partículas beta son electrones/positrones de alta energía emitidos por el átomo. Si tienen carga negativa, son electrones; mientras que si tienen carga positiva, son positrones (partícula idéntica al electrón salvo por su carga eléctrica opuesta). La emisión de una u otra partícula depende del proceso concreto de desintegración.
Las partículas alfa son núcleos de helio formados por dos protones y dos neutrones.
Los rayos gamma son fotones de alta energía, con frecuencias superiores a \(1019\,\,\mathrm{Hz}\).
Debido a las leyes de conservación, a medida que el núcleo emite partículas, estas se reducen y el núcleo pierde masa. Así, un núcleo con una masa inicial \(A_1\) termina, tras un proceso de desintegración, con una masa menor \(A_2\). La masa atómica viene dada por el número de masa, con el símbolo "\(A\)".
Vida media
La desintegración de cualquier elemento es un proceso dinámico que depende del tiempo \(t\). Inicialmente, existe una cantidad de masa de sustancia \(M_0\). A medida que avanza el decaimiento, esta sustancia se transforma en otro elemento y la cantidad de masa del elemento original disminuye.
El decaimiento significa que, en cualquier tiempo mayor a \(t_0\) (el instante inicial), la masa total del elemento original es menor. Ernest Rutherford observó que esta reducción sigue lo que se denomina un decaimiento exponencial. Rutherford y Soddy lo expresaron así:
Una cantidad fija del elemento radiactivo decaerá por cada unidad de tiempo.
El proceso de desintegración se describe utilizando la ecuación de decaimiento exponencial: \[N(t)=N_0\cdot e^{-\lambda\cdot t}\]
En esta ecuación,
- \(N_0\) es la cantidad inicial de sustancia
- \(t\) es el tiempo
- \(\lambda\) es una constante que depende del isótopo en cuestión y se llama constante de decaimiento o desintegración.
Inestabilidad nuclear
Una inestabilidad dentro del núcleo del átomo, que se produce por su desequilibrio de fuerzas internas, causa el proceso de desintegración radiactiva.
El equilibrio de fuerzas en el núcleo
Un átomo tiene protones y neutrones en su núcleo:
- Los neutrones no tienen carga.
- Los protones son partículas con carga positiva, que se repelen entre sí (debido a su fuerza electrostática).
Sin embargo, existe la fuerza nuclear fuerte, que contrarresta la fuerza electrostática y actúa para mantener cohesionados los neutrones y los protones. El rol de los neutrones es mantener la estabilidad del núcleo mediante la fuerza fuerte frente a la repulsión electrostática de los protones.
Los procesos de fisión y la relación masa-energía en la física nuclear
Si midiéramos la masa de los componentes individuales que constituyen la mayor parte de la masa del átomo (los protones y los neutrones), encontraríamos que la suma de ellos tiene una masa mayor que la del propio átomo. La diferencia de masa y la energía liberada por esta diferencia desempeñan un papel fundamental en los procesos de fisión.
La energía de enlace
La energía producida por la fuerza fuerte en el núcleo se denomina energía de enlace, y es la responsable de mantener el átomo unido. Si esta energía no sobrepasa la energía producida por la repulsión de partículas, el átomo comenzará a dividirse, debido al desequilibrio de fuerzas en el núcleo. Este desequilibrio provoca la desintegración radiactiva y la emisión de radiación. Por lo tanto, hay dos escenarios posibles:
Si la energía de enlace es suficiente para mantener el átomo unido, el átomo es estable y no se desintegra.
Si la energía de enlace no es suficiente para mantener el átomo unido, se trata de un átomo inestable que necesita perder energía de interacción. Esto hace que emita radiación.
La energía de enlace también desempeña un papel importante en la equivalencia masa-energía. En este caso, la masa de un núcleo atómico es menor que la masa de todas sus partes, debido a que parte de su masa es almacenada en el enlace de unión en forma de energía.
Esta energía está relacionada, directamente, con el concepto del defecto de masa de la famosa ecuación de Einstein:
\[E=(m_i-m_f)\cdot c^2\]
Aquí,
- \(m_i\) es la suma de las masas individuales de todas las partículas que forman el núcleo.
- \(m_f\) es la masa final del núcleo atómico formado por todas estas partículas.
- \(E\) es la energía de enlace.
- \(c\) es la velocidad de la luz.
Procesos de fisión
La energía de enlace puede liberarse cuando el átomo se divide en un proceso conocido como fisión.
Elementos como el uranio pueden atravesar un proceso de fisión, en el que se convierten en un elemento más ligero y estable, pues se obtienen varios núcleos al dividir uno pesado en varios ligeros. Este proceso se aprovecha como fuente de energía controlada en los reactores nucleares.
Los procesos nucleares y el equilibrio masa-energía
Las emisiones de energía y de partículas de un núcleo atómico siguen reglas de conservación como la de la energía y la de la masa, según las cuales la masa y la energía totales —antes y después del proceso— serán iguales.
Las tres principales leyes de conservación en procesos nucleares son:
La carga eléctrica debe conservarse.
La masa debe conservarse.
La energía debe conservarse.
Nota que la masa puede transformarse en energía, y viceversa, lo cual puede entenderse como una equivalencia entre la segunda y la tercera ley. En ambos casos, la conservación de la energía y la masa se mantienen, ya que se transforman la una en la otra y se pueden concebir como un único concepto.
Interacción fotón-fotón y creación de materia
La conservación de la masa y la energía regula otros procesos —que nos parecen extraños— como la producción de pares de fotones. Se trata de un proceso en el que dos fotones de alta energía interactúan, creando dos partículas que tienen las siguientes características:
La masa de las partículas producidas depende de la energía de los fotones: los fotones de baja energía producen electrones, mientras que los de alta energía producen protones.
Las partículas producidas son partículas de materia y sus antipartículas correspondientes.
Existe un nivel de energía mínimo necesario para que se produzcan partículas.
La energía de los fotones debe ser mayor que la energía en reposo de las partículas producidas.
Como se puede suponer, este proceso también puede ser estudiado usando la ecuación de Einstein, donde \(E\) es la energía del fotón y la masa producida se puede calcular conociendo la energía, gracias a la fórmula antes mencionada.
Física Nuclear - Puntos clave
- La física nuclear es la disciplina de la física que estudia las estructuras atómicas y sus reacciones.
- La física nuclear ha producido muchas aplicaciones prácticas: e utiliza en el desarrollo de tecnologías relacionadas con la energía, la medicina, los métodos de rastreo, entre otras.
- Muchas aplicaciones de la física nuclear están relacionadas con la emisión de radiación y su detección.
- Durante la emisión de energía o masa, existen leyes de conservación que determinan la naturaleza de los procesos.
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