Física nuclear

Física nuclear
	rama de la física

La física nuclear ye una caña de la física qu'estudia les propiedaes y el comportamientu de los nucleos atómicos. Nun contestu más ampliu, defínese la física nuclear y de partícules como la caña de la física qu'estudia la estructura fundamental de la materia y les interacciones ente les partícules subatómiques. Coles mesmes, la física nuclear ye conocida mayoritariamente pola sociedá, pol aprovechamientu de la enerxía nuclear en centrales nucleares y nel desenvolvimientu d'armes nucleares, tantu de fisión nuclear como de fusión nuclear.

Primeros experimentos

La radioactividá foi afayada nos sales d'uraniu pol físicu francés Henri Becquerel en 1896.

En 1898, los científicos Marie y Pierre Curie afayaron dos elementos radiactivos esistentes na naturaleza, el poloniu (₈₄Po) y el radiu (₈₈Ra).

En 1913 Niels Bohr publicó'l so modelu d'átomu, consistente nun nucleu central compuestu por partícules que concentren la práutica mayoría de la masa del átomu (neutrones y protones), arrodiáu per delles capes de partícules cargaes cuasi ensin masa (electrones). Ente que el tamañu del átomu resulta ser del orde del angstrom (10^-10 m), el nucleu puede midise en fermis (10^-15 m), esto ye, el nucleu ye 100 000 vegaes menor que l'átomu.

Ernest Rutherford nel añu 1918 definió la esistencia de los nucleos d'hidróxenu. Rutherford suxirió que'l nucleu d'hidróxenu, que'l so númberu atómicu sabíase que yera 1, tenía de ser una partícula fundamental. Adoptar pa esta nueva partícula'l nome de protón suxeríu en 1886 por Goldstein pa definir ciertes partícules qu'apaecíen nos tubos catódicos.

Mientres la década de 1930, Irène y Jean Frédéric Joliot-Curie llograron los primeres nucleidos radiactivos artificiales bombardiando boru (₅B) y aluminiu (₁₃Al) con partícules α pa formar isótopos radiactivos de nitróxenu (₇N) y fósforu (₁₅P). Dellos isótopos d'estos elementos presentes na naturaleza son estables. Los isótopos inestables atópase en proporciones bien baxes.

En 1932 James Chadwick realizó una serie d'esperimentos con una radioactividá especial que definió en términos de corpúsculos, o partícules que formaben esa radiación. Esta nueva radiación nun tenía carga llétrica y tenía una masa cuasi idéntico a la del protón. Primeramente postulóse que fuera resultáu de la unión d'un protón y un electrón formando una especie de dipolo llétricu. Posteriores esperimentos refugaron esta idea llegando a la conclusión de que yera una nueva partícula procedente del nucleu a la que se llamó neutrones.

Los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann afayaron la fisión nuclear en 1938. Cuando s'irradia uraniu con neutrones, dellos nucleos estremar en dos nucleos con númberos atómicos. La fisión llibera una cantidá enorme d'enerxía y utilízase n'armes y reactores de fisión nuclear.

Reacciones nucleares

Choque inelástica

La física nuclear inclúi tamién l'estudiu de les reacciones nucleares: l'usu de proyeutiles nucleares pa convertir un tipu de nucleu n'otru. Si, por casu, se bombardia el sodiu con neutrones, parte de los nucleos estables Na prinden estos neutrones pa formar nucleos radiactivos ²Na:

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

Estes reacciones estúdiense asitiando muestres dientro de los reactores nucleares pa producir un fluxu alto de neutrones (númberu eleváu de neutrones per unidá d'área).

Los nucleos tamién pueden reaccionar ente ellos pero, si tán cargaos positivamente, se repelen ente sigo con gran fuercia. Los nucleos proyeutiles tienen de tener una enerxía lo bastante alta como pa superar la repulsión y reaccionar colos nucleos blancu. Los nucleos d'alta enerxía llograr nos ciclotrones, nos xeneradores de Van de Graaff y n'otros aceleradores de partícules.

Una reacción nuclear típica ye la que s'utilizó pa producir artificialmente l'elementu siguiente al uraniu (²³⁸O), que ye l'elementu más pesáu esistente na naturaleza. El neptuniu (Np) llogróse bombardiando uraniu con deuterones (nucleos del isótopu hidróxenu pesáu, ²H) según la reacción:

${}_{92}^{238}{\text{O}}+{}_{1}^{2}{\text{H}}\to \;{}_{93}^{239}{\text{Np}}+{\hbox{n}}$

Choque elásticu

Desintegración nuclear

Los nucleos atómicos consisten en protones, cargaos positivamente y neutrones ensin carga. El númberu de protones d'un nucleu ye'l so númberu atómicu, que define al elementu químicu. Tolos nucleos con 11 protones, por casu, son nucleos d'átomos de sodiu (Na). Un elementu puede tener dellos isótopos, que los sos nucleos tienen un númberu distintu de neutrones. Por casu, el nucleu de sodiu estable contién 12 neutrones, ente que los que contienen 13 neutrones son radiactivos. Esos isótopos anótense como ${}_{11}^{23}Na$ y ${}_{11}^{24}Na$ , onde'l subíndice indica'l númberu atómicu, y el superíndice representa'l númberu total de nucleones, esto ye, de neutrones y protones. A cualquier especie de nucleu designada por un ciertu númberu atómicu y de neutrones llámase-y nucleido.

Los nucleidos radiactivos son inestables y sufren un tresformamientu bonal en nucleidos d'otros elementos, lliberando enerxía nel procesu.

Esos tresformamientos inclúin la desintegración alfa, que supón la emisión d'un nucleu d'heliu ( ${}_{2}^{4}He^{+2}$ ), y la desintegración beta (que puede ser β^- o β⁺). Na desintegración β^- un neutrón tresformar nun protón cola emisión simultánea d'un electrón d'alta enerxía y un antineutrino electrónicu. Na desintegración β⁺ un protón convertir nun neutrón emitiendo un positrón.

Por casu, el ²⁴Na sufre una desintegración β^- formando l'elementu cimeru, el magnesiu:

${}_{11}^{24}Na\to \;{}_{12}^{24}Mg+\beta +{\bar {\nu }}_{y}$

La radiación gamma ye radiación electromagnético d'alta frecuencia (y por tanto enerxía). Cuando se produz la desintegración α o β, el nucleu resultante permanez de cutiu nun estáu escitáu (de mayor enerxía), polo que darréu se produz la desexcitación emitiendo rayu gamma.

Al representar la desintegración d'un nucleido radiactivu tien de determinase tamién el periodu de semidesintegración del nucleido. El periodu de semidesintegración del ${}_{11}^{24}Na$ , ye de 15 hores. Ye importante determinar el tipu y enerxía de la radiación emitida pol nucleido.

Fisión

Los conceutos de fisión y fusión nuclear difieren nes carauterístiques de formación de cada unu. D'esta forma atópase que la fisión (utilizada nes bombes y reactores nucleares) consiste nel "bombardéu" de partícules subatómiques al uraniu (o a cualquier elementu transuránico, siempres y cuando les sos carauterístiques dexar), trayendo de resultes la fisión (d'ellí'l so nome) del átomu y con esto la de los demás átomos axacentes al bombardiáu en reacción en cadena. Ente que, la fusión ye la unión so ciertes condiciones (altes presiones, altes temperatures, altes cargues, etc.) de dos o más átomos y xenera muncha más enerxía que la fisión.

Fusión

La fusión representa diversos problemes, yá que a nivel atómicu les cargues de los átomos se repelen ente sigo torgando la unión d'estos, por esto recúrrese xeneralmente al usu d'isótopos llixeros, con menor carga llétrica (como l'hidróxenu y los sos isótopos deuteriu y tritiu). En ciertes condiciones, definíes polos criterios de Lawson, llograríase la fusión de dichos átomos. Pa ello primero débese-yos convertir al estáu de plasma, ionizándolos, favoreciendo a la unión. Esto consíguese por aciu dos métodos básicos: el confinamientu magnéticu y el confinamientu inercial. Esisten delles posibilidaes pa producir la fusión a partir de los isótopos del hidróxenu.

La enerxía de la fusión entá nun se pudo aprovechar con fines práuticos.

Representa delles ventayes en rellación a la fisión nuclear:

Produz menos residuos nucleares.
Nos diseños actuales precísase un apurra esterior d'enerxía por que la reacción en cadena calténgase.
Produz más enerxía per reacción.

Tamién tien desventaxes:

La reacción más enerxética ye deuteriu+tritiu, y el tritiu ye un isótopu bien escasu na Tierra.
Les condiciones necesaries son tan estremes que solo se dan nel centru de les estrelles, polo que son bien difíciles d'algamar y controlar.

Les téuniques conocíes d'algamar les condiciones impuestes polos criterios de Lawson son dos:

El confinamientu magnéticu, principalmente en tokamaks como'l ITER.
El confinamientu inercial, por aciu l'usu de láseres o aceleradores de partícules, como por casu nel National Ignition Facility.

Detección

Analís radioquímico como sofitu a la detección

Les partícules alfa, que son emitíes de normal por elementos con númberos atómicos superiores a 83, tienen la enerxía discreta carauterística de los nucleidos emisores. Asina, los emisores α pueden ser identificaos midiendo la enerxía de les partícules α. Les muestres a midir tienen de ser bien delgaes porque estes partícules pierden rápido enerxía al travesar el material. Los rayos gamma tamién tienen la enerxía discreta carauterística del nucleido que se desintegra, polo que la enerxía d'estos rayos tamién puede usase pa identificar nucleidos. Puesto que los rayos gamma pueden travesar una cantidá considerable de material ensin perder enerxía, la muestra nun tien que ser delgada. Los espectros d'enerxía de les partícules beta (y los positrones) nun son útiles pa identificar nucleidos porque s'estienden sobre toles enerxíes hasta un máximu pa cada emisor β.

Analís por aciu activación neutrónica

Con frecuencia, les téuniques de física nuclear emplegar p'analizar materiales rastrexando elementos presentes en cantidaes bien pequeñes. La téunica utilizada llámase analís d'activación. Irrádiase una muestra con proyeutiles nucleares (de normal neutrones) pa convertir nucleidos estables en nucleidos radiactivos, que depués se miden con detectores de radiación nuclear. Por casu, el sodiu d'una muestra puede ser detectáu irradiando la muestra con neutrones, y convirtiendo asina parte de los nucleos estables ®Na en nucleos radiactivos ²Na; de siguío mídese la cantidá d'estos postreros cuntando les partícules β y los rayos g emitíos.

L'analís d'activación puede midir (ensin separación química) cantidaes tan pequeñes como 1 nanogramo (10-9 g) d'unos 35 elementos en materiales como'l suelu, les roques, los meteoritos y les muestres llunares. Tamién puede utilizase p'analizar muestres biolóxiques, como'l sangre y el texíu humano; sicasí, nos materiales biolóxicos pueden reparase pocos elementos ensin separaciones químiques.

Otres aplicaciones importantes de la física nuclear son el desenvolvimientu de métodos pa producir especies radiactives utilizaes pa la diagnosis y los tratamientos médicos. Tamién desenvolvió los isótopos trazadores que s'usen pa estudiar el comportamientu químicu de los elementos, pa midir la gastadura de los motores d'automóviles y n'otros estudios qu'empleguen cantidaes mínimes de material.

Científicos relevantes na física nuclear

Ver tamién

Referencies

Enllaces esternos

Proyeutu Consolider 2010 CPAN (Centru Nacional de Física de Partícules, Astropartículas y Nuclear)