domingo, 17 de abril de 2011

Física Nuclear: Conceptos Básicos (I)

Para introducirnos en la energía nuclear, vamos a comenzar abordando los conceptos básicos necesarios para comprender su física y entender las reacciones que liberan grandes cantidades de energía.
Después describiremos su aplicación tecnológica.

El Átomo

La teoría atómico-molecular fue establecida a principios del siglo XIX; Dalton, Avogadro 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 más de 109 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 siglo XIX y primer tercio del XX 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 formado por protones (con carga eléctrica positiva) y neutrones, y una parte externa o corteza, formada por electrones, con carga eléctrica negativa (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.




Las Partículas Elementales


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 forman 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 superior a la del 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, etc.

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.



Isótopos

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 cuyos núcleos 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

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 por ZAM, donde M es el símbolo del elemento químico al que pertenece, y A y Z son sus números másico y atómico, respectivamente.

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. Emplearemos isótopo con los dos significados: isótopo “strictu sensu“ y nucleido.

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