sábado, 18 de junio de 2011

Física Nuclear: Conceptos Básicos (II)

La Radiactividad

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 formado por Frédéric Joliot e Irene
Curie, hija de los esposos Curie.

Tipos de Desintegraciones Radiactivas

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.

La radiación alfa (α) está formada por núcleos del isótopo 4 del helio, es decir, está constituida por una radiación corpuscular, en la que cada corpúsculo está formado por dos protones y dos neutrones. Ello significa que tiene una masa atómica de 4 unidades y una carga eléctrica de 2 unidades positivas. Estos protones y neutrones formaban antes parte del núcleo que se ha desintegrado.

– La radiación beta (β) está constituida por electrones, lo que significa que es también de naturaleza corpuscular, en la que cada corpúsculo tiene una masa atómica de 1/1800, aproximadamente, y una carga de 1 unidad negativa.
A diferencia del caso anterior, el electrón emergente no existía anteriormente en el núcleo sino que procede de la transformación de un neutrón en un protón, que queda dentro del núcleo, y el electrón, que es eyectado. Posteriormente se descubrió la radiación beta positiva, semejante a la beta pero con carga positiva. Está formada por positrones procedentes de la transformación de un protón en un neutrón.

- La radiación gamma (γ) es de naturaleza electromagnética, semejante a la luz ordinaria o a la radiación X, pero con mucho menor longitud de onda. Es, por lo tanto, de naturaleza ondulatoria, carente de masa en reposo y de carga. Esta radiación tampoco existía antes en el núcleo, sino que es energía que se emite como consecuencia de un reajuste energético del núcleo.


– En la fisión (descomposición de un núcleo inestable en dos núcleos de inferior número atómico) espontánea, así como en la fisión inducida y en otras reacciones nucleares, se produce una radiación de neutrones, formada por estas partículas, con masa, por lo tanto, de 1 unidad de masa atómica y sin carga.

Las leyes que rigen los distintos tipos de desintegración fueron descubiertas por Soddy y Fajans. Estas leyes son:
– En la desintegración alfa, puesto que se emiten dos protones y dos neutrones, el nucleido hijo tiene dos protones menos que el padre, lo que significa que ha retrocedido dos puestos en el sistema periódico y su masa ha disminuido en cuatro unidades.

– En la desintegración beta negativa, ya que un neutrón se transforma en un protón, el átomo hijo tiene un protón más que el padre, lo que representa que avanza un puesto en el sistema periódico, y no varía su masa atómica.

– La emisión gamma no constituye una desintegración propia sino que se produce acompañando a las radiaciones alfa o beta, en las desintegraciones de este tipo, o en la desexcitación de nucleidos que se encontraban en un nivel energético superior al normal de ese nucleido (nucleidos excitados).

– En la desintegración con emisión de un neutrón, el nucleido hijo es un isótopo del padre, y posee una masa menor en una unidad.

Proceso Estadístico de una Desintegración Radiactiva

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).

La ley matemática que recoge la desintegración radiactiva es N=No e-λt., siendo N0 la masa inicial del radionucleido existente, λ la constante de desintegración específica para cada elemento y t, el tiempo transcurrido. El período de semidesintegraciónT está relacionado con la constante de desintegración λ mediante la fórmula T= 0,693/λ.


Radiaciones Ionizantes

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 iones (partículas cargadas, por ejemplo, por arranque de electrones de sus átomos) 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. De ellas, las dos primeras son radiaciones directamente ionizantes, y las demás son indirectamente ionizantes.


Reacciones Nucleares

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:



Al igual que en química se considera que la descomposición espontánea de una molécula inestable es la reacción química más simple (reacción monomolecular), la radiactividad es el tipo más simple de reacción nuclear, y es la que se descubrió primero.

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.


Realización de una Reacción Nuclear

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 del siglo XX 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 (que como partícula eléctricamente neutra no tiene que vencer la repulsión del núcleo) como proyectil y el grupo de investigadores dirigido por él estudió sistemáticamente las reacciones entre neutrones y los diversos elementos de la tabla periódica.

Fermi descubrió que la probabilidad de interacción de los neutrones con los núcleos era mayor cuando los neutrones tenían bajas energías (estaban “moderados“), incluso a energías correspondientes a la temperatura ambiente (neutrones térmicos). 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:

– Dispersión: en ellas la partícula es de la misma naturaleza que el proyectil.
Todo ocurre como si éste hubiese rebotado contra el blanco, aunque nadie podría asegurar que la partícula emergente sea la misma que incidió. Cuando la energía cinética total de los productos originales es igual a la de los productos finales de la reacción se dice que se trata de una dispersión elástica. Si, por el contrario, la energía cinética total de los productos de reacción es menor que la inicial, diremos que es una dispersión inelástica. En este caso, la diferencia entre ambas energías es absorbida por el blanco, el cual queda excitado.

– Captura: en esta reacción la partícula incidente es absorbida por el
blanco sin que se produzca ninguna partícula emergente, con la excepción
de fotones gamma.

– Fisión: en este tipo de reacción, un núcleo pesado se rompe en, generalmente, dos fragmentos cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, lo que va acompañado de una emisión de neutrones y radiación gamma, con la liberación de una gran cantidad de energía (en forma de energía cinética de los fragmentos y de los neutrones y las radiaciones producidas).
Aunque existen casos de fisión espontánea o de fisión por captura de un fotón, la reacción se produce normalmente por la captura de un neutrón.

– Espalación: es una reacción originada por una partícula de alta energía (por ejemplo un protón de 1 GeV) en un núcleo pesado, como uranio o plomo. En la reacción se arrancan varios neutrones. Una partícula muy energética provoca espalación en varios núcleos consecutivamente y es posible que aparezcan 40 neutrones o más por cada protón de 1 GeV.
Esta reacción está relacionada con los aceleradores de partículas.

– Fusión nuclear: es una reacción entre dos núcleos de átomos ligeros en la que se produce un núcleo de un átomo más pesado, unido a la liberación de partículas elementales y de una gran cantidad de energía. La energía liberada en el Sol y en las estrellas proviene de reacciones de fusión nuclear.