Física nuclear
La Física Nuclear es una rama de la física que estudia las propiedades y el comportamiento de los núcleos atómicos. La física nuclear es conocida mayoritariamente por la sociedad en su papel en la energía nuclear en centrales nucleares y en el desarrollo de armas nucleares, tanto de fisión como de fusión nuclear. En un contexto más amplio se define la Física nuclear y física de partículas como la rama de la física que estudia la estructura fundamental de la materia y las interacciones entre partículas subatómicas.
Desintegración nuclear
Los núcleos atómicos consisten en protones cargados positivamente y neutrones sin carga. El número de protones de un núcleo es su número atómico, que define al elemento químico. Todos los núcleos con 11 protones, por ejemplo, son núcleos de átomos de sodio (Na). Un elemento puede tener varios isótopos, cuyos núcleos tienen un número distinto de neutrones. Por ejemplo, el núcleo de sodio estable contiene 12 neutrones, mientras que los que contienen 13 neutrones son radiactivos. Esos isótopos se anotan como ®Na y ²Na, donde el subíndice indica el número atómico, y el superíndice representa el número total de nucleones, es decir, de neutrones y protones. Cualquier especie de núcleo designada por un cierto número atómico y de neutrones se llama núclido.
Los núclidos radiactivos son inestables y sufren una transformación espontánea en núclidos de otros elementos, liberando energía en el proceso (véase Radiactividad). Esas transformaciones incluyen la desintegración a (alfa), que supone la emisión de un núcleo de helio(¸He2+), y la desintegración β (beta) o la desintegración β+ (positrón). En la desintegración β un neutrón se transforma en un protón con la emisión simultánea de un electrón de alta energía. En la desintegración β+ un protón nuclear se convierte en un neutrón emitiendo un positrón de alta energía (véase Partículas elementales). Por ejemplo, el 24Na sufre una desintegración β formando el elemento superior, el magnesio:
²Na → ³Mg + β + rayos g
La radiación g (gamma) es radiación electromagnética de alta frecuencia y energía. Cuando se produce la desintegración a o β, el núcleo resultante permanece a menudo en un estado excitado (mayor energía), por lo que se produce una emisión de rayos gamma y el núcleo pasa a un estado de menor energía.
Al representar la desintegración de un núclido radiactivo se debe determinar también el periodo de semidesintegración del núclido, es decir, el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de la muestra. El periodo de semidesintegración del 24Na, por ejemplo, es de 15 horas. Los físicos nucleares determinan también el tipo y energía de la radiación emitida por el núclido.
Primeros experimentos
La radiactividad fue descubierta en las sales de uranio por el físico francés Henri Becquerel en 1896. En 1898, los científicos franceses Marie y Pierre Curie descubrieron dos elementos radiactivos existentes en la naturaleza: el polonio (84Po) y el radio (88Ra). Durante la década de 1930, Irène y Frédérick Joliot-Curie obtuvieron los primeros núclidos radiactivos artificiales bombardeando boro (5B) y aluminio (13Al) con partículas a para formar isótopos radiactivos de nitrógeno (7N) y fósforo (15P). Los isótopos de estos elementos presentes en la naturaleza son estables.
Los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann descubrieron la fisión nuclear en 1938. Cuando se irradia uranio con neutrones, algunos núcleos se dividen en dos núcleos con números atómicos aproximadamente la mitad del número atómico del uranio. La fisión libera una cantidad enorme de energía y se utiliza en armas y reactores de fisión nuclear
Reacciones nucleares
La física nuclear incluye también el estudio de las reacciones nucleares: el uso de proyectiles nucleares para convertir un tipo de núcleo en otro. Si por ejemplo se bombardea el sodio con neutrones, parte de los núcleos estables ®Na capturan estos neutrones para formar núcleos radiactivos ²Na :
®Na + ¦n → ²Na + rayos g Estas reacciones se estudian colocando muestras dentro de los reactores nucleares para producir un flujo alto de neutrones (número elevado de neutrones por unidad de área).
Los núcleos también pueden reaccionar entre ellos pero si están cargados positivamente, se repelen entre sí con gran fuerza. Los núcleos proyectiles deben tener una energía lo bastante alta como para superar la repulsión y reaccionar con los núcleos blanco. Los núcleos de alta energía se obtienen en los ciclotrones, en los generadores de Van de Graaff y en otros aceleradores de partículas.
Una reacción nuclear típica es la que se utilizó para producir artificialmente el elemento siguiente al uranio (°U), que es el elemento más pesado existente en la naturaleza. El neptunio (±Np) se obtuvo bombardeando uranio (principalmente °U) con deuterones (núcleos del isótopo hidrógeno pesado, ªH) según la reacción:
°U + ªH → ±Np + 2¦n
Analisis radio químico
Las partículas alfa, que son emitidas normalmente por elementos con números atómicos superiores a 83, tienen la energía discreta característica de los núclidos emisores. Así, los emisores a pueden ser identificados midiendo la energía de las partículas a. Las muestras a medir deben ser muy delgadas porque estas partículas pierden rápidamente energía al atravesar el material. Los rayos gamma también tienen la energía discreta característica del núclido que se desintegra, por lo que la energía de estos rayos también puede usarse para identificar núclidos. Puesto que los rayos g pueden atravesar una cantidad considerable de material sin perder energía, la muestra no tiene que ser delgada. Los espectros de energía de las partículas beta (y los positrones) no son útiles para identificar núclidos porque se extienden sobre todas las energías hasta un máximo para cada emisor β. Véase Detectores de partículas.
Con frecuencia, las técnicas de física nuclear se emplean para analizar materiales rastreando elementos presentes en cantidades muy pequeñas. La técnica utilizada se llama análisis de activación. Se irradia una muestra con proyectiles nucleares (normalmente neutrones) para convertir núclidos estables en núclidos radiactivos, que luego se miden con detectores de radiación nuclear. Por ejemplo, el sodio de una muestra puede ser detectado irradiando la muestra con neutrones, y convirtiendo así parte de los núcleos estables ®Na en núcleos radiactivos ²Na; a continuación se mide la cantidad de estos últimos contando las partículas β y los rayos g emitidos.
El análisis de activación puede medir (sin separación química) cantidades tan pequeñas como 1 nanogramo (10-9 g) de unos 35 elementos en materiales como el suelo, las rocas, los meteoritos y las muestras lunares. También puede utilizarse para analizar muestras biológicas, como la sangre y el tejido humano; sin embargo, en los materiales biológicos se pueden observar pocos elementos sin separaciones químicas.
Otras aplicaciones importantes de la física nuclear son el desarrollo de métodos para producir especies radiactivas utilizadas para la diagnosis y los tratamientos médicos. También ha desarrollado los isótopos trazadores que se usan para estudiar el comportamiento químico de los elementos, para medir el desgaste de los motores de automóviles y en otros estudios que emplean cantidades mínimas de material.
