La física nuclear en pocas palabras

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Por Carlos I. Calle

La energía de una bomba nuclear proviene del interior del núcleo del átomo. La masa se convierte en energía según E = mc2. Esta energía es la energía de unión del núcleo, el pegamento que mantiene unido el núcleo del átomo.

Partículas radiantes

En algunos casos, la fuerza nuclear no es capaz de mantener un núcleo completamente unido, y el núcleo pierde algunas de sus partículas. El físico francés Henri Becquerel descubrió accidentalmente este efecto en 1896. Le habían intrigado los experimentos con rayos X que Wilhelm Roentgen había estado haciendo en Alemania. Becquerel obtuvo una sal de uranio para ver si podía observar estos rayos X.

En su laboratorio del Museo de Historia Natural de París (donde su padre y su abuelo también habían sido profesores de física), Becquerel comenzó sus experimentos exponiendo al sol una placa fotográfica con la sal de uranio rociada sobre ella, pensando que la luz solar activaría los rayos X. Un día nublado, cuando no pudo realizar uno de sus experimentos, colocó la placa fotográfica con la sal de uranio en un cajón. Unos días después, siguió adelante y reveló la placa de todos modos, pensando que iba a obtener una imagen borrosa. Pero la imagen era muy nítida, con un alto contraste. Pronto se dio cuenta de que había descubierto un nuevo tipo de radiación energética.

Cuando Pierre y Marie Curie se enteraron del experimento de Becquerel, comenzaron a buscar otros elementos que pudieran emitir rayos similares. Encontraron que el torio y el uranio emiten la misma radiación. Y en 1898, descubrieron dos nuevos elementos: el polonio (llamado así por la Polonia natal de Marie) y el radio. Los Curies llamaron al efecto radioactividad.

En Inglaterra, Ernest Rutherford diseñó experimentos para investigar este nuevo fenómeno de radiactividad y pudo demostrar que estos rayos vienen en dos variedades, una más penetrante que la otra. El menos penetrante, al que llamó alfa, tiene carga eléctrica positiva. Los Curies de París descubrieron que el otro, llamado beta, tiene una carga negativa.

Consciente de las limitaciones de la fuerza nuclear

¿Por qué estos núcleos emiten partículas? Se supone que la fuerza nuclear es extremadamente fuerte. ¿Por qué no es capaz de mantener todas estas partículas dentro del núcleo?

La respuesta es que la fuerza nuclear tiene un rango de acción muy corto. Es capaz de ligar partículas que están cerca unas de otras. Si las partículas están demasiado separadas, la fuerza deja de funcionar. Si las partículas son protones, que tienen cargas positivas, la fuerza eléctrica actuando sola las separará.

Cuando las partículas nucleares se agrupan en un núcleo de un átomo, cada partícula interactúa sólo con sus vecinos más cercanos. En un núcleo con más de 30 partículas, una partícula en el centro del núcleo no sentirá la fuerza nuclear de una partícula en los bordes. Cada una de las partículas nucleares en el cúmulo siente la atracción nuclear de las otras partículas en el cúmulo (sus vecinos inmediatos). Sin embargo, estas partículas no sienten la fuerza de la partícula cerca del borde.

Piénsalo de esta manera: Imagine que usted y un grupo de varios amigos están tratando de permanecer juntos mientras nadan en aguas bravas. Si todos deciden tomarse de la mano, cada uno de ustedes se agarrará a los dos vecinos más cercanos. El agarre de un nadador en un extremo de la gran cadena, no importa cuán fuerte le parezca a su vecino inmediato, no tiene influencia en un nadador en el otro extremo. Si el agua se pone demasiado áspera, todo el grupo puede romperse, creando pequeños grupos de dos, tres o tal vez cuatro personas.

Al igual que las aguas bravas que separan a tu grupo, la repulsión eléctrica de los protones trata de romper un gran núcleo. Sin embargo, en el núcleo, algunos ayudantes intentan mantener todo unido: los neutrones. Los neutrones no tienen carga eléctrica, y la única fuerza que sienten es la atracción nuclear. Son los nadadores hábiles que no se verán empujados por las aguas bravas. Si tienes suficientes de ellos en tu grupo, permanecerán juntos.

Estudiando la descomposición alfa

Al igual que el grupo de natación con los nadadores expertos, un núcleo con un número equilibrado de protones y neutrones es estable y permanece unido. Pero si un núcleo tiene demasiados protones, la repulsión eléctrica total puede abrumar la atracción de la fuerza nuclear, y un pedazo del núcleo puede volar aparte.

La pieza que sale del núcleo suele tener la forma de una partícula alfa, un grupo de dos protones y dos neutrones. (Esta partícula es también el núcleo del átomo de helio.) Resulta que estas cuatro partículas están unidas muy fuertemente por la fuerza nuclear, por lo que este grupo es una configuración muy estable de partículas nucleares. Estas son las partículas que Rutherford identificó como radiación alfa. Los físicos llaman al efecto de las partículas alfa que salen del núcleo de la decadencia alfa.

Detección de la desintegración beta

Parece que tener muchos neutrones es bueno para un núcleo porque los neutrones no sienten la repulsión eléctrica sino la atracción nuclear. Son los nadadores hábiles en aguas bravas. Sin embargo, estos nadadores hábiles no tienen mucha resistencia. Un neutrón por sí solo, lejos del núcleo, dura sólo unos 15 minutos. Después de estos 15 minutos, se convierte en un protón, un electrón y otra pequeña partícula llamada el neutrino. Este efecto se llama decadencia beta.

Dentro del núcleo, rodeado por las otras partículas, los neutrones duran mucho más. Cuando hay suficientes protones alrededor, un efecto de física cuántica impide que los neutrones creen más protones. La física cuántica lo describe dando a cada protón en el núcleo su propio espacio o ranura. Cuando hay suficientes protones, se toman todas las ranuras y no se permiten protones adicionales.

En un núcleo con demasiados neutrones, un neutrón en los bordes exteriores del núcleo puede descomponerse en un protón porque habrá ranuras vacías para que este nuevo protón permanezca dentro. Por lo tanto,

Un núcleo con demasiados neutrones es inestable y se descompone en un protón, un electrón y un neutrino.

Los protones creados por esta descomposición permanecen en el núcleo. Los electrones no pertenecen al núcleo; no hay ranuras para ellos allí. Lo mismo ocurre con los neutrinos. Por lo tanto, tanto los electrones como los neutrinos son expulsados. Los neutrinos son extremadamente difíciles de detectar. Pueden atravesar toda la Tierra y salir por el otro extremo sin una sola colisión. Pero los electrones son fáciles de detectar. Estos electrones disociados crean los rayos beta que los Curies y Rutherford vieron.

En ambos casos, el alfa y el beta se descomponen, el núcleo radioactivo se transforma en el núcleo de otro elemento cuando emite el alfa o la partícula beta.

Existe un tercer tipo de descomposición radioactiva en el que el núcleo inestable emite sólo radiación muy energética, pero no expulsa partículas. La radiación es electromagnética y se llama rayos gamma. En este caso, el núcleo simplemente devuelve algo de energía que había ganado anteriormente, pero no pierde su identidad.