Física Nuclear

El Átomo y el Núcleo

El número atómico (Z) es el número total de protones (y de electrones, si el átomo es neutro) en el núcleo. El número másico (A) es el número total de partículas de un núcleo (neutrones y protones).

Isótopos

Los isótopos son núcleos de un mismo elemento con igual número de protones (Z) pero distinto número de neutrones. Los átomos de núcleos isótopos presentan igual comportamiento químico pero difieren en otras propiedades como su masa y su comportamiento radiactivo.

Radiación Natural

Tipos de Radiación Natural

• Rayos α: Identificados por Rutherford como núcleos de helio con dos cargas eléctricas netas positivas.
• Rayos β: Identificados como rayos catódicos, que son electrones.
• Rayos γ: Radiación electromagnética, similar a los rayos X pero de mayor energía.

Poder de Penetración

• Rayos α: Detenidos por la piel del cuerpo humano.
• Rayos β: Detenidos por el aluminio.
• Rayos γ: Detenidos por el hormigón.

Desintegración β y Electrones en el Núcleo

La desintegración β de un neutrón da lugar a un protón y un electrón, y la emisión de una partícula sin carga y de pequeña masa llamada antineutrino. Esto explica la presencia de electrones en el núcleo durante este tipo de desintegración.

Periodo de Semidesintegración o Semivida

Es el tiempo que tarda una muestra radiactiva de núcleos en reducirse a la mitad.

Vida Media

La vida media de una muestra radiactiva es el tiempo promedio de vida de los núcleos presentes.

Actividad o Velocidad de Desintegración

La actividad o velocidad de desintegración de una muestra radiactiva es el número de desintegraciones por unidad de tiempo.

Fuerzas Nucleares

Las fuerzas nucleares son de atracción y unas 100 veces más intensas que las electromagnéticas. Tienen muy corto alcance (prácticamente nulas a distancias de 10^-15 m) y son de repulsión para distancias muy pequeñas. Además, son saturadas, es decir, cada nucleón está ligado solamente a un número determinado de otros nucleones.

Defecto de Masa

Es la diferencia entre la masa total de los nucleones en estado libre y la masa del núcleo al que dan lugar.

Energía de Enlace

Es la energía asociada al defecto de masa. Representa la energía que se desprende en el proceso de formación del núcleo a partir de sus constituyentes, proporcionando estabilidad al núcleo.

Energía de Enlace por Nucleón

Representa la energía necesaria para extraer un nucleón del núcleo y es una medida de la estabilidad de un núcleo: los más estables son los que tienen mayor energía de enlace por nucleón.

Reacciones de Fisión

Es la división de núcleos, generalmente los pesados (A > 230), en dos o más núcleos ligeros denominados fragmentos de fisión. El proceso se produce generalmente por la absorción de un neutrón, que excita e inestabiliza el núcleo. El núcleo se deforma y, cuando la fuerza de repulsión electrostática entre protones supera la interacción nuclear fuerte, se parte en dos emitiendo dos o tres neutrones y gran cantidad de energía. Los neutrones emitidos pueden fisionar otros núcleos, generando una reacción en cadena. Si no se controla, esta reacción puede dar lugar a una bomba atómica.

Reacciones de Fusión

Es la unión de núcleos, normalmente ligeros, para formar uno mayor. Se puede lograr comunicando a los núcleos pequeños una energía cinética suficiente para vencer las repulsiones eléctricas y acercarlos a distancias donde actúan las fuerzas nucleares. Al unir dos núcleos ligeros para formar uno más pesado y estable, se desprende gran cantidad de energía, ya que la energía de enlace por nucleón es menor para los núcleos ligeros que para los pesados. La alta energía cinética necesaria implica una temperatura de varios millones de grados, que solo se consigue en el interior de estrellas como el Sol.

Aplicaciones de la Energía Nuclear

La mayor parte de las aplicaciones de la radiactividad se basan en el uso de isótopos radiactivos, principalmente como trazadores (químicamente indiferenciables de sus isótopos estables) y como fuentes de radiación.

• Medicina: Escáneres de rayos X, resonancia magnética, radiofármacos, esterilización de material quirúrgico (el isótopo más usado es el ⁶⁰Co).
• Investigación: Esclarecimiento de procesos biológicos.
• Industria: Control de calidad de materias primas y productos fabricados en serie.
• Agricultura: Conservación de alimentos por irradiación, esterilización de insectos.