Radiactividad y Energía de Enlace Nuclear: Fisión y Fusión Nuclear

La radiactividad es la propiedad que presentan determinadas sustancias, llamadas sustancias radiactivas, de emitir radiaciones capaces de penetrar en cuerpos opacos, ionizar el aire, impresionar placas fotográficas y excitar la fluorescencia de ciertas sustancias.

Conceptos básicos del núcleo atómico

Número atómico (Z): nº de protones. Caracteriza al elemento químico.
Número másico (A): nº de nucleones = nº protones + nº neutrones (A = Z + N). Indica la masa aproximada del núcleo, en uma.

Isótopos: igual Z, distinto A.
Isóbaros: distinto Z, igual A.
Isótonos: igual N.
Isómeros: igual Z, igual N, igual A, pero con las partículas distribuidas de forma diferente.

Fuerzas nucleares

Fuerza nuclear fuerte

Es la responsable de la cohesión del núcleo. Las partículas nucleares (los protones en particular) pueden mantenerse dentro del núcleo a tan corta distancia unas de otras gracias a la interacción nuclear fuerte, que vence, a esas distancias, a la repulsión eléctrica entre cargas del mismo signo.

Características fundamentales de esta interacción:

• Fuerza atractiva para distancias < 10^-15 m, prácticamente nula para distancias mayores.
• Afecta a nucleones.
• Muy corto alcance (≈ 10^-15 m).
• La más fuerte de las interacciones de la naturaleza.
• Independiente de la carga.

Fuerza nuclear débil

Es la responsable de la desintegración β de los núcleos y se manifiesta sobre todo en partículas no sometidas a la acción de la fuerza nuclear fuerte.

Características fundamentales de esta interacción:

• Fuerza atractiva para distancias < 10^-17 m, prácticamente nula para distancias mayores.
• Muy corto alcance (≈ 10^-17 m).
• A distancias muy cortas, donde es máxima, supera en intensidad a la fuerza gravitatoria, pero es más débil que la nuclear fuerte (10¹³ veces menos intensa) y que la electromagnética.

Estabilidad nuclear y energía de enlace

Equivalencia masa-energía: Albert Einstein expuso que la masa de un cuerpo puede transformarse íntegramente en energía, y viceversa. La energía que puede extraerse de una masa dada m viene dada por la expresión E = mc², donde la constante c coincide con la velocidad de la luz en el vacío (c = 3·10⁸ m/s). Este principio de equivalencia tiene una consecuencia importante: en una reacción (sobre todo en reacciones nucleares) la masa no se conserva. Si se conservara, en cambio, la energía total del sistema (teniendo en cuenta la energía equivalente a la masa).

Defecto másico y energía de enlace: cuando se forma un núcleo mediante la unión de los protones y neutrones que lo componen, se observa que la masa nuclear es menor que la suma de las masas de las partículas por separado. Es decir, se ha perdido masa en el proceso de formación (sin embargo, las partículas siguen siendo las mismas). A esa masa perdida se la denomina defecto másico (Δm). Aunque es una masa perdida, se considera su valor positivo. Se calcula con la expresión Δm = Σm_part − m_núcleo. Esa masa perdida se ha transformado en energía, la cual se desprende en forma de radiación. La cantidad de energía desprendida se llama energía de enlace E_e = |Δm·c²|, que también puede ser la energía que hay que darle al núcleo para descomponerlo en sus partículas.

Energía de enlace por nucleón: representa el promedio de energía desprendida por cada partícula que compone el núcleo: E_n = E_e/A. Esta magnitud es la que nos indica la estabilidad de un núcleo: cuanto mayor sea la energía desprendida por cada partícula, mayor estabilidad tendrá el núcleo. A mayor energía de enlace por nucleón, mayor estabilidad.

Radiactividad

Por radiactividad se entiende la emisión de radiación (partículas, luz) por parte de algunas sustancias, que se denominan radiactivas. Esta emisión puede ser espontánea (radiactividad natural) o producida por el hombre (radiactividad artificial). La radiactividad es un fenómeno que ocurre a nivel del núcleo. Este, ya sea de forma natural o forzada, emite partículas de su interior. Esto trae como consecuencia que el número de partículas del núcleo cambie (puede cambiar Z y A). Es decir, la sustancia inicial puede transformarse en otra sustancia totalmente diferente.

Radiactividad natural

Se conocen básicamente 3 tipos de radiactividad natural, representadas con α, β y γ. La primera diferencia notable entre ellas es la carga eléctrica. Leyes de desplazamiento:

1. Cuando un núcleo emite una partícula α, se transforma en un núcleo del elemento situado 2 lugares a la izquierda en la tabla periódica. Es decir, su número atómico disminuye en 2 unidades.
2. Cuando un núcleo emite una partícula β, se transforma en un núcleo del elemento situado 1 lugar a la derecha en la tabla periódica. O sea, su número atómico aumenta 1 unidad.
3. Cuando un núcleo emite radiación γ, continúa siendo del mismo elemento químico.

Reacciones nucleares

Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen directamente los núcleos atómicos, que se transforman en otros distintos más estables (menos energéticos), en los que se libera energía.

Emisión de partículas α:

• Son núcleos de helio formados por 2 protones y 2 neutrones.
• Su carga eléctrica es Q = +2e = +3,2·10^-19 C.
• Su masa es 6,7·10^-27 kg = 4 uma.

Cuando una partícula α abandona el núcleo X, su número másico disminuye en 4 unidades y su número atómico en 2. Ley de Soddy.

Emisión de partículas β:

Un neutrón del núcleo se transforma en un electrón (partícula β), un protón y un antineutrino (partícula sin carga ni masa) mediante: n → β⁻ + p⁺ + ν.

• Las partículas β son electrones rápidos procedentes de neutrones que se desintegran dando lugar a un protón y un electrón.
• Su carga eléctrica es Q = −e = −1,6·10^-19 C.
• Su masa es m = 9,1·10^-31 kg.

Cuando una partícula β abandona el núcleo X, su número másico no se altera, mientras que su número atómico aumenta en una unidad. Ley de Fajans.

Emisión de partículas γ:

• Son radiación electromagnética, es decir, fotones.
• No tienen carga eléctrica.
• No tienen masa.

Si la partícula abandona el núcleo, este solo pierde energía, siendo del mismo elemento químico.

La energía de los fotones liberados está relacionada con la frecuencia f de la radiación mediante la expresión E = h·f, donde h = 6,6·10^-34 J·s es la constante de Planck.

Radiactividad artificial: fusión y fisión nuclear

En toda reacción nuclear se van a conservar (además de la energía y la cantidad de movimiento, como en toda colisión):

• La carga eléctrica total antes y después del choque.
• El número total de nucleones (ΣA).
• La suma de los números atómicos (ΣZ).

La masa, sin embargo, no se va a conservar, ya que parte de la masa se convierte en energía (defecto másico), ya sea en forma de fotones o como energía cinética de las partículas resultantes.

Fisión nuclear

Algunos núcleos atómicos pueden liberar gran cantidad de energía si se dividen para formar 2 núcleos más ligeros. El proceso se denomina fisión nuclear.

La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que un núcleo pesado (más pesado que el hierro) se divide en otros 2 más ligeros al ser bombardeado con neutrones. En el proceso se liberan más neutrones y gran cantidad de energía. Principalmente sufren este tipo de reacción nuclear el ²³⁵₉₂U y el ²³⁹₉₄Pu. Son reacciones que se producen en las centrales nucleares y en las que se llegan a desprender energías del orden de 200 MeV por cada núcleo de uranio fisionado.

Fusión nuclear

Algunos núcleos atómicos pueden liberar gran cantidad de energía si se unen para formar un núcleo más pesado. El proceso se denomina fusión nuclear.

La fusión nuclear es una reacción en la que 2 núcleos ligeros (menos pesados que el hierro) se unen para formar otro más pesado. En el proceso se libera gran cantidad de energía.