La Física nuclear y de partículas, íntimamente ligadas, constituyen uno de los dominios más relevantes de la Física moderna.
El conocimiento cada vez más profundo de la estructura de la materia, mediante experimentos en los aceleradores de partículas, nos está llevando, paradójicamente, a entender el origen y evolución del universo.
Al conocimiento científico en este ámbito se ha unido casi de inmediato la aplicación técnica (producción de energía en centrales nucleares, radioterapia médica para el tratamiento de tumores malignos, marcaje radiactivo para el seguimiento de reacciones químicas, producción de mutaciones en plantas para la mejora de las cosechas agrícolas, las bombas atómicas,...). La tremenda cantidad de energía que puede liberar el núcleo atómico constituye, al tiempo que un peligro potencial en manos de la humanidad, un bien al que nuestra sociedad no puederenunciar (al menos, de momento).
CAMINO HACIA EL NUCLEO ATOMICO
La idea de que la materia no es indefinidamente divisible, sino que está compuesta en último término por algún tipo de ente individual es muy antigua. A principios de la época griega ya se hablaba de átomos, aunque estas partículas no fueron definidas con precisión hasta después del estudio cuantitativo de la materia realizado en el siglo XIX. La idea de que los átomos no eran las partículas últimas tuvo que esperar hasta el final de dicho siglo, y no se llegó al concepto de núcleo como pequeño centro del átomo hasta la segunda década del s. XX.
La física y química nucleares comenzaron en 1896, cuando A.H. Becquerel observó que ciertas sales de uranio emitían radiaciones semejantes a los rayos X descubiertos por W.K. Roëntgen el año antes. Estas observaciones fueron seguidas rápidamente por la propuesta del electrón como constituyente del átomo por J.J. Thomson (1897),
el aislamiento del polonio y del radio por el matrimonio Curie (1898),
el hallazgo de E. Rutherford (1899) de que las radiaciones emitidas por el uranio eran de dos clases, a las que llamó rayos alfa y beta y el descubrimiento de los rayos gamma por P. Villard en 1906.
Posteriormente llegó a comprenderse su naturaleza. En 1907 J.J. Thomson propuso un modelo atómico que consistía en una esfera cargada positivamente en la cual se encontraban distribuidos los electrones; pero los datos de H. Geiger y E. Marsden (1909), sobre dispersión
de partículas alfa al atravesar láminas metálicas delgadas, no concordaban con este model.
Fue en 1911 cuando Rutherford propuso su modelo de átomo con una carga central, que ocupaba un volumen muy pequeño en relación con el átomo entero3, a la que siguió su demostración de que este núcleo daba cuenta de la mayor parte de la masa atómica y de toda la carga positiva, y que los electrones se distribuían en un volumen relativamente grande alrededor de él, en número suficiente para hacer el átomo eléctricamente neutro.
El conocimiento cada vez más profundo de la estructura de la materia, mediante experimentos en los aceleradores de partículas, nos está llevando, paradójicamente, a entender el origen y evolución del universo.
Al conocimiento científico en este ámbito se ha unido casi de inmediato la aplicación técnica (producción de energía en centrales nucleares, radioterapia médica para el tratamiento de tumores malignos, marcaje radiactivo para el seguimiento de reacciones químicas, producción de mutaciones en plantas para la mejora de las cosechas agrícolas, las bombas atómicas,...). La tremenda cantidad de energía que puede liberar el núcleo atómico constituye, al tiempo que un peligro potencial en manos de la humanidad, un bien al que nuestra sociedad no puederenunciar (al menos, de momento).
CAMINO HACIA EL NUCLEO ATOMICO
La idea de que la materia no es indefinidamente divisible, sino que está compuesta en último término por algún tipo de ente individual es muy antigua. A principios de la época griega ya se hablaba de átomos, aunque estas partículas no fueron definidas con precisión hasta después del estudio cuantitativo de la materia realizado en el siglo XIX. La idea de que los átomos no eran las partículas últimas tuvo que esperar hasta el final de dicho siglo, y no se llegó al concepto de núcleo como pequeño centro del átomo hasta la segunda década del s. XX.
La física y química nucleares comenzaron en 1896, cuando A.H. Becquerel observó que ciertas sales de uranio emitían radiaciones semejantes a los rayos X descubiertos por W.K. Roëntgen el año antes. Estas observaciones fueron seguidas rápidamente por la propuesta del electrón como constituyente del átomo por J.J. Thomson (1897),
el aislamiento del polonio y del radio por el matrimonio Curie (1898),
el hallazgo de E. Rutherford (1899) de que las radiaciones emitidas por el uranio eran de dos clases, a las que llamó rayos alfa y beta y el descubrimiento de los rayos gamma por P. Villard en 1906.
Posteriormente llegó a comprenderse su naturaleza. En 1907 J.J. Thomson propuso un modelo atómico que consistía en una esfera cargada positivamente en la cual se encontraban distribuidos los electrones; pero los datos de H. Geiger y E. Marsden (1909), sobre dispersión
de partículas alfa al atravesar láminas metálicas delgadas, no concordaban con este model.
Fue en 1911 cuando Rutherford propuso su modelo de átomo con una carga central, que ocupaba un volumen muy pequeño en relación con el átomo entero3, a la que siguió su demostración de que este núcleo daba cuenta de la mayor parte de la masa atómica y de toda la carga positiva, y que los electrones se distribuían en un volumen relativamente grande alrededor de él, en número suficiente para hacer el átomo eléctricamente neutro.
En 1911 Soddy estableció que ciertas sustancias con idéntico comportamiento químico, constituidas por tanto por el mismo elemento, tenían propiedades radiactivas diferentes; eran
los isótopos radiactivos. En esos años se identificó el número atómico (Z) con la carga nuclear (hasta entonces sólo había indicado la posición del elemento en la Tabla Periódica). Este hecho, unido a la relación encontrada por Moseley entre el espectro de rayos X característico de un elemento y su número atómico Z, condujo a colocar los elementos conocidos en su posición correcta.
los isótopos radiactivos. En esos años se identificó el número atómico (Z) con la carga nuclear (hasta entonces sólo había indicado la posición del elemento en la Tabla Periódica). Este hecho, unido a la relación encontrada por Moseley entre el espectro de rayos X característico de un elemento y su número atómico Z, condujo a colocar los elementos conocidos en su posición correcta.
Sin embargo, se observó que mientras la carga eléctrica del núcleo aumenta en una unidad al pasar de átomos de un elemento a átomos del elemento siguiente en la Tabla Periódica, la masa crecía, al menos en los primeros elementos, en dos unidades.
Esto suponía que había en los núcleos una “masa neutra” que no aportaba carga. Rutherford pensó en la posible existencia de pares protón-electrón (neutros, por tanto) que completaba la masa que faltaba (esta hipótesis permitía explicar también el mecanismo de emisión de electrones beta de los núcleos radiactivos); llamó neutrones a estos pares. J. Chadwick descubrió experimentalmente los neutrones bastante tarde, en 1932, al bombardear una muestra de berilio con rayos Alfa (al ser neutros, su detección era difícil, pues no se desviaban ante campos eléctricos o magnéticos y tampoco producen ionización), demostrando que tenían entidad propia como partícula y que no era necesario considerarlos como pares protón-electrón; se constató también que su masa era prácticamente igual a la masa del protón.
LAS INTERACCIONES NUCLEARES Y LAS ENERGÍAS DE ENLACE
Si el núcleo está formado por protones y neutrones: ¿qué hace que puedan persistir protones en el núcleo, venciendo las intensas fuerzas de repulsión electrostática? Los núcleos no podrían ser estables si sólo existieran la fuerza gravitatoria y la electromagnética.
La repulsión eléctrica entre protones, unas 1036 veces mayor que la atracción gravitatoria, debería desintegrar el núcleo. Debe existir, por consiguiente, un tercer tipo de fuerza que mantenga unidos a los nucleones y proporcione así la estabilidad nuclear.
Las características (intensidad, alcance) de esta nueva fuerza, denominada interacción nuclear fuerte, se deducen experimentalmente de los estudios sobre la estructura nuclear, basados en la dispersión de partículas causadas por los núcleos y en las reacciones nucleares.
- De la constancia de la densidad de los núcleos y su independencia del número másico, se deriva el corto alcance de la fuerza nuclear fuerte. Cada nucleón interacciona fuertemente con los nucleones vecinos, a distancias del orden de unos 10-15 m (lo que contrasta con el alcance hasta el infinito de las interacciones gravitatoria o electromagnética).
- La fuerza nuclear muestra independencia de la carga eléctrica, es decir, entre dos protones es la misma que entre dos neutrones o entre un protón y un neutrón.
- La elevada cantidad de energía que requiere la fragmentación del núcleo muestra la elevada
intensidad atractiva de la fuerza nuclear (unas 100 veces superior a las interacciones electromagnéticas), pero se manifiesta repulsiva a distancias mucho menores que las del alcance. Una idea de la fortaleza de la interacción nuclear la proporciona la energía de enlace nuclear o energía de ligadura (B), que representa la energía liberada cuando se unen los nucleones para forman un núcleo.
Se ha comprobado experimentalmente que la masa del núcleo siempre es ligerísimamente menor que la suma de las de los nucleones que lo forman; este defecto de masa nuclear (Delta.m=(Z·mp+(A-Z)·mn) - mX)
explica, a la luz de la teoría de la relatividad, la gran cantidad de energía liberada
(B= Delta.E = Delta.m·c2)
y la estabilidad que adquiere el núcleo.
Si la energía de enlace nuclear (B) se divide entre el número de nucleones del núcleo (A) se obtiene la energía media de enlace por nucleón (B/A), una medida de la estabilidad de los distintos núcleos (figura 3). En los núcleos ligeros se observa un aumento brusco de la energía de enlace por nucleón, pero a partir de A>16 se estabiliza entre 8 y 9 MeV, decayendo lentamente para núcleos pesados; el máximo de estabilidad corresponde a los núcleos semipesados con A igual a 62 (Fe, Co, Ni). Esta evolución nos lleva a que si se unen dos núcleos ligeros entre sí,para formar un núcleo mayor (fusión), o si un núcleo pesado se divide en dos fragmentos menores (fisión), se libera energía, energía que podremos aprovechar si el proceso de fusión o fisión se hace de forma controlada.
