FÍSICA NUCLEAR
La física nuclear es aquella rama de la física que se encarga de estudiar todo lo relacionado con la estructura, propiedades y comportamiento del núcleo de un átomo, es por eso que está rama de la física recibe este nombre, ya que se encarga específicamente del núcleo. 
Puede decirse que la física nuclear nació como disciplina científica en el año 1896, cuando Becquerel descubrió la radiactividad de la sales de uranio. Dos años mas tarde, Maria Sklodowska descubrió el polonio y el radio que son mucho mas radioactivos que el uranio. En 1903, Rutherford empezó a sentar las bases teóricas de estos procesos. Al investigar la radiación emitida en los procesos de desintegración radiactiva, se identificó tres tipos de radiaciones distinta: la radiación α, la radiación β y la radiación γ, de las cuales se hablará mas adelante.
Para entender lo que es la física nuclear, hay que hablar primero del núcleo y su estructura.
ESTRUCTURA NUCLEAR:
Los nucleos estan formados por neutrones y protones a los que se les proporciona colectivamente el nombre de nucleones. Los núcleos se clasifican por el número de protones y neutrones que cada uno contiene.
En 1920, Rutherford sugirió la presencia de partículas neutras que después se denominaron neutrones, con aproximadamente la misma masa que el núcleo del hidrógeno y que el denomino proton. Por lo tanto, un núcleo atómico es la conformación de protones y neutrones en las que los protones suministran masa y carga positiva mientras que los neutrones aportan masa adicional. En la siguiente tabla se proporcionan los valores aceptados hoy en día para las masas del protón, neutrón y electrón:
Particula
|
Carga eléctrica
|
Masa (kg)
|
Masa (u)
|
Protón
|
+e
|
1.6726 X 10-27
|
1,00728
|
Neutrón
|
0
|
1,6749 X 10-27
|
1,00866
|
Electrón
|
-e
|
9,1094 X 10-31
|
5,4858 X 10-4
|
1 u = 1,66054 X 10-27 kg
En general, un núcleo está compuesto por Z protones (el número atómico) y N neutrones (el número neutrónico). Las masas del neutrón y del protón son similares, por lo que se define el número másico A como:
A = Z + N (Número másico) que es igual al número total de nucleones presentes en el núcleo.
Cada combinación de de Z y N forma lo que se denomina un nucleido que se designa simbólicamente en la forma 
Los nucleidos de un determinado elemento tienen el mismo número atómico Z, pero pueden poseer diferentes números de neutrones y por tanto distintos números másicos. Estos diferentes nucleidos son los isótopos de dicho elemento.
Puesto que los átomos de los diferentes isótopos tienen el mismo número de protones y por tanto de electrones, su comportamiento químico es similar. Sin embargo la diferencia de masas provoca sutiles cambios en las tasas con las que se producen dichas reacciones químicas.
Aunque el núcleo está constituido esencialmente por protones y neutrones, la masa del núcleo no coincide con la suma de las masas de sus constituyentes. Es decir, si mp y mn son la masa del protón y la masa del neutrón, M es la masa del núcleo y me es la masa de los electrones, así:
Zmp + (A-Z) mn + Zme > M
La diferencia entre ambas masas es:
Δm= Zmp + (A - Z) mn + Zme - M
cuya equivalencia en energía viene dada por la ecuación de Einstein:
ΔE = mc2
y corresponde a la energía que se debe suministrar a un núcleo para disgregarlo en sus constituyentes fundamentales y recibe el nombre de energía de enlace Een. Es decir:
Een = Δmc2
Los nucleones crean a su alrededor campos, cuyos cuantos de energía se denominan mesones pi. La interacción nuclear fuerte, que origina las fuerzas nucleares, se interpreta como un intercambio de estados cuantos de energía entre los nucleones, del mismo modo que la interacción electromagnética consiste en un intercambio de fotones entre partículas cargadas. Si se supone que todos los nucleones contribuyen a la energía de enlace del mismo modo, a cada nucleón le corresponde por término medio una energía:
Que es la energía que se necesita suministrar al núcleo para liberar de el un nucleón. Con la excepción de los isótopos de hidrógeno, los valores experimentales de está magnitud oscila entre 6 y 8 MeV por nucleón.
TAMAÑO Y FORMA DEL NÚCLEO:
Los nucleones actúan como esferas sólidas con volúmenes aproximadamente iguales. Por tanto el volumen nuclear V= 4/3πr3 es proporcional al número másico A. Esto sugiere que el radio del núcleo debería ser proporcional a A1/3 . Los experimentos de dispersión nuclear confirman este hecho, proporcionando la fórmula aproximada:
donde Ro = 1,2 x 10-15 m = 1,2 fm
donde Ro = 1,2 x 10-15 m = 1,2 fm
LA FUERZA NUCLEAR FUERTE:
La fuerza nuclear fuerte es aquella que mantiene enlazados a los protones y los neutrones para conformar el núcleo de un átomo. Las principales propiedades de la fuerza nuclear son las siguientes:
- La fuerza nuclear es siempre de atracción, teniendo una intensidad prácticamente igual para todas las posibles parejas de nucleones; protón-protón, protón-neutrón o neutrón-neutrón.
- Es realmente fuerte. La atracción nuclear entre protones es unas 100 veces mas fuerte que su repulsión electrostática.
- Aunque muy fuerte, tiene un alcance muy corto, lo que hace que no sea efectiva a distancias superiores a unos 3 fm.
ENERGÍA DE ENLACE:
Un átomo neutro tiene Z protones, Z electrones y N neutrones. Por tanto la energía de enlace del átomo de un átomo del isótopo AX es:
Donde M es la masa del átomo completo. Al trabajar con energías de enlace es conveniente expresar las masas en u y las energías en MeV. Así:
1u.c2= (1,66054 x 10-27 kg) (2,9979 x 108 m/s)2
= 1,4924 x 10-10 J = 931,5 MeV
RADIOACTIVIDAD:
En el año 1896 Becquerel un físico francés, observó que las sales de uranio colocadas cerca de una placa fotográfica cubierta hacían que apareciera una imagen neblinosa en la placa. Pierre y Marie Curie descubrieron poco después dicha radiactividad en otros materiales. A Marie Curie se le conoce por haber descubiertos muchos isótopos radiactivos y por desarrollar una técnica para aislar el radio, una fuente radioactiva útil. En 1898, Rutherford descubrió que la fuente de uranio emitía dos tipos de radiación: una radiación alfa, menos penetrante y una radiación beta con mayor poder de penetración. En 1900, el físico francés Paul Villard identificó una tercera, la radiación gamma, con todavía mas poder de penetración. Los físicos lograron comprender la naturaleza de estas radiaciones:
- La radiación alfa está compuesta por partículas alfa ( α ), que son núcleos de helio-4. Por tanto, tienen una masa igual a 4,0015 u y una carga +2e.
- La radiación beta está compuesta por dos tipos de partículas beta: electrones (β-) y positrones (β+). El positrón tiene la misma masa que el electrón, pero su carga es opuesta, +e.
- La radiación gamma es una radiación electromagnética. Cada desintegración gamma provoca la emisión de un fotón, denominada rayo gamma (γ). Los fotones de los rayos gamma se encuentran en el extremo de las altas energías (longitudes de onda muy cortas) del espectro electromagnético, con longitudes de onda menores que 10-10 m.
Las radiaciones que emiten los núcleos radiactivos mientras se van transformando se pueden poner de manifiesto por los efectos que producen. Los mas importantes son los siguientes:
- Velan las películas fotográficas.
- Producen descargas luminosas en algunas sustancias como el yoduro de sodio.
- Ionizan los gases.
- Se conocen cuatro tipos de radiaciones radiactivas: α , β-, β+ y γ.
RADIACIÓN α
Los físicos denominan al núcleo radioactivo original como núcleo padre y al núcleo que permanece después de la desintegración como núcleo hijo. Puesto que una partícula alfa es 
, el núcleo hijo es una desintegración alfa, tiene dos protones y dos neutrones menos que el padre, por lo que su número atómico es inferior al del padre en dos unidades y su número másico es inferior en cuatro unidades.
, el núcleo hijo es una desintegración alfa, tiene dos protones y dos neutrones menos que el padre, por lo que su número atómico es inferior al del padre en dos unidades y su número másico es inferior en cuatro unidades. 
Un ejemplo sería la desintegración alfa del radio 226, cuyo núcleo hijo tiene un número másico de 226-4 = 222 y un número atómico dos unidades inferior al del radio Z= 88 es decir, Z= 86, que corresponde al elemento Radón.
226Ra -> 222Rn + 4He
Como sucede con todas las formas de radioactividad, la desintegración alfa es espontáneamente análoga a la emisión espontánea de un fotón cuando un átomo cae de un estado de mayor energía a otro de menor energía. La desintegración alfa es posible cuando existe un exceso de energía en el núcleo padre.
RADIACIÓN β-
El análisis de las desviaciones de la radiación β- bajo la acción de campos eléctricos y magnéticos, ha permitido establecer que está formada por electrones. Está transformación es isobárica puesto que no hay variación del número másico.De hecho se trata de un cambio de estructura de un nucleón en el interior de un núcleo, de acuerdo con la reacción:
El electrón sale en forma de radiación β- con un poder ionizante menor que la radiación alfa y con una velocidad próxima a la de la luz. El principio de conservación de la energía hacía prever que la energía liberada debería ser constante. Pero en este caso hay un incremento constante de la energía de los electrones emitidos. Está contradicción aparente fue resuelta por Pauli que sugirió la existencia de neutrinos (v), partículas de masa y carga nulas que se mueven con la velocidad de la luz. Así una reacción β- tendría la siguiente estructura:
La carga y el número de nucleones se conservan. Los neutrinos tienen una cantidad de movimiento no nula. Los neutrinos prácticamente no interaccionan con la materia, que se comporta respecto a ellos como un medio transparente. Esto explica que los neutrinos puedan efectuar grandes desplazamientos sin ser absorbidos.
RADIACIÓN β+
La radiación β+ está formada por positrones, es decir, por partículas con la misma masa que los electrones, pero con carga de signo contrario. El positrón es la antipartícula del electrón. El positrón es el resultado final de la transformación de un protón en un neutrón , de acuerdo con la siguiente reacción:
en la que la carga total y el número de nucleones se mantienen constantes.
RADIACIÓN γ
Es un tipo de radiación electromagnética muy penetrante que se mueve a la velocidad de la luz. Su longitud de onda es muy pequeña, del orden 10-11 a 10-13m. Su poder de penetración es tan elevado que puede atravesar unos cuantos centímetros de un material de gran capacidad de absorción de la radiaciones como el plomo. Por ejemplo, la intensidad de la radiación gamma del Cobalto radiactivo tiene una energía de 1,2 MeV y solo queda reducida a una milésima parte cuando atraviesa un espesor de 12cm de plomo. La radiación gamma no modifica el número atómico Z ni el número másico A de los núcleos atómicos, únicamente modifica el nivel de energía del núcleo afectado por el proceso de desintegración.
LEYES DE LA RADIACTIVIDAD:
Los núcleos atómicos son insensibles a factores externos como la presión o la temperatura, tampoco se ven afectados por reacciones químicas de los electrones del átomo,. Sin embargo, llega un momento en el que de una forma imprevista se desintegran.
Para determinar la proporción de núcleos que se desintegran en un tiempo determinado en una muestra radiactiva, se puede suponer que la cantidad de núcleos que se pueden desintegrar desde el instante t hasta el instante t + dt es: dn = λNdt, expresión que indica la proporcionalidad existente entre el número de núcleos desintegrados dn, el tiempo de observación dt y el número inicial N de núcleos de la muestra. La constante λ recibe el nombre de constante radiactiva. Si N es el número de núcleos no desintegrados en el instante t, en el instante t + dt habrá un número N + dN, siendo dN = -dn. Por lo tanto, se puede escribir:
NUCLEIDO
|
MODO DE DESINTEGRACIÓN
|
VIDA MEDIA
|
214Rn
|
α
|
270 ns
|
217Rn
|
α
|
1,7 s
|
12N
|
β+
|
11 ms
|
17F
|
β+
|
65 s
|
218Po
|
α o β+
|
3,1 min
|
239U
|
β-
|
23,5 min
|
239Np
|
β-
|
2,36 dias
|
222Rn
|
α
|
3,82 dias
|
131I
|
β-
|
8,0 dias
|
73As
|
β+
|
80 dias
|
Vida media de una serie de nucleidos radiactivos.
ENERGÍA DE LAS REACCIONES NUCLEARES:
Un aspecto importante de las radiaciones nucleares, es su balance energético. Como en todos los procesos, se verifica el principio de conservación de la energía, pero teniendo en cuenta las velocidades a las que se mueven las partículas que chocan, generalmente debe aplicarse la corrección relativista. Se producen variaciones de masa entre los elementos que colisionan y los productos de la reacción. Está masa se convierte en energía de acuerdo con la ecuación de Einstein: ΔE = Δm c2. Si se considera la reacción a + A → b + B + Q, siendo A y B núcleos de determinados elementos, a , la partícula que choca con A, b la partícula que aparece como consecuencia de la reacción nuclear y Q la cantidad de energía que interviene en el proceso, por el principio de conservación de energía se tiene:
El valor de Q puede ser positivo, negativo o cero. En la primera ecuación la reacción es exotérmica, en el segundo es endotérmica. La reacciones nucleares se miden en MeV. Un electrón.-voltio (eV) es la energía que adquiere un electrón cuando es acelerado por un potencial de un voltio. Es decir:
Una de las mas importantes aplicaciones de las reacciones nucleares, desde el punto de vista de su utilización industrial, científica y médica, es la producción de isótopos radiactivos que resultan ser muy útiles en varios procesos.
Existen tres métodos fundamentales para producir isótopos radiactivos:
- Bombardeo de núcleos en un acelerador. Se utiliza principalmente el ciclotron.
- Irradiación en un reactor nuclear. Se irradian sustancias para producir los isótopos radiactivos.
- A partir de productos de fisión. Entre los productos intermedios existen muchos radioisótopos.
FISIÓN NUCLEAR:
Cuando se bombardean núcleos de uranio con neutrones, el núcleo de uranio alcanzado por uno de los proyectiles se separa en otros dos, de peso mediano, quedando libres dos o tres neutrones rápidos. La energía liberada en está reacción es de 200 MeV. Entre los fragmentos de la separación se encuentran isótopos de todos los elementos, cuyo número atómico oscila entre 30 y 63. Los dos o tres neutrones liberados en la fisión de un átomo de uranio puede provocar a su vez nuevas fisiones y reacciones en cadena.
En pocas palabras se puede decir que la fisión nuclear es la división del núcleo de un átomo en fragmentos con mas parecida a la que tenía antes (la mitad) y neutrones.
El número de neutrones k que por cada núcleo de uranio fisionado, reacciona con otros núcleos de uranio. El valor de K recibe el nombre de factor de multiplicación. Si k=1 la reacción es crítica y se mantiene sin acelerarse. Si K < 1, la reacción está frenada por si misma. Si k > 1 la reacción en cadena crece hasta hacerse explosiva.
Durante el proceso de fisión, las energías de los neutrones, fotones y productos de fisión generan calor.
FUSIÓN NUCLEAR:
Las reacciones de fusión, son aquellas en las que dos núcleos ligeros se unene originando un núcleo mas pesado, varias partículas y radiación gamma. En este tipo de reacción se produce una perdida de masa que produce la liberacion de energía. Estas reacciones ocurren en el sol y las estrellas, debido a las altas temperaturas existentes.
El conjunto de reacciones nucleares o termonucleares reciben el nombre de ciclo del carbono-nitrógeno
En está reacción se obtiene una energía del orden 25 MeV. Producir reacciones termonucleares en la Tierra no es sencillo debido a que se necesitan elevadas temperaturas. Los procedimientos con los que se ha logrado producir reacciones de fusión nuclear son:
- La bomba de Hidrógeno. La temperatura la produce una explosión nuclear.
- Por generación de plasma. Gas altamente ionizado que se calienta mediante las compresiones y dilataciones a las que se ve sometido.
- Por acción de un pulso láser.
ACELERADORES DE PARTÍCULAS:
En un instrumento capaz de acelerar partículas cargadas con el fin de aumentar su energía cinética umbral que incida sobre otras partículas y así generar reacciones nucleares. Se divide en dos: Aceleradores de baja energía y aceleradores de alta energía. El límite que separa a estos dos en el umbral es de 135 MeV.
- ACELERADORES DE BAJA ENERGÍA: Se destina habitualmente a aplicaciones relacionadas con el análisis de materiales mediante técnicas no destructivas. Otra aplicación importante es la implantación iónica, que se lleva a cabo en aceleradores llamados implantadores, estos tiene por objeto dotar al material de ciertas propiedades como dureza. Los aceleradores de baja energía mas utilizados son:
a) Aceleradores Van de Graaf: Producen la aceleración de partículas cargadas crando diferencias de potencial que pueden llegar a alcanzar varios millones de voltios. Se basan en el hecho de que una partícula con carga q sometida a un potencial V experimenta una aceleración y adquiere una energía cinética:
EC = QV
b) Acelerador Tandem: En este acelerador se producen iones negativos que se aceleran mediante una diferencia de potencial adecuada, hasta alcanzar una energía maxima de 5 MeV - ACELERADORES DE ALTA ENERGÍA: Pueden ser de do tipos
a) Aceleradores Lineales: En los que la trayectoria de las partículas es rectilinea
b) Aceleradores de trayectoria Curvilinea: Las partículas describen recorridos curvilineos debido al uso de campos magnéticos. Los mas utilizados son el ciclotron y y el sincrotron.
https://semanariouniversidad.com/universitarias/ucr-construira-ciclotron-para-tratamiento-oportuno-de-cancer/
Bibliografía:
Rex, A. Wolfson, R. Fundamentos de Física. Madrid: Editorial Pearson; 2011.
Enciclopedia. La Biblia de la Física y Química. Barcelona: Editorial Lexus;
2013.
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