Procesos nucleares

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Procesos de combinación y transformación de las partículas y núcleos atómicos. Las reacciones nucleares pueden ser endotérmicas o exotérmicas, atendiendo a si precisan energía para producirse o a si la desprenden respectivamente.

Tabla de contenidos

1 Fuerzas
2 Tipos de partículas
3 Leyes de conservación
4 Energía por nucleón
5 Reacciones en cadena
- 5.1 1.Fisión nuclear
- 5.2 2.Fusión nuclear
6 Desintegración radiactiva
7 Fotodesintegración
8 Creación y aniquilación de pares
9 Captura de neutrones
10 Captura de protones
11 Captura de electrones
12 Véase también

[editar] Fuerzas

Más información en: Fuerzas fundamentales

Nuclear fuerte: Es la fuerza más fuerte de la naturaleza y tiene, en principio, muy corto alcance, 1E-15m, apenas un fermi. Es la responsable de las ligaduras nucleares. Entre hadrones se manifiesta mediante el intercambio de mesones, piones sobre todo. Pero la verdadera expresión de la nuclear fuerte ocurre en las uniones entre quarks mediante una partícula mediadora de fuerza llamada gluón que viene de "glue" que significa pegamento. Los gluones unen con tal firmeza a los quarks que hasta ahora no se les ha podido observar libres en la naturaleza sino que siempre aparecen ligados a, por lo menos, otro quark. Aquí la fuerza actúa con alcance infinito y aumenta con la distancia es decir cuanto más alejamos dos quarks más fuertemente se atraen. Dado que es una fuerza derivada de las atracciones entre quarks aquellas partículas que no están constituidas por estos como son los leptones no se ven afectados por ella.
Nuclear débil: Es la fuerza de menor alcance, 1E-18m distancia ésta menor que el núcleo, es, además, cienmil veces más débil que la nuclear fuerte. Sus partículas mediadoras de fuerza son los bosones W y Z. Es la responsable de la mayoría de los procesos radioactivos.
Electromagnética: Esta es una fuerza de largo alcance, en realidad alcance infinito. Además es una fuerza muy fuerte tan solo cien veces más débil que la nuclear fuerte. Actúa entre cargas eléctricas pudiendo ser repulsiva o atractiva según el signo de estas. La partícula mediadora de fuerza es el fotón. Es responsable de las ligaduras interatómicas así como de los propios electrones al átomo.
Gravitatoria: Débil y de largo alcance. Actúa sobre la masa y la energía. Siempre es atractiva. Totalmente negligible en las reacciones nucleares ya que es 1E38 veces más débil que la nuclear fuerte. Se cree, aunque no se ha probado aún, que podría tener un mediador de fuerza, el gravitón. Es la única fuerza que aun se explica mediante un modelo continuo en vez de uno quantizado. Es la responsable de la atracción entre los objetos astronómicos.

[editar] Tipos de partículas

Más información en: Modelo Estándar | Tabla de partículas | Lista de partículas

Según su espín:

Bosones: Partículas de espín entero (0, 1, 2...). Lo son los fotones y los mesones.
Fermiones: Partículas de espín semientero (1/2 , 3/2...). Lo son los bariones, los quarks y los leptones.

Según su estructura o interacciones en que pueden estar envueltas:

Hadrones: Partículas formadas por quarks. Lo son los mesones y los bariones.
- Mesones: Hadrones formados por dos quarks.
- Bariones: Hadrones formados por tres quarks. Lo son los protones y los neutrones.
Leptones: Partícula fundamental en principio indivisible que no experimenta interacción fuerte. Lo son los electrones, los muones, el tau y los neutrinos.
Quark: Partícula fundamental en principio indivisible que necesariamente ha de aparecer ligada a otros quarks para formar hadrones. Los protones y los neutrones están compuestos de tres quarks. Tiene carga eléctrica fraccionaria y también interactúa débilmente (si el quark es izquierdo). Experimenta interacción fuerte.

Antipartículas: Cada partícula tiene su propia antipartícula asociada. Estas tienen igual masa pero carga opuesta. O, cuando no tienen carga eléctrica, tienen otra propiedad característica opuesta como la helicidad en el caso del neutrino y el antineutrino, si no tuvieran masa. En cualquier caso, sería posible que el neutrino y el antineutrino fueran la misma partícula fermiónica de Majorana si, finalmente, aunque pequeña, se mide que tienen masa no nula.

[editar] Leyes de conservación

Todo proceso nuclear ha de cumplir un formalismo semejante al que siguen los químicos en las reacciones químicas. De hecho en cuanto a simbología ambos tipos de procesos se escriben de forma bastante parecida. Si en las reacciones químicas se conservaba la masa atómica en las nucleares ya no sucede lo mismo. Ya que hay transformaciones de masa a energía y viceversa. A pesar de ello, los procesos nucleares siguen sus propias leyes de conservación.

Energía relativista: La energía relativista es la suma de las energías cinéticas de las partículas y sus energías en reposo. Ésta se conserva durante cualquier reacción nuclear.
Carga eléctrica: El valor total de las cargas eléctricas a ambos lados de la ecuación ha de mantenerse. La unidad de carga es la del electrón y se representa por q_e.
Número bariónico: Se asigna el valor +1 a los bariones y -1 a los antibariones. El valor durante la reacción debe mantenerse constante.
Número leptónico: Se asigna el valor +1 a los leptones y -1 a los antileptones. El valor durante la reacción debe mantenerse constante. Existe un número leptónico por cada generación de partículas así de hecho son tres, un número leptónico electrónico, otro muónico y otro tauónico y en realidad se han de conservar todos ellos por separado.
Extrañeza (strangeness): Se asigna el valor 0 a las partículas normales, fotones, leptones o piones y +1 o -1 a las partículas y antipartículas extrañas como los mesones k o kaones. Estos tienen una vida media por encima de lo normal y surgen por pares. Este valor se conserva durante la reacción solo en las interacciones electromagnéticas o nucleares fuertes, no así en las débiles.

Nota: Probablemente, sin la conservación de los números bariónicos, leptónicos y la estrañeza, hoy día el universo solo sería una sopa de leptones o partículas aun menores que se habrían ido degradando de forma irreversible.

[editar] Energía por nucleón

Gráfico de las energías de enlace nuclear según la masa atómica. Se puede observar como el rendimiento para la fusión es mucho mayor que para la fisión.

Es la energía potencial nuclear contenida en cada nucleón de un átomo. Esta energía varía según el átomo. Este hecho es el que se conoce, normalmente, como defecto de masa y es el causante de que las reacciones de fisión y fusión liberen energía. Por poner un ejemplo, este curioso fenómeno hace que un neutrón y un protón aislados sumen más masa que los dos juntos formando un núcleo de deuterio. En la imagen adjunta se sitúa un gráfico en el que se pueden ver algunas de estas energías.

Una manera aproximada de obtener esa energía potencial es calcular la energía en reposo de un núcleo atómico a partir de su masa atómica. Acto seguido se debe dividir esa energía entre el número de nucleones de ese núcleo. Entonces se debe restar ese valor de la energía en reposo del hidrógeno, unos 938MeV. Para ver las masas atómicas de cada isótopo: webelements. Cálculos más detallados en: Defecto de masa

La función de la figura tiene un máximo, el pico del hierro. El hierro es el elemento nuclearmente más estable de todos porque tanto para fusionarlo como para fisionarlo hay que invertir energía adicional. Los motivos que explican la forma de esta gráfica son los siguientes. Para átomos ligeros la fuerza nuclear fuerte es dominante pero esta fuerza solo actúa a muy corto alcance mientras que las fuerzas repulsivas electromagnéticas entre protones son de largo alcance y actúan siempre en todos los protones. En los núcleos más pesados, sin embargo, las distancias entre muchos de los nucleones son demasiado grandes y la cohesión por interacción fuerte ya no es tan intensa. Por otro lado las fuerzas electromagnéticas de repulsión son cada vez más fuertes ya que hay más protones y estas son de largo alcance. Así, a partir del hierro, la barrera de potencial eléctrico que hay que romper para añadir un protón más al núcleo supera al beneficio energético que da la interacción fuerte al juntarlo con el resto de los nucleones. Esto también explica la suave pendiente de la energía obtenida por la fisión ya que realmente viene dada por el exceso de potencial eléctrico por encima de la cohesión por interacción fuerte mientras que la energía de fusión es todo lo contrario, la energía la aporta la interacción fuerte que supera muy de largo a las fuerzas repulsivas sobre todo en los átomos más ligeros como el hidrógeno o el helio sin apenas cargas positivas.

[editar] Reacciones en cadena

Son reacciones que se realimentan a sí mismas. La máxima fundamental para que se mantengan este tipo de reacciones es que sean exotérmicas. De no ser así, el proceso no tardaría en detenerse.

[editar] 1.Fisión nuclear

Ocurre cuando una partícula rompe un núcleo pesado. Pueden ser controladas o descontroladas.

- Controlada: Se da sólo en las centrales nucleares. Recientemente se han descubierto algunos yacimientos de uranio natural que en el pasado, cuando la proporción de U-235 era mayor pudieron padecer procesos naturales de fisión nuclear a modo de reactores naturales. Particularmente curioso y único parece ser el caso de las minas de Oklo en África.

- Descontrolada: Se da en las llamadas bombas A y requieren determinado tipo de átomos llamados fisibles o físiles. Lo son el ²³⁵U y el ²³⁹Pu

Ejemplos:

$n+{}^{235}U\boldsymbol{\rightarrow}{}^{140}Cs+{}^{93}Rb + 3n$

nº bariónico: 1+235 = 140+93+3·1 = 236 (Se conserva)
Energía: +200MeV

Más información en: Fisión nuclear

[editar] 2.Fusión nuclear

[editar] Desintegración radiactiva

Ocurre cuando un núcleo o partícula inestable se descompone espontáneamente en otro núcleo o partícula emitiendo algún tipo de radiación en el proceso.

Ejemplos:

$n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e$

nº bariónico: 1 = 1 (se conserva)
nº leptónico: 0 = 1 -1 (se conserva)

Más información en: Radiactividad.

[editar] Fotodesintegración

Sucede de forma parecida a la desintegración espontánea solo que ésta vez el proceso viene inducido por un fotón gamma extremo. Esta reacción es endotérmica.

Ejemplos:

$\gamma + {}^{20}Ne \rightarrow {}^{16}O+ {}^4 He$

nº bariónico: 20 = 16 + 4

[editar] Creación y aniquilación de pares

Un fotón suficientemente energético puede generar pares de partículas al interaccionar con otro fotón u otra partícula. El par generado puede ser electrón/positrón o protón/antiprotón, por ejemplo. El tipo de partícula generada dependerá de la frecuencia o energía del fotón. Asimismo estos pares de partículas pueden aniquilarse si chocan entre sí generando, a su vez, nuevos fotones de frecuencia.

$\gamma \leftrightarrow e^- + e^+$

nº leptónico: 0 = 1 - 1

Para el par electrón/positrón, por ejemplo, el fotón gamma tendrá que tener una energía mayor que 1022keV ya que cada electrón tiene 511keV de energía en reposo y siempre hace falta una cierta energía cinética para que puedan separarse el uno del otro.

Así mismo, estos pares podrán aniquilarse posteriormente generando a su vez dos o más fotones de frecuéncia.

Ver: Aniquilación positrón-electrón

[editar] Captura de neutrones

Como se ha explicado anteriormente, la fusión nuclear solo permite llegar hasta el pico del hierro. Para crear núcleos más pesados que este elemento hacen falta otro tipo de reacciones distintas. La captura de neutrones es una reacción sencilla. Los neutrones al ser partículas neutras no han de superar una barrera de potencial electromagnético por lo que pueden chocar sin problemas con cualquier núcleo. Al hacerlo dan como resultado un isótopo con un número másico mayor pero el mismo número atómico ya que el número de protones no varía. Este proceso se puede seguir repitiendo hasta que el núcleo sobrecargado de neutrones se vuelve tan inestable que la desintegración beta ocurre con más rapidez de la que se absorbe otro neutrón. Cuando ocurre esto el núcleo incrementa su número atómico pero mantiene intacto el másico. Al hacerlo aumenta su estabilidad y puede seguir captando neutrones. Y así, poco a poco, los átomos van engordando hasta elementos más pesados que el hierro.

En el diagrama adjunto se representa el número de protones (Z) en función del número de neutrones (N). N va creciendo hasta que el tiempo característico de la desintegración beta es menor que el de la captura de neutrones, momento en el cual se produce una transmutación del núcleo convirtiéndose en un elemento distinto. La cantidad de neutrones que llega a sumar antes de transmutarse dependerá de la intensidad del flujo de neutrones al que el núcleo inicial se vea sometido.

Según si el flujo es rápido (rapid) o lento (slow) se hablará de proceso-r o proceso-s respectivamente. Hay átomos que se pueden producir por uno solo de los procesos y otros que se pueden producir en ambos.

Estos flujos intensos de neutrones se dan de forma natural en las supernovas que es donde se sintetizan la mayoría de los elementos más pesados que el hierro. Aun así, hay átomos que no se pueden producir mediante este proceso.

[editar] Captura de protones

Este proceso también es relativamente probable. Si bien un protón tiene cierta carga eléctrica, tampoco tiene mucha y no le hace falta demasiada energía para romper la barrera de potencial. La captura de protones hace aumentar el número atómico y el número másico a la vez.

[editar] Captura de electrones

Es el proceso, mediante el cual, los electrones son capturados por los núcleos transformándose así los protones en neutrones. Por eso el proceso recibe también el nombre de neutronización. Se produce, sobre todo, durante la formación de las estrellas de neutrones.