Física nuclear

Na Galipedia, a wikipedia en galego.

A física nuclear é unha rama da física que estuda as propiedades e o comportamento dos núcleos atómicos. A física nuclear é coñecida mayoritariamente pola sociedade no seu papel na enerxía nuclear en centrais nucleares e no desenvolvemento de armas nucleares, tanto de fisión como de fusión nuclear. Nun contexto máis amplo, defínese a física nuclear e física de partículas como a rama da física que estuda a estrutura fundamental da materia e as interaccións entre partículas subatómicas.

Índice 1 Desintegración nuclear 2 Primeiros experimentos 3 Reaccións nucleares 4 Análise radioquímico 5 Científicos relevantes en la física nuclear 6 Fisión e fusión

[editar] Desintegración nuclear

Os núcleos atómicos consisten en protóns, cargados positivamente, e neutróns sen carga. O número de protóns dun núcleo é o seu número atómico, que define ó elemento químico. Todos os núcleos con 11 protóns, por exemplo, son núcleos de átomos de sodio (Na). Un elemento pode ter varios isótopos, cuxos núcleos teñen un número distinto de neutróns. Por exemplo, o núcleo de sodio estable contén 12 neutróns, mentres que os que conteñen 13 neutróns son radiactivos. Eses isótopos anótanse como ₁₁²³Na e ₁₁²⁴Na, onde o subíndice indica o número atómico, e o superíndice representa o número total de nucleóns, é dicir, de neutróns e protóns. Calquera especie de núcleo designada por un certo número atómico e de neutróns chámase núclido.

Os núclidos radiactivos son inestables e sofren unha transformación espontánea en núclidos doutros elementos, liberando enerxía no proceso (véase Radiactividade). Esas transformacións inclúen a desintegración alfa (α), que supón a emisión dun núcleo de Helio (₄He⁺²), e a desintegración beta ou a desintegración β⁺ (positrón). Na desintegración β un neutrón transfórmase nun protón coa emisión simultánea dun electrón de alta enerxía. Na desintegración β⁺ un protón nuclear convértese nun neutrón emitindo un positrón de alta enerxía (ver Partículas elementais). Por exemplo, o ²⁴Na sofre unha desintegración β formando o elemento superior, o magnesio:

₁₁²⁴Na → ₁₂²⁴Mg + β + γ

A radiación gamma (γ) é radiación electromagnética de alta frecuencia e enerxía. Cando se produce a desintegración α ou β, o núcleo resultante permanece a miúdo nun estado excitado (maior enerxía), polo que se produce unha emisión de raios gamma e o núcleo pasa a un estado de menor enerxía.

Ao representar a desintegración dun núclido radiactivo débese determinar tamén o periodo de semidesintegración do núclido, é dicir, o tempo que tarda en desintegrarse a metade da mostra. O periodo de semidesintegración do ²⁴Na, por exemplo, é de 15 horas. Os físicos nucleares determinan tamén o tipo e enerxía da radiación emitida polo núclido.

[editar] Primeiros experimentos

A radiactividade foi descuberta nos sales de uranio polo físico francés Henri Becquerel en 1896. En 1898, os científicos franceses Marie e Pierre Curie descubriron dous elementos radiactivos existentes na natureza, o polonio (₈₄Po) e o radio (₈₈Ra). Durante a década de 1930, Irène e Frédérick Joliot-Curie obtiveron os primeiros núclidos radiactivos artificiais bombardeando boro (₅B) e aluminio (₁₃Al) con partículas a para formar isótopos radiactivos de nitrógeno (₇N) e fósforo (₁₅P). Os isótopos destes elementos presentes na natureza son estables.

Os científicos alemáns Otto Hahn e Fritz Strassmann descubriron a fisión nuclear en 1938. Cando se irradia uranio con neutrones, algúns núcleos divídense en dous núcleos con números atómicos aproximadamente a metade do número atómico do uranio. A fisión libera unha cantidade enorme de enerxía e utilízase en armas e reactores de fisión nuclear.

[editar] Reaccións nucleares

A física nuclear inclúe tamén o estudo das reaccións nucleares: o uso de proxectís nucleares para converter un tipo de núcleo noutro. Se, por exemplo, se bombardea o sodio con neutrones, parte dos núcleos estables ²³Na capturan estes neutrones para formar núcleos radiactivos ²⁴Na:

²³Na + ₀¹n → ²⁴Na + γ

Estas reaccións estúdanse colocando mostras dentro dos reactores nucleares para producir un fluxo alto de neutrones (número elevado de neutrones por unidade de área).

Os núcleos tamén poden reaccionar entre eles pero, se están cargados positivamente, se repelen entre si con gran forza. Os núcleos proxectís deben ter unha enerxía o bastante alta como para superar a repulsión e reaccionar cos núcleos branco. Os núcleos de alta enerxía obtéñense nos ciclotróns, nos xeradores de Van de Graaff e noutros aceleradores de partículas.

Unha reacción nuclear típica é a que se utilizou para producir artificialmente o elemento seguinte ao uranio (₉₂U), que é o elemento máis pesado existente de xeito natural na natureza. O neptunio (₉₂Np) obtívose bombardeando uranio con deuteróns (núcleos do isótopo hidróxeno pesado, ₁₂H) segundo a reacción:

₉₂U + ₁²H → ₉₂Np + 2₀¹n

[editar] Análise radioquímico

As partículas alfa, que son emitidas normalmente por elementos con números atómicos (Z) superiores a 83, teñen a enerxía discreta característica dos núclidos emisores. Así, os emisores α poden ser identificados medindo a enerxía das partículas α. As mostras a medir deben ser moi delgadas porque estas partículas perden rápidamente enerxía ó atravesar o material. Os raios gamma tamén teñen a enerxía discreta característica do núclido que se desintegra, polo que a enerxía destes raios tamén pode usarse para identificar núclidos. Posto que os raios gamma poden atravesar unha cantidade considerable de material sen perder enerxía, a mostra non ten que ser delgada. Os espectros de enerxía das partículas beta (e os positróns) non son útiles para identificar núclidos porque se estenden sobre todas as enerxías ata un máximo para cada emisor β.

A miúdo, as técnicas de física nuclear empréganse para analizar materiais rastrexando elementos presentes en cantidades moi pequenas. A técnica utilizada chámase análise de activación. Irrádiase unha mostra con proxectís nucleares (normalmente neutróns) para converter núclidos estables en núclidos radiactivos, que logo mídense con detectores de radiación nuclear. Por exemplo, o sodio dunha mostra pode ser detectado irradiando a mostra con neutróns, e convertendo así parte dos núcleos estables ²³Na en núcleos radiactivos ²⁴Na; a continuación mídese a cantidade destes últimos contando as partículas β e os raios γ emitidos.

A análise de activación pode medir (sen separación química) cantidades tan pequenas como 1 nanogramo (10^-9 g, ng) duns 35 elementos en materiais como o chan, as rocas, os meteoritos e as mostras lunares. Tamén pode utilizarse para analizar mostras biolóxicas, como o sangue e o tecido humano; con todo, nos materiais biolóxicos pódense observar poucos elementos sen separacións químicas.

Outras aplicacións importantes da física nuclear son o desenvolvemento de métodos para producir especies radiactivas utilizadas para a diagnos e os tratamentos médicos. Tamén desenvolveu os isótopos trazadores que se usan para estudar o comportamento químico dos elementos, para medir o desgaste dos motores de automóbiles e noutros estudos que empregan cantidades mínimas de material.

[editar] Científicos relevantes en la física nuclear

• • Marie Curie
  • Henri Becquerel
  • Irène Joliot-Curie
  • Pierre Curie
  • Niels Bohr
  • Jean Frédéric Joliot-Curie

[editar] Fisión e fusión

Os conceptos de fisión e fusión nuclear difiren nas características de formación de cada un. Desta forma atópase que a fisión (utilizada nas bombas nucleares de uranio, como as da Segunda Guerra Mundial contra Xapón) consiste no "bombardeo" de partículas subatómicas ó uranio (ou a calquera elemento transuránico, a condición de que as súas características o permitan), traendo como consecuencia a fisión (de alí o seu nome) do átomo e con isto a dos demais átomos adxacentes ó bombardeado, nunha reacción en cadea. Mentres, a fusión é a unión baixo certas condicións (altas presións, altas temperaturas, altas cargas, etc.) de dous ou máis átomos: esta crea moita máis enerxía e obsérvase na coñecida bomba H (bomba de hidróxeno).

A fusión representa diversos problemas, xa que a nivel atómico as cargas dos átomos repélense entre si impedindo a unión destes. Por iso recórrese en xeral á utilización de isotópos radioactivos (como o é o deuterio, isótopo do hidrógeno, ₁²H), perfecto para a fusión polo seu pequeno número atómico e unha radioactividade considerable. Así que con esta diferenza de potencial (producido pola radioactividade) e condicións de alto voltaxe, en conxunto de técnicas adecuadas e a aceleración de partículas lograríase a fusión dos devanditos átomos converténdoos ó estado do plasma e por conseguinte, ionizándoos (perdendo os electróns) favorecendo á unión. A unión de átomos de deuterio ten dous posibles resultados:

D + D -> T + p

D + D -> He + n

(onde D = ₁²H; T = ₁³H; p = ₁¹p; n = ₀¹n)

Falando en particular do segundo caso, a unión de dous átomos de deuterio podería formar ₂⁴He (isótopo excitado), o cal transformaríase en He (helio) n (liberación dun neutrón). A enerxía compénsase a partir da liberación do neutrón.

A enerxía da fusión é liberada en tal cantidade que ata o momento non foi lograda ser aproveitada ó máximo. E representa moitas vantaxes en relación á fisión nuclear:

1. Non deixa residuos nucleares (radiactivos)
2. É moito máis estable (non ocorre en reacción en cadea, necesitando de condicións de presión e temperatura).
3. Produce relativamente moita máis enerxía.

Así mesmo, xorden os reactores de fusión nuclear, que funcionan con aceleración de partículas (en ciclotróns ou aceleradores comúns), con confinamiento electrostático (creado por Philo T. Farnsworth) onde se somete deuterio ó baleiro e a altos voltaxes en conxunto á súa aceleración producida por atracción de potenciais eléctricos. Entre outras técnicas.

Traballo en progreso: Este artigo é, polo de agora, só un esbozo. Traballa nel e contribúe a que a Galipedia mellore e medre.