Entendiendo el núcleo atómico


En esta entrada vamos a hablar de la física del núcleo atómico. Esto nos servirá para tener la base necesaria para afrontar un estudio de las reacciones nucleares. No es nuestra intención formar una opinión acerca de las bondades o maldades de esta forma de generar energía, lo único que queremos hacer es exponer, de la manera más llana posible, qué mecanismos físicos están implicados en los procesos nucleares.

Todo este material se puede encontrar en cualquier libro de física nuclear:

Libros de física nuclear

El que escribió esta entrada estudió física nuclear con el libro de Krane:

Introductory Nuclear Physics K. S. Krane

Y en google se pueden encontrar muchas referencias a física nuclear:

Lecciones de física nuclear en google

Estamos seguros que alguien en el mundo tiene un blog explicando exáctamente lo mismo con mayor claridad y profundidad, pedimos disculpas por no referenciarlo aquí debido a nuestro desconocimiento del total de la blogosfera que ha tratado el tema a nivel mundial.

Breve descripción de la estructura nuclear

1.-  Sabemos que tenemos átomos. Dichos átomos están constituidos por un núcleo y por electrones que “orbitan” alrededor del mismo.

2.-  Los átomos son neutros, los electrones tienen carga negativa, por tanto el núcleo tiene que tener una carga positiva que compense a la carga de todos los electrones del átomo.

3.-  El núcleo contiene dos tipos de partículas que llamamos genéricamente nucleones.  Los nucleones son el protón (con la misma carga eléctrica que el electrón pero positiva) y los neutrones (partículas neutras).

4.-  Dado que en un átomo en condiciones usuales es neutro el número de protones, que lo llamaremos Z, tiene que igualar al número de electrones. A este número lo llamaremos número atómico. En principio el número de neutrones no tiene restricción dado que son partículas neutras, al número de neutrones los representaremos por N. A la suma del número de protones Z y del número de neutrones N se le denomina número másico que denotaremos por A.  Por lo tanto:

A=Z+N

5.-  Un elemento químico está determinado por el número de electrones que posee ya que esto determina sus propiedades químicas.  Sin embargo, un mismo elemento químico puede presentarse con diferentes números de neutrones en su núcleo.  Es decir, un elemento químico viene determinado por Z pero pueden existir distintos valores de A para un mismo elemento, lo que implica diferente número de neutrones N. A los átomos de un mismo elemento, misma Z, con diferente número másico se los denomina isótopos.

6.-  Así pues para trabajar con núcleos los denotaremos por su nombre, por ejemplo el elemento X (ya sea carbono C, hidrógeno H, nitrógeno N, uranio U,…) con un superíndice que indica su número másico y un subíndice que indica su número de protones o número atómico:  X^A_Z.

Isótopos y estabilidad nuclear

Los núcleos están formado por un número Z de protones y un número N de neutrones.  Los protones tienen carga positiva y por tanto se repelen eléctricamente.  Sin embargo, dentro del núcleo opera una interacción denominada interacción nuclear fuerte que es mucho más intensa que la interacción eléctrica pero de muy corto alcance, su intensidad va rápidamente a cero para distancias mayores que los tamaños típicos del núcleo que son del orden del fermi (fm).  Un fermi equivale a 10^{-15} metros.

En la naturaleza tenemos isótopos estables, es decir que sus núcleos no se desintegran espontáneamente en otros núcleos más pequeños, e isótopos inestables.  La estabilidad o inestabilidad nuclear viene determinada por el contenido energético del núcleo.  Es bien conocido que los sistemas tienden a tener el mínimo contenido energético posible, pues bien, un isótopo estable está en un mínimo de energía mientras que un isótopo inestable está en un máximo. Pongamos un ejemplo visual para esto:

Describamos esta gráfica:

a)  Aquí estamos representando por la línea verde la energía de un sistema representado por la pelota verde clarito. Hemos de decir que esto simplemente es una representación, en esta gráfica no se representa movimientos reales sólo el contenido energético del sistema.

b)  La variación es algo que le hacemos al sistema, ya sea cambiar su posición, acelerarlo, frenarlo, bombardearlo con neutrones, etc.  Es simplemente una variación en su estado.

c) En el punto 1 el sistema irá espontáneamente hasta el punto 2 porque tiene un mínimo de energía.

d)  Evidentemente el sistema “preferirá” estar en el punto 5, donde tendría su menor energía en términos absolutos.

e)  Pero para ir del punto 2 hasta el punto 5 el sistema tiene que ganar energía para ser capaz de superar la energía del punto 3.  Esto se suele denominar genéricamente energía de excitación o energía de activación.  Este concepto es muy útil tanto en química para entender la forma de producirse las reacciones químicas como en lo que veremos de procesos nucleares como fisión y fusión.

Hemos de entender que el sistema no tiene que preservar su “forma”, por ejemplo, si estamos hablando de un núcleo atómico puede que para ir de 2 a 5 el núcleo tenga que romperse en fragmentos más pequeños, es decir, sufrir un proceso de fisión nuclear.

Entonces tenemos dos situaciones posibles:

–  El sistema está en el punto 2 y hay que excitarlo de algún modo para que llegue al punto energético 3. Lo cual hace que gane energía y esté en un estado excitado y luego se libere de algún modo de la energía para llegar a 5.

–  El sistema está de forma natural en el punto energético 3, por lo tanto es inherentemente inestable y decaerá espontáneamente hacia Z.

Radiación nuclear

Si nos centramos en los núcleos podemos tener varias opciones.

– El núcleo excitado se rompe en fragmentos más pequeños que salen despedidos con una energía cinética total dada por la diferencia entra la energía del estado con la energía Y y la energía Z (fisión nuclear).  En términos de energía nuclear a esta forma de liberar energía se la denomina genéricamente “calor”.  Veremos la razón de esta denominación en las siguientes entradas de este tema.

– El núcleo emite radiación nuclear.  Sabemos que hay tres formas de radiación, la radiación alfa, la radiación beta y la radiación gamma. No discutiremos estas formas de radiación en estas entradas pero baste decir que esto es lo que hace peligroso a un elemento radiactivo ya que estas radiaciones son capaces de penetrar en los tejidos y causar graves daños a nivel tisular y molecular.  Para nuestros propósitos estos son los efectos de los desechos nucleares que trataremos en su momento.

–  El núcleo se combina con otros núcleos para formar un núcleo más pesado y más estable (fusión nuclear).

¿Cómo “sabe” un núcleo si tiene que fisionarse o fusionarse?

El concepto clave que nos permite decir si un núcleo es estable o inestable, o si prefiere la fusión o la fisión nuclear es el de energía de enlace.  La energía de enlace se define en términos llanos como:

La energía de enlace es la energía mínima necesaria que hay que aplicar a un núcleo para descomponerlo en sus constituyentes elementales, los nucleones.

Supongamos que tenemos un núcleo formado por 3 protones y 2 neutrones (esto es simplemente un ejemplo).  Ahora calculamos la masa total de todos esos constituyentes por separado:

3m_{proton}+2m_{neutron}=m'

Y lo comparamos con la masa del núcleo formado por tres protones y dos neutrones M_{nucleo}

\Delta m= m'-M_{nucleo}

Ahora aprovechamos la famosa ecuación de Einstein que relaciona la masa (de una partícula en reposo) con su energía:

\Delta E=\Delta m c^2

En general lo que ocurre es que la masa del núcleo es menor que la masa de la suma de sus nucleones por separado.  Esto es debido a que cuando se forma el núcleo este es una configuración más estable que los nucleones por separado, por tanto se libera energía, justamente la debida a la diferencia entre las masas.

La energía de enlace (BE, por Binding Energy del término en inglés) se define como esta diferencia de energía por nucleón, es decir, dividimos por el número másico A:

BE=\dfrac{\Delta E}{A}

A mayor BE mayor estabilidad del núcleo.

Si graficamos esta BE:

Aquí se ve que el Hierro es el elemento más estable que existe.  Los elementos a su izquierda tienen energías de enlace por nucleón menores y por tanto quieren aumentarla para ello tienen que fundirse con otros nucleos para conseguir más masa.  Sin embargo, a la derecha del hierro ocurre lo contrario, los elementos son muy pesados y su energía de enlace es menor que la del Hierro por tanto lo que quieren es fisionarse para ser más estables.

Nota:  Aquí puede parecer que hemos cambiado la forma de interpretar las gráficas de energías, eso es porque hemos definido \Delta E= m_{nucleones}-M_{nucleo}.  Si uno calcula \Delta E= M_{nucleo}-m_{nucleones} obtendría:

Con estos conceptos ya estamos en disposición para entender la fisión y la fusión nuclear.  Además hablaremos de cómo funciona una central nuclear y de cómo se pueden tratar los residuos nucleares en siguientes entradas.

Nos seguimos leyendo…

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4 Respuestas a “Entendiendo el núcleo atómico

  1. Pingback: Extrañas estrellas extrañas | Cuentos Cuánticos

  2. La entrada de 10 como siempre.
    No existe un error en:” ….su intensidad va rápidamente a cero para distancias menores que los tamaños típicos del núcleo….” no querrás decir que llega a cero para distancias mayores que el tamaño del núcleo?
    Por cierto, esto mismo se explica en un librito llamado “Alicia en el país de los cuantos” …. lo digo por lo de los plagios…..Vaya tela!

  3. Pingback: Destrozando núcleos: La fisión | Cuentos Cuánticos

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