Física nuclear para niños
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Física nuclear
 • Núcleo • Nucleones (p, n) • Materia nuclear • Fuerza nuclear • Estructura nuclear • Procesos nucleares |
La física nuclear es una parte de la física que se dedica a estudiar el núcleo de los átomos. Imagina que el átomo es como una pequeña ciudad; la física nuclear se enfoca en el centro de esa ciudad, que es el núcleo. Esta rama de la física también explora cómo se comportan los núcleos, qué propiedades tienen y cómo interactúan entre sí.
En un sentido más amplio, la física nuclear y de partículas es la parte de la física que investiga de qué está hecha la materia a su nivel más básico y cómo interactúan las partículas muy pequeñas que la forman.
La física nuclear es conocida por cómo se usa la energía nuclear en las centrales eléctricas para generar electricidad. Pero sus descubrimientos también se aplican en muchos otros campos, como la medicina (por ejemplo, en la medicina nuclear y las imágenes por resonancia magnética), la ingeniería (para modificar materiales) y la arqueología (para saber la edad de objetos antiguos usando el carbono-14).
Contenido
Historia de la Física Nuclear
La historia de la física nuclear comenzó en 1896. Fue entonces cuando Henri Becquerel descubrió la radiactividad mientras estudiaba unas sales de uranio. Un año después, Joseph John Thomson descubrió el electrón, lo que confirmó que los átomos tenían partes más pequeñas dentro. Al principio del XX, se pensaba que el átomo era como un "pudin de ciruelas", donde una masa positiva tenía electrones negativos incrustados.
En los años siguientes, muchos científicos, como Marie Curie, Pierre Curie y Ernest Rutherford, investigaron la radiactividad. Descubrieron tres tipos de radiación que salían de los átomos: alfa, beta y gamma. En 1911 y 1914, los experimentos de Otto Hahn y James Chadwick mostraron que la radiación beta era continua, lo que parecía un problema para la idea de que la energía siempre se conserva.
En 1903, Becquerel, Marie Curie y Pierre Curie recibieron el Premio Nobel por sus trabajos sobre la radiactividad. Rutherford ganó el Premio Nobel de Química en 1908 por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos.
En 1905, Albert Einstein propuso su famosa idea de que la masa y la energía son equivalentes (E=mc²). Esta idea ayudó a entender de dónde venía la energía de la radiactividad, pero la explicación completa llegó más tarde, cuando se descubrió que el núcleo estaba formado por partículas aún más pequeñas, llamadas nucleones.
Rutherford Descubre el Núcleo Atómico
En 1909, Ernest Rutherford, junto con Hans Geiger y Ernest Marsden, realizó un experimento muy importante en la Universidad de Mánchester. Dispararon partículas alfa (que son núcleos de helio) contra una lámina muy fina de oro.
Según el modelo del "pudin de ciruelas", esperaban que las partículas alfa pasaran a través de la lámina con solo pequeñas desviaciones. Pero para su sorpresa, algunas partículas rebotaron o se desviaron en ángulos muy grandes. Rutherford lo comparó con disparar una bala a un pañuelo de papel y que la bala rebotara.
Este descubrimiento llevó a Rutherford a proponer un nuevo modelo en 1911. En este modelo, el átomo tiene un núcleo muy pequeño y denso en el centro, que contiene casi toda su masa y su carga positiva. Los electrones, mucho más ligeros, giran alrededor de este núcleo. Este experimento fue clave para entender la estructura del átomo y el núcleo.
Eddington y la Fusión Nuclear en las Estrellas
Alrededor de 1920, Arthur Stanley Eddington predijo cómo las estrellas producen su energía. En su artículo "La constitución interna de las estrellas", sugirió que las estrellas obtienen su energía de la fusión del hidrógeno para formar helio. Esta fusión libera una enorme cantidad de energía, tal como lo describe la ecuación de Einstein E=mc². Esto fue un gran avance, ya que en ese momento no se conocía la fusión nuclear ni se sabía que las estrellas estaban compuestas principalmente de hidrógeno.
James Chadwick Descubre el Neutrón
En 1932, James Chadwick descubrió una nueva partícula: el neutrón. Se dio cuenta de que una radiación observada por otros científicos era en realidad una partícula sin carga eléctrica y con una masa similar a la del protón. Rutherford ya había sugerido la existencia de una partícula así.
Ese mismo año, Dmitri Ivanenko propuso que el núcleo atómico solo contenía protones y neutrones, y no electrones. El descubrimiento del neutrón ayudó a resolver algunos problemas que los científicos tenían sobre el comportamiento de los núcleos.
Con el neutrón, los científicos pudieron calcular la energía de unión de cada núcleo, comparando la masa del núcleo con la suma de las masas de sus protones y neutrones. Cuando se midieron las reacciones nucleares a partir de 1934, los resultados coincidieron con la teoría de Einstein sobre la equivalencia entre masa y energía.
Yukawa y la Fuerza Nuclear Fuerte
En 1935, Hideki Yukawa propuso la primera teoría importante para explicar cómo se mantiene unido el núcleo. Él sugirió que una partícula, a la que llamó mesón, transmitía una fuerza entre los nucleones (protones y neutrones). Esta fuerza, conocida como interacción nuclear fuerte, explica por qué los protones, que tienen carga positiva y se repelen, no hacen que el núcleo se desintegre. También explicó por qué esta fuerza solo actúa a distancias muy cortas dentro del núcleo. Más tarde, se descubrió el pion, que tenía las propiedades de la partícula que Yukawa había predicho.
Con los trabajos de Yukawa, el modelo moderno del átomo quedó más completo. El centro del átomo tiene una "bola" muy compacta de neutrones y protones, unidos por la fuerza nuclear fuerte. Si un núcleo es inestable, puede desintegrarse, emitiendo partículas alfa (núcleos de helio) o beta (electrones o positrones). Después de estas desintegraciones, el núcleo puede liberar energía extra en forma de rayos gamma.
El estudio de las fuerzas nucleares (fuerte y débil) llevó a los físicos a colisionar núcleos y electrones a energías cada vez mayores. Esta investigación dio origen a la física de partículas, que busca entender las partículas más fundamentales y sus interacciones.
Física Nuclear Moderna
Los núcleos pesados pueden tener cientos de nucleones. Esto significa que, de forma aproximada, se pueden estudiar como un sistema clásico, aunque también se usan los principios de la mecánica cuántica. El modelo de la gota líquida describe el núcleo como una gota de líquido, donde la energía depende de la tensión superficial y la repulsión eléctrica de los protones. Este modelo explica muchas características de los núcleos, como su energía de unión y la fisión nuclear.
Sin embargo, los efectos de la mecánica cuántica son importantes. El modelo de capas nuclear, desarrollado por Maria Goeppert-Mayer y J. Hans D. Jensen, explica que los núcleos con ciertos números de neutrones y protones (llamados "números mágicos") son especialmente estables porque sus "capas" están llenas.
Hoy en día, gran parte de la investigación en física nuclear se enfoca en estudiar núcleos en condiciones extremas, como con mucho espín o mucha energía. Los núcleos también pueden tener formas inusuales o proporciones extremas de neutrones y protones. Los científicos pueden crear estos núcleos en aceleradores de partículas. También se usan aceleradores para crear núcleos a temperaturas muy altas, lo que ha llevado a la creación de un nuevo estado de la materia, el plasma de quarks-gluones, donde los cuarks se mueven libremente en lugar de estar agrupados en protones y neutrones.
Reacciones Nucleares
La física nuclear también estudia las reacciones nucleares, que son procesos donde un tipo de núcleo se transforma en otro.
Colisión Inelástica
Por ejemplo, si bombardeamos sodio (Na) con neutrones, algunos núcleos de sodio capturan estos neutrones y se convierten en núcleos radiactivos de sodio-24:
Estas reacciones se estudian en reactores nucleares, donde hay muchos neutrones.
Los núcleos también pueden reaccionar entre sí, pero como tienen carga positiva, se repelen. Para que reaccionen, los núcleos que se disparan deben tener suficiente energía para superar esa repulsión. Esta energía se logra con aceleradores de partículas como los ciclotrones o los generadores de Van de Graaff.
Un ejemplo de reacción nuclear es la que se usó para crear el neptunio (Np), un elemento más pesado que el uranio (238U), que es el elemento natural más pesado. El neptunio se obtuvo bombardeando uranio con deuterones (núcleos de hidrógeno pesado):
Desintegración Nuclear
Los núcleos atómicos están formados por protones (con carga positiva) y neutrones (sin carga). El número de protones es el número atómico, que define el elemento químico. Por ejemplo, todos los núcleos con 11 protones son de sodio (Na). Un elemento puede tener varios isótopos, que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones. Por ejemplo, el sodio estable tiene 12 neutrones, mientras que el sodio con 13 neutrones es radiactivo. Se escriben como 
y 
, donde el número de abajo es el número atómico y el de arriba es el total de protones y neutrones. A cada tipo de núcleo con un número específico de protones y neutrones se le llama nucleido.
Los nucleidos radiactivos son inestables y se transforman espontáneamente en núcleos de otros elementos, liberando energía.
Estas transformaciones incluyen:
- La desintegración alfa, donde se emite un núcleo de helio (
). - La desintegración beta (que puede ser β- o β+). En la desintegración β-, un neutrón se convierte en un protón, liberando un electrón y un antineutrino. En la desintegración β+, un protón se convierte en un neutrón, liberando un positrón.
Por ejemplo, el sodio-24 (24Na) se desintegra por β- y se convierte en magnesio:
La radiación gamma es radiación electromagnética de alta frecuencia y energía. A menudo, después de una desintegración alfa o beta, el núcleo resultante tiene energía extra y la libera emitiendo rayos gamma.
Al estudiar la desintegración de un nucleido radiactivo, también se mide su periodo de semidesintegración, que es el tiempo que tarda la mitad de una muestra en desintegrarse. Por ejemplo, el periodo de semidesintegración del sodio-24 es de 15 horas.
Fisión Nuclear
La fisión es un proceso donde un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos más pequeños. Esto ocurre cuando un neutrón golpea un núcleo grande, como el uranio. Al dividirse, el núcleo libera energía y más neutrones, que pueden golpear otros núcleos y causar una "reacción en cadena". Este proceso se usa en las centrales nucleares para producir energía.
Fusión Nuclear
La fusión es el proceso opuesto a la fisión: es la unión de dos o más núcleos ligeros para formar un núcleo más pesado. Este proceso libera una cantidad de energía mucho mayor que la fisión. La fusión es la fuente de energía de las estrellas, como nuestro Sol.
Para que la fusión ocurra, se necesitan condiciones muy extremas: temperaturas y presiones altísimas. Esto se debe a que los núcleos tienen carga positiva y se repelen entre sí. Para unirlos, se les debe dar mucha energía para superar esa repulsión. Generalmente se usan isótopos ligeros de hidrógeno, como el deuterio y el tritio, porque tienen menos carga eléctrica.
Aunque la fusión produce menos residuos radiactivos y más energía por reacción que la fisión, aún no se ha logrado aprovechar de forma práctica en la Tierra. Las condiciones necesarias son tan difíciles de alcanzar y controlar que solo se dan de forma natural en el centro de las estrellas. Los científicos están investigando dos métodos principales para lograr la fusión: el confinamiento magnético (en dispositivos como el ITER) y el confinamiento inercial (usando láseres potentes).
Detección
Para estudiar las partículas y la radiación, los científicos usan detectores de partículas, como el Contador Geiger.
Galería de imágenes
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En la década de 1920, las cámaras de niebla fueron importantes para detectar partículas, lo que llevó al descubrimiento del positrón, el muon y el kaón.
Véase también
En inglés: Nuclear physics Facts for Kids
