Procesos nucleares para niños
Los procesos nucleares son cambios que ocurren dentro del núcleo de los átomos. En estos procesos, las partículas muy pequeñas que forman el núcleo se combinan o se transforman. Las reacciones nucleares pueden absorber energía (llamadas endotérmicas) o liberar energía (llamadas exotérmicas).
Contenido
¿Qué fuerzas actúan en el núcleo?
En el universo, existen cuatro fuerzas fundamentales que controlan cómo interactúan las partículas. En los procesos nucleares, las más importantes son:
Fuerza nuclear fuerte
Esta es la fuerza más poderosa de la naturaleza, pero solo actúa a distancias muy, muy cortas, como el tamaño de un núcleo (aproximadamente 1 femtómetro). Es la responsable de mantener unidos a los cuarks dentro de partículas como los protones y neutrones. Los gluones son las partículas que transmiten esta fuerza, actuando como un "pegamento" que une a los cuarks con mucha fuerza. Por eso, los cuarks nunca se encuentran solos en la naturaleza. Esta fuerza también mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo.
Fuerza nuclear débil
Esta fuerza es mucho más débil que la nuclear fuerte y actúa a distancias aún más cortas (aproximadamente 1 attómetro). Es la responsable de la mayoría de los procesos radiactivos, donde un núcleo inestable se transforma en otro. Los bosones W y Z son las partículas que transmiten esta fuerza.
Fuerza electromagnética
Esta fuerza tiene un alcance infinito y es muy fuerte, aunque cien veces más débil que la nuclear fuerte. Es la que hace que las partículas con carga eléctrica (como los electrones y los protones) se atraigan o se repelan. Por ejemplo, los protones, al tener carga positiva, se repelen entre sí dentro del núcleo.
Fuerza gravitatoria
La gravedad es la fuerza que nos mantiene pegados a la Tierra y que atrae a los planetas. Es de largo alcance, pero es extremadamente débil en comparación con las otras fuerzas a nivel nuclear. Por eso, su efecto es casi nulo en los procesos nucleares.
Tipos de partículas en el núcleo
Las partículas se pueden clasificar de varias maneras, por ejemplo, según una propiedad llamada "espín" o según cómo están formadas.
Según su espín
- Bosones: Son partículas con un espín (una especie de giro interno) que es un número entero (0, 1, 2...). Ejemplos son los fotones (partículas de luz).
- Fermiones: Son partículas con un espín que es un número fraccionario (1/2, 3/2...). Los protones, neutrones, electrones y cuarks son fermiones.
Según su estructura
- Hadrones: Son partículas formadas por cuarks.
- Leptones: Son partículas fundamentales que no están hechas de cuarks y no experimentan la fuerza nuclear fuerte. Los electrones y los neutrinos son leptones.
- Cuarks: Son partículas fundamentales que forman los hadrones. Siempre aparecen unidos a otros cuarks. Los protones y neutrones están compuestos por tres cuarks.
Antipartículas
Cada partícula tiene una antipartícula asociada. Son como su "gemelo opuesto": tienen la misma masa, pero propiedades contrarias, como la carga eléctrica opuesta. Por ejemplo, el positrón es la antipartícula del electrón. Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran, pueden aniquilarse y liberar energía.
¿Qué reglas siguen los procesos nucleares?
Así como en las reacciones químicas se conservan ciertas cosas, en los procesos nucleares también hay leyes de conservación que deben cumplirse:
- Energía relativista: La energía total (incluyendo la energía de movimiento y la energía que tienen las partículas por su masa) siempre se mantiene constante en una reacción nuclear.
- Carga eléctrica: La suma de las cargas eléctricas antes y después de la reacción debe ser la misma.
- Número bariónico: Los bariones (como protones y neutrones) tienen un "número bariónico" de +1, y sus antipartículas tienen -1. Este número total debe conservarse.
- Número leptónico: Los leptones (como electrones y neutrinos) tienen un "número leptónico" de +1, y sus antipartículas tienen -1. Este número total también debe conservarse.
Energía por nucleón
La energía por nucleón es la energía que mantiene unidos a los nucleones (protones y neutrones) dentro de un núcleo. Esta energía varía de un átomo a otro. Esta diferencia de energía es la razón por la que las reacciones de fisión (dividir un núcleo grande) y fusión (unir núcleos pequeños) pueden liberar una enorme cantidad de energía.
Por ejemplo, un neutrón y un protón separados pesan un poco más que cuando se unen para formar un núcleo de deuterio. Esa pequeña diferencia de masa se convierte en energía, según la famosa ecuación de Einstein (E=mc²).
El gráfico de la derecha muestra cómo varía esta energía. El hierro es el elemento más estable de todos. Esto significa que para dividir un núcleo de hierro o para unirlo con otro, se necesita añadir energía, en lugar de liberarla.
La forma de este gráfico se debe a un equilibrio entre la fuerza nuclear fuerte (que atrae a los nucleones) y la fuerza electromagnética (que repele a los protones). En los átomos ligeros, la fuerza fuerte domina. Pero en los núcleos más pesados, la repulsión entre los muchos protones se vuelve más importante, haciendo que los núcleos sean menos estables.
Tipos de procesos nucleares
Desintegración radiactiva
Ocurre cuando un núcleo o partícula es inestable y se rompe espontáneamente, transformándose en otro núcleo o partícula y liberando algún tipo de radiación. Un ejemplo es la desintegración beta de un neutrón, donde un neutrón se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino.
Fotodesintegración
Este proceso es similar a la desintegración radiactiva, pero es provocado por un fotón (una partícula de luz) de alta energía, como un rayo gamma. El fotón choca con un núcleo y lo rompe.
Creación y aniquilación de pares
Un fotón con suficiente energía puede crear un par de partículas, como un electrón y un positrón (la antipartícula del electrón), si interactúa con otro fotón o una partícula. Para que esto ocurra, el fotón debe tener mucha energía.
De manera inversa, un par de partículas y antipartículas (como un electrón y un positrón) pueden encontrarse y aniquilarse, transformándose en dos o más fotones de alta energía.
Captura de neutrones
Para crear núcleos más pesados que el hierro, se necesitan otras reacciones. La captura de neutrones es un proceso sencillo. Los neutrones no tienen carga eléctrica, por lo que pueden chocar fácilmente con un núcleo. Cuando un núcleo captura un neutrón, se convierte en un isótopo más pesado del mismo elemento.
Este proceso puede repetirse hasta que el núcleo se vuelve tan inestable que sufre una desintegración beta. Cuando esto ocurre, el núcleo aumenta su número de protones (cambiando a un elemento diferente) y se vuelve más estable, permitiéndole seguir capturando neutrones. Así es como se forman los elementos más pesados que el hierro, especialmente en eventos cósmicos como las supernovas.
Captura de protones
En este proceso, un núcleo captura un protón. Esto hace que el núcleo aumente tanto su número de protones como su masa.
Captura de electrones
Es un proceso en el que un núcleo captura un electrón de su alrededor. Esto provoca que un protón dentro del núcleo se transforme en un neutrón. Este proceso es muy importante en la formación de las estrellas de neutrones.
Véase también
