Reacciones nucleares.
La primera reacción nuclear artificial fue producida artificialmente por Rutherford en 1919 cuando bombardeó nitrógeno con partículas α. Como resultado del experimento obtuvo protones.
Este proceso se puede representar por una ecuación nuclear análoga a una ecuación química.
147N + 42He -------- 188O + 11H + energía
A partir de aquí se inició un nuevo camino en las reacciones nucleares. Así, en 1932, bombardeando litio con protones, se produjeron partículas α:
73Li + 11H ------- 42He + 42He
En 1933, los esposos Joliot‑Curie bombardearon núcleos de boro, magnesio y aluminio con partículas α y obtuvieron protones, neutrones y positrones. Además, observaron que los elementos que se obtenían seguían emitiendo positrones después de dejar de bombardear con
partículas α, o sea, se comportaban como si fueran radiactivas.
Los científicos comprobaron enseguida que se cumplían tres leyes:
a) La carga eléctrica se conserva.
b) El número másico se conserva (protones+neutrones)
c) La energía que aparece esta asociada a desaparición de masa E=Δm . c2.
Actividad 1: Completar las reacciones nucleares siguientes:
137N ------ 136C + _____
2714Si ------- _____ + 01e
____ ------ 3014Si + 01e
Para acelerar los protones o las partículas alfa podemos utilizar algunos de los instrumentos que hemos visto en el tema anterior: el sincrotón, betatrón o ciclotrón,(a base de campos eléctricos y magnéticos).
Estas reacciones nucleares saltaron desgraciadamente a la actualidad con las bombas atómicas de Hiroshima y Nagasaki y los años del terror nuclear. En las películas podíamos ver catastróficas visiones del futuro o cómicas visiones sobre el tema: http://www.youtube.com/watch?v=FedCC2mWe_o&feature=related
¿Por qué hay núcleos estables y núcleos radiactivos?
A primera vista parece sorprendente que los núcleos puedan existir, si se considera que las únicas fuerzas que interaccionan entre los nucleones son eléctricas y gravitatorias. Las primeras tenderían a separar los nucleones entre sí, y aunque las segundas tienden a unirlos, son tan débiles que no justifican la estabilidad del núcleo.
Sin embargo existen muchos núcleos estables y surge la pregunta ¿Qué fuerzas mantienen unidos a los protones y los neutrones dentro del núcleo?
Las responsables de la estabilidad del núcleo son unas fuerzas, de naturaleza aún poco conocida, llamadas fuerzas nucleares fuertes. Tienen dos importantes características:
‑ Son fuerzas independientes de la carga; no distinguen entre protones y neutrones.
‑ Son fuerzas de corto alcance, unos 2.10-15 m.
Estas fuerzas son de gran intensidad, de tal manera que se necesitan energías del orden de 10-13 J para arrancar un nucleón del núcleo.
Al ponerse en juego energía muy grandes para enlazar un núcleo deberíamos ser capaces de detectar variaciones de masa según la ecuación de Einstein: E=Δm . c2. Es decir que si calculamos la masa total de protones y neutrones que componen un núcleo, y la comparamos con la masa de ese núcleo el resultado debe ser mayor. Parte de la masa “ha desaparecido” y se ha transformado en energía de enlace.
Actividad 2.
La masa de un protón es 1,00714 uma y la de un neutrón 1,00853 uma. La masa del núcleo de 73Li es 7,01599 uma. Calcular la energía de enlace de ese núcleo. Calcular la energía de enlace por núcleón. Expresar el resultado en Mev. 1Mev = 1,60206.10-13J 1uma= 1,6605.10-27Kg.
En la gráfica se representa la energía de enlace por nucleón (en MeV) en función del número másico del núcleo. Todos los valores, excepto los correspondientes a 42He 126C 168O se encuentran sobre la curva.
La energía de estas tres excepciones son superiores a los valores de los elementos contiguos. Son núcleos especialmente estables.
La energía de empaquetamiento por nucleón aumenta rápidamente desde A =1 hasta A=20; luego, aumenta más lentamente, hasta alcanzar un valor máximo de 8,8 MeV, alrededor de A = 56. Este valor va decreciendo lentamente hasta 7,5 MeV para los elementos más pesados.
En la gráfica se observa también que, por ejemplo, el núcleo de número másico igual a 90 tiene menor energía de enlace por nucleón que el núcleo de A = 45. Esto quiere decir que si el núcleo con A = 90 se fisiona o se rompe en dos fragmentos de A = 45 se libera una gran cantidad de energía. Esto ocurre no sólo para el núcleo con A = 90, sino para todos los núcleos con A > 85; éstos serán los que, al fisionarse o dividirse en núcleos más ligeros, desprenden energía.
El proceso contrario es el de fusión o unión de núcleos ligeros para dar uno más pesado. En este caso la gráfica indica que el proceso de fusión también conduce al desprendimiento de energía, y en mayor medida que el de fisión, como se aprecia comparando las energías de enlace por nucleón de las ramas izquierda (núcleos ligeros) y derecha (núcleos pesados) de la gráfica.
La energía liberada en la fisión se controla en los reactores nucleares, que se verán más adelante. Un ejemplo de fusión nuclear es la bomba de hidrógeno, en la cual al unirse dos átomos de hidrógeno liberan una gran cantidad de energía en un proceso incontrolado, altamente explosivo.
A partir de la gráfica también se podrían observar los núcleos que van a desintegrarse de forma natural mediante la emisión de α o β .