Estabilidad del Núcleo

Desde dos puntos de vista:

1. Por fuerza nuclear
2. Energético

A.- Fuerza Nuclear Fuerte

Diseñada por Yukava, es la de menor alcance, mayor intensidad e independiente de la carga. Es de saturación, solo actúa para partículas que están alrededor; para distancias menores de 10^-16 m es de repulsión y de atracción para medidas entre 10^-16 y 10^-14 m. Los núcleos que tengan aproximadamente Z=N, son estables. A medida que aumenta Z, el número de neutrones aumenta más rápidamente que el número de protones, para Z<20 y N>20 se cumple que los núcleos estables tienen Z=N. Para Z>20 los núcleos estables tienen más neutrones que protones, lo que parece indicar que un exceso de neutrones proporciona estabilidad.

Para Z>82, los núcleos no son estables, no existen isótopos. Si consideramos el lugar ocupado por los núcleos estables es posible predecir y justificar el tipo de emisión que puede dar un núcleo dado.

Para pasar de la zona Z a la zona de núcleos estables:

• Se disminuye neutrones, se aumenta protones o se disminuye neutrones y aumentar protones simultáneamente. Esto se consigue con emisiones beta.

Para pasar de la zona B a la zona de núcleos estables:

• Reducir el número de protones, aumentar el número de neutrones, disminuir simultáneamente Z y aumentar N. Esto se consigue por el positrón, la antipartícula del electrón.

B.- Energético

Cuando un núcleo se va a formar a partir de protones y neutrones, la masa del núcleo formado es inferior a la masa de los nucleones constituyentes, y la diferencia de ambas se conoce como defecto de masas. Según Einstein este defecto de masas, según su fórmula, se transforma en energía y esta energía se le conoce como energía de enlace o ligadura. Cuanta más energía se desprende de la formación del núcleo, más estable es dicho núcleo. También se puede definir como la energía a suministrar a un núcleo para descomponerlo en sus constituyentes. Con muy poca conseguimos gran cantidad de energía.

Fórmula:

Energía de enlace por núcleo es un buen indicador de la estabilidad nuclear. El valor máximo es para aquellos núcleos que estén comprendidos entre 40 y 80. El de mayor estabilidad es A=56, que le corresponde al hierro. A partir de ahí la estabilidad disminuye lentamente. Los núcleos más pequeños son (H, He).

Cuando se unen núcleos pequeños (fusión), dan otros más grandes para conseguir estabilidad. Desprende energía. Los núcleos más grandes tienden a dar reacciones de fisión. Desprenden energía y consiguen estabilidad. Se observa que la energía de enlace por núcleo aumenta más rápidamente para los núcleos pequeños y en los núcleos más grandes disminuye lentamente.

Reacciones Nucleares

Fisión:

Un núcleo pesado se divide en otros dos más ligeros, mediante la acción de un neutrón. Este proceso se puede producir de forma espontánea, pero ocurre raramente. Esto no interesa porque no es nada productivo. Por tanto, hay que inducirlo con neutrones lentos. Este proceso fue descubierto por Otto Hahn. Queda reducido a los núcleos más pesados de la tabla periódica y, a efectos prácticos, a isótopos del plutonio y el uranio. El más empleado es el isótopo del uranio 235.

No es un proceso simétrico, ya que los fragmentos formados no tienen el mismo número másico y los productos formados no son siempre los mismos, sino todas las parejas posibles. Libera gran cantidad de energía, en forma de energía cinética de los fragmentos de fisión de los neutrones emitidos. Descubridores de la fisión: Lise Meitner y Fritz Strassmann. Se liberan neutrones. El hecho de que se liberen neutrones y además sea inducido por los mismos, hace pensar en la posibilidad de una reacción en cadena. Los neutrones producidos pueden inducir una nueva fisión y desprender nuevos neutrones; si no se ejerce ningún control sobre el número de fisiones, la reacción puede llegar a ser explosiva. No obstante, si se regula la absorción parcial de neutrones, la reacción se puede mantener bajo control en un reactor nuclear.

Fusión:

Dos átomos ligeros se unen para dar uno más pesado. Debido a la repulsión entre núcleos que se van a unir, estos deben tener una gran cantidad de energía que supere esa repulsión y poder acercarse a los límites del alcance de la interacción nuclear fuerte. La repulsión aumenta con el número de cargas eléctricas, por lo que la fusión solo queda para los núcleos más ligeros, que necesitan energía de 100 millones de grados Kelvin. Se plantea el problema de encontrar un recipiente que lo soporte. A estas temperaturas los núcleos están privados de electrones, y los neutrones y protones forman una sustancia denominada plasma. Ésta se puede contener mediante campos magnéticos, proceso en el que se libera también gran cantidad de energía.

Ventajas: Es un recurso prácticamente inagotable, el deuterio y el tritio usados como materia prima son baratos, fáciles de obtener y al alcance de cualquier país. Químicamente no contamina, no exige transporte de material radiactivo y tampoco presenta problemas de eliminación de desechos. Más segura que la fisión.

Inconvenientes: Posibilidad de fuga del gas radiactivo tritio. Fuga del litio, el que al contactar con el aire provoca una explosión, radiactividad inducida en los materiales de la primera pared del reactor.

Reactor Nuclear:

Dispositivo donde tiene lugar una reacción de fisión en cadena controlada para la obtención de energía.

Reactor → calor → vapor → turbina → generador → corriente eléctrica.

Partículas Elementales

Son las partículas más pequeñas que constituyen la materia. Hasta 1982 se conocían el protón y el electrón. Toda partícula posee su antipartícula o antimateria, que tiene la misma masa, igual vida media, igual espín, pero carga (-) y a veces distinto momento magnético. Cuando interaccionan antipartícula y partícula producen energía, luego desaparecen. El fotón es idéntico a su antipartícula. Las partículas se clasifican en grupos atendiendo a las masas.

El protón, neutrón y todos los hadrones están constituidos por quarks, estos, a diferencia de estas partículas, tienen carga fraccionaria. Hay 6 tipos de quarks: arriba, abajo, encanto, extraño, cima y fondo, cada uno rojo, verde y azul.

Interacciones Fundamentales:

1.- interaccion nuclear fuerte: mas intensa, pero de corto alcance. Afecta a los quarks y mantiene unidos a los protones y neutrones. Los protones por su carga positiva, si no existiera esta fuerza intensa se repelarían eléctricamente.
Interaccion electromagnética: es la segunda en intensidad. Actúa sobre particulas cargadas eléctricamente y puede ser de atracción o repulsión, según el signo de las cargas. Responsable de que átomos , moléculas y materia sean estables.
Interaccion nuclear débil: de radio muy corto, responsable de la desintegración beta de los núcleos atomicos y las transoformaciones de los leptones
Interaccion gravitatoria, la más débil de todas. Es atractiva de todas las masas. Alcance ilimitado y es la responsable de la estructura general del universo