En este post (¡Mi primer post !!!) quiero explicar de manera muy simple, conceptos e ideas básicas de la física nuclear, un poco de historia y dar a entender de donde sale la energía del núcleo atómico. Quisiera después seguir con otros post para explicar más acerca de reactores nucleares, bombas atómicas, el sol, las radiaciones y demás temas que se me vayan ocurriendo. La intención es ser también lo más simple posible y que cualquiera con conocimientos básicos pueda entender, no habrá uso de la matemática, explicare de manera simple como llegaron a este conocimiento y me centrare en los conceptos más básicos de la física nuclear de forma general, aunque los conocimientos matemáticos y la ingeniería que hay detrás de un reactor nuclear o una bomba atómica es complejo. Soy ingeniero informático de profesión, pero autodidactamente estudio otros temas, a veces a profundidad, porque simplemente soy muy curioso.
Fue un camino difícil tener todo este conocimiento, principalmente porque se trataba de entender algo que no se ve y que por además se comporta de manera no intuitiva a lo que sabemos de la física clásica. Así que para empezar hagamos un poco de historia.
En el año 1898, estudiando otros temas relacionado con la luz y la fosforescencia, Henri Becquerel descubrió que el uranio producía un tipo de radiación que no era semejante a nada conocido. El experimento era simple, se ponía una placa fotográfica (semejante a las de los royos de cámaras analógicas que reaccionan a la luz) dentro de un papel negro en completa oscuridad. Y se ponía el uranio encima de este papel negro. Se comprobaba que las placas fotográficas estaban ennegrecidas y que por tanto el uranio emanaba algo que atravesaba la el papel negro.
https://es.wikipedia.org/wiki/Física_nuclear
Mas experimentos confirmaron que esta "emanación" no era como los rayos X recientemente descubiertos por aquel entonces, y gracias a Pierre y Marie y Curie comprobaron que el polonio y el radio presentaban igual comportamiento, incluso más intenso. Además, este matrimonio determino que estas "emanaciones" dependían completamente del átomo, no dependían de la química de la sustancia. Esto se logró midiendo la radiación de diferentes sustancias químicas que tenían uranio y confirmando que su nivel de radiación dependía solamente de la cantidad de uranio que había independientemente de la química de la sustancia. Fue el primer indicio de la física nuclear que llegaría después.
https://es.wikipedia.org/wiki/Marie_Curie
Más tarde se analizaron estas radiaciones, El experimento fue simple:
Se ponía el material radiactivo en una caja de plomo con una abertura (El plomo las bloqueaba completamente), para que saliera en forma de rayo. Se colocaba un imán cerca de su trayectoria y también había una placa fluorescente (semejante al experimento de Henri Becquerel explicado más arriba) para determinar donde impactaban las radiaciones. El resultado es el siguiente:
La radiación que se desviaban poco se les llamo radiación alpha, y se pudo determinar que eran de carga positiva.
La radiación que se desviaban mucho se les llamo radiación beta y se pudo determinar que eran de carga negativa.
La radiación que no se desviaban se les llamo radiación gamma y son ondas electromagnéticas (Luz).
También se investigó la naturaleza de estas radiaciones, pero hablaremos de esto en otro post. Solo anotar que la radiación alpha se convirtió en la principal fuente de investigación de la física nuclear de esos tiempos, era como tener un cañón y "balas" y podrían dispárale a cualquier grupo de átomos y mediante las placas fluorescentes ver donde quedaban los restos. Esto permitía la experimentación y medir, para luego a partir de complicados cálculos sacar conclusiones. Actualmente es parecido, pero mucho más sofisticado con aceleradores de partículas de kilómetros de diámetro, detectores mucho mejores que placas fluorescentes y supercomputadoras para sacar conclusiones.
Más tarde tratando de investigar cómo era el átomo se descubrió algo que abrió completamente el campo de la física nuclear, Ernest Rutherford mediante un experimento muy simple, (aunque complejo de interpretar) y caro de realizar determinó la estructura del átomo.
La idea del experimento era la siguente:
Se bombardeaba una placa de oro muy fina, con radiación alpha y se detectaban donde caían los destellos de estas partículas. Al final del experimento, las posiciones donde caían se analizaron y mediante un cálculo matemático complejo se pudo determinar que el átomo tiene un núcleo positivo muy masivo y por supuesto los átomos eran en su conjunto neutro y que por tanto los electrones compensarían con carga negativa esta carga positiva, también que los electrones estarían alrededor del núcleo como los planetas alrededor del sol. Esto no solo abrió el camino a la física nuclear sino puso de cabeza las leyes de la física que se conocían y la necesidad de la mecánica cuántica.
El mismo experimento de Ernest Rutherford bombardeando nitrógeno en vez de oro, dio como resultado que el centelleo en las pantallas de detección era de hidrogeno, no de nitrógeno, como el hidrogeno es el átomo más ligero que existe se empezó a sospechar que los núcleos de nitrógeno estarían compuestos por núcleos de hidrogeno. Otros experimentos por otros lugares, dieron a conocer que el núcleo de hidrogeno es una partícula elemental que se le llamo protón. Así la física nuclear toma forma y comienza todo.
Mediante el mismo bombardeo de radiaciones alpha, pero al berilio, se podía medir que salía una nueva radiación. Era similar a la radiación gamma, no era sensible a los imanes. La radiación gamma era más parecida a la luz (de hecho, es luz), mientras que esta nueva radiación se parecía mas a un flujo de materia disparada a alta velocidad. Se pudo determinar que eran partículas neutras de masa muy parecida al protón, pero sin carga, se le llamo neutrón. Tanto al protón como al neutrón se les llamo nucleón, por formar parte del núcleo y diferir solo en la carga eléctrica y ligeramente en masa. Y así estaba ya el escenario completo para el estudio del núcleo del átomo. Se determinó la masa de todas estas partículas y todo parecía encajar. Hasta aquí la historia, a grandes rasgos de como descubrieron el núcleo y sus partes.
Hasta el momento se habian estudiado los atomos, sus dimensiones, el nucleo, su composicion y la masa de sus componentes. Se sabia que los electrones no influian en los procesos del nucleo.
Masa de referencia 1 UMA: 1,660 538 921 × 〖10〗^-27 kg
Proton: 1.007276466812 u
Neutron: 1,008 664 915 u
Un UMA es simplemente una medida de masa para las particulas, que es aproximadamente, pero menor, que la masa de un proton. Estos datos y sus explicaciones se encuentran en wikipedia.
Cuando tenía 14 años, en las clases de física te enseñan par de cosas fundamentales, pero que cuando las unes, te crean muchísimas dudas acerca de todo. Cuando me dijeron que el núcleo estaba compuesto por protones positivos y neutrones, a mi mente solo vino la idea de una explosión por repulsión de cargas positivas. De hecho, nadie nunca me supo explicar que es lo que mantenía el núcleo sin explotar y por eso me dedique a investigar. Quizás usted también se pregunte eso ahora, quizás ya lo sabe. Pero este pequeño detalle, es la razón de la enorme energía que se libera en una bomba atómica o en una central nuclear, incluso el origen de la radiación. Pero antes de explicar porque esto no sucede, hay que dar a conocer otro pequeño detalle para poner más extraño el asunto. Si buscan la masa del helio (de 2 neutrones y 2 protones) su masa es: 4 u.
Un pequeño cálculo para el núcleo de helio nos da algo raro:
2 protones + 2 neutrones = 2 x 1.007276466812 + 2 x 1.008 664 915 = 4.031882763624
¡Cómo pueden apreciar la suma de las partes es mayor que el peso final y no es un error de redondeo!
La diferencia es solo apenas un 3% de la masa de un proton.
¡Un momento, aquí debe haber un error!!, si un núcleo de helio tiene 2 protones y 2 neutrones, porque su masa es inferior a esa suma?
Pues sí, querido amigo. Visto y comprobado, al parecer los núcleos no suman bien sus partes. De hecho, en todos los núcleos la masa total es diferente que la suma de las partes.
Ahora vamos por partes, respecto a que los núcleos no explotan por la repulsión es debido a la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza nuclear fuerte, es algo muy profundo en la naturaleza, no es algo que se explique muy fácil, aunque la mecánica cuántica lo describe. Es semejante a la gravedad. ¿Por qué los cuerpos se atraen? ¿O, Por que las cargas positivas se repelen? son preguntas que no tienen una explicación. Simplemente son leyes de la naturaleza, al igual que la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza, a diferencia de la electromagnética o la gravedad solo actual a pequeñas distancias (Esto es algo que solo se puede entender por la mecánica cuántica de campos). Es por esto que esta fuerza solo actúa entre los nucleones a muy pequeña distancia y es mucho más grande que la fuerza eléctrica que los puede separar (más de mil veces). Esto explicaría porque los núcleos no explotan, (aunque realmente si lo hacen con determinada frecuencia, generando la radiación, pero esto lo explicare después en otro post).
Ahora bien, ya podemos entender porque los núcleos no explotan. ¿Pero y la diferencia de masa?
Antes de explicar la diferencia de masa, vamos a poner un ejemplo de física clásica para apoyarnos. Todos sabemos o hemos oído que, si un meteorito muy pesado cae a tierra, acabaría con la vida, que la energía liberada seria inmensa y que provocaría un cataclismo. Esto se debe a que cuando el meteorito tiene una energía potencial enorme y cae, esa energía es liberada en muy poco tiempo, de ahí su gran poder destructivo. También es sabido que, para levantar algún objeto, por ejemplo, un cohete, es necesario poner energía para poder salir. Es la misma causa, en el campo gravitatorio, para poder separar dos cuerpos (como el cohete y la tierra) hay que poner energía al sistema, más tarde cuando el cohete regresa, esta misma energía es devuelta.
Ahora imaginemos el campo de fuerza nuclear entre los nucleones. Estos nucleones, para formar el núcleo debieron unirse de algún modo y por tanto liberar cierta cantidad de energía.
Imaginemos a un protón y un neutrón en cada mano. Estos no se repelen, así que no debe ser difícil unirlos. Estos no tendrán ningún impedimento en pasar uno cerca del otro y cuando estén lo suficientemente cerca la fuerza nuclear actuará y los atraerá con una fuerza enorme. Esa pequeña distancia recorrida por los nucleones será similar al meteorito o al cohete cayendo a tierra y liberará una energía. De igual manera imaginemos ahora este proton-neutron en una mano y otro proton-neutron en otra mano y tratemos de unirlos. Al principio costará trabajo, puesto que los protones se repelen, pero llegado a una distancia la fuerza nuclear será más grande y todos se unirán y se liberara una energía y así hemos formado un átomo de helio.
¿Y de dónde entonces sale la diferencia de masa?
Aquí está la idea principal de la obtención de energía en la Física nuclear.
Pues bien, aquí entra la famosa ecuación de Einstein que todos conocemos, aunque muchos no entienden:
E = mc^2
Esto significa que cualquier energía tiene una masa y viceversa.
Algunos datos de explosión de bombas atómicas, su energía y la masa de dicha energía:
Little boy (Hiroshima):
Energia Liberada (Segun Wikipedia) 6.6944 x 〖10〗^13 Joule, que corresponde a 0.74 gramos
Bomba del Zar (La más grande):
Energia liberada (Segun Wikipedia) 2.0920 x 〖10〗^17 Joule, que corresponde a 2.324 Kilogramos
El detalle es que no toda la masa se puede convertir en energía fácilmente, pero la poca que se puede convertir genera una cantidad de energía enorme.
Cuando se forma un átomo de helio, ese faltante de masa es energía que se libera, y sale en forma de radiación. Por tanto, la diferencia de masa es simplemente una medida de energía que se libera al unir todos esos nucleones. Quizas piense que la diferencia de masa es pequeña, que incluso multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado sigue siendo pequeña, pero considere la cantidad de atomos que puede generar esa pequeña energia. En otro post hablaremos de esto. No es casualidad que el hidrogeno sea el combustible de las estrellas, y que estas duren tanto tiempo brillando.
Existe también la posibilidad de dividir un núcleo (fisión) en vez de unir dos, (fusión), este proceso también libera energía, pero lo hacen mediante otro mecanismo, usando la inestabilidad de los núcleos más masivos. Sus protones están "más separados" por la fuerza eléctrica puesto que son muchos más protones. Al darles una "pequeña ayuda", (como encender un fosforo en un tanque de combustible), se dividen espontáneamente en mas núcleos (explotan). Estos núcleos resultantes están mucho más unidos y esta aproximación, es la que genera la energía. Tambien explicare esto en otro post.
Espero les haya gustado este post y sobre todo que se haya entendido.
Saludos.