Yo creo que todos en algún momento hemos escuchado sobre las interacciones fundamentales que ocurren en la naturaleza. Hoy es propicio hacer mención sobre la interacción nuclear y a su vez tratar de entender un poco el proceso llamado Fisión Nuclear.
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Para comenzar es propicio pasear un poco por la historia, y es que en el año 1934, Fermi y sus jóvenes colaboradores del Instituto de la Física de Roma bombardearon uranio con neutrones. Los resultados fueron sorprendentes: aparentemente el uranio se transformaba en un nuevo elemento radiactivo de numero atómico 931 en la naturaleza existían para ese momento 92 elementos químicos ahora el hombre “fabricaba” elementos transuránicos. Pero ¿Cómo se originaba este nuevo elemento? El neutrón era capturado por el núcleo de uranio; si no aconteciera nada más se hubiese obtenido un isótopo de uranio. Pero el nuevo núcleo emitía un electrón, y su número atómica subía entonces de 92 a 93.
En 1939, los físicos alemanes Hahn y Strassman comprobaron que, en ciertas condiciones, los bombardeos de uranio con neutrones originaban bario. A primera vista esto no parecía tener mayor relevancia, pero cuando se piensa que el número atómico del bario es 56, se advierte que el neutrón ha producido en el núcleo de uranio una catástrofe: lo había partido en dos pedazos. O en términos científicos; los neutrones han producido la fisión del uranio. Antes de esta época aún era axiomático en el pensamiento de todos los científicos que los núcleos atómicos eran individuales, que el bombardeo con pequeñas partículas (por ejemplo, neutrones) podrían cuando mucho cambiar su estructura atómica interna sólo superficial o ligeramente.
Cabe resaltar, que muchos de los estudios detallados del proceso de fisión fueron llevados a cabo por Niels Bohr y John Wheeier y publicados en el Physical Review en su número de septiembre de 1939.
De acuerdo con los científicos nombrados anteriormente, la fisión de los núcleos pesados, debido al impacto de un neutrón, es la resolución de un conflicto entre las tendencias opuestas de las fuerzas nucleares (de atracción) y las fuerzas de Coulomb (de repulsión) que actúan en el núcleo atómico: si se imagina un núcleo atómico como una gota de fluido nuclear, cargada eléctricamente (Como se muestra en el diagrama a continuación).
Entonces, se encontrará que en el caso de cualquier excitación que transforme su forma inicialmente esférica en un elipsoide más o menos alargado, habrá fuerzas que actúan sobre ella.
Esto quiere decir que:
1- Las fuerzas de tensión nuclear superficial que tratan de restablecer el núcleo en su forma esférica original (lo mismo que el caso de la gota esférica deformada de mercurio).
2- Las fuerzas de repulsión de Coulomb entre las cargas eléctricas en los extremos opuestos del elipsoide, que tratan de romper el núcleo en dos mitades.
Con un modelo nuclear de gota se puede demostrar que, para los más ligeros, predominan las fuerzas de tensión superficial, pero para los núcleos más pesados, las fuerzas de Coulomb se vuelven más y más importantes. Así, es de esperar que, en el caso de los núcleos muy pesados, las deformaciones comparativamente pequeñas producidas por las fuerzas de impacto de un neutrón, podrían terminar en un rompimiento (fisión) de la gota nuclear original en dos mitades.
Cuando el núcleo de uranio se rompe producirá mucha energía, alrededor de 100 MeV. Cada átomo de uranio 235 tiene cierta probabilidad de desintegrarse solo, pero queremos estimular la desintegración de muchos núcleos al mismo tiempo, reacción en cadena. El proceso de fisión puede estimularse por irradiación con neutrones lentos contra el uranio 235. Estos neutrones no tienen carga y por lo tanto no son repelidos por el núcleo, como lo sería con los protones. Penetran con facilidad en el núcleo y se llegan a otros nucleones. La ligadura que se libera al ser capturado el neutrón se convierte en energía cinética del neutrón y de las otras partículas en el núcleo.
Ahora bien, este aumento de energía hace que el núcleo se desintegre y que libere no solo energía, sino dos o tres neutrones más. Entonces los neutrones pueden ayudar a romper otros núcleos de uranio 235; así que el proceso se alimenta solo, por desgracia, los neutrones que se liberan no son lentos sino electrones de alta energía (rápidos). Antes de que puedan ser capturados fácilmente por otros núcleos de uranio 235 deben ser detenidos para que tengan energía cinética baja. Los neutrones rápidos pueden detenerse poco a poco por colisiones repetidas y dispersiones de átomos de uranio hasta llegar a velocidades tales que puedan ser capturadas por el núcleo. Pero si el trozo de uranio 235 es muy pequeño, la mayoría de los neutrones abandonaran el material antes de detenerse y la reacción no se incrementará. Si el material es mayor que cierto tamaño crítico, los neutrones de una fisión se detendrán lo suficiente para iniciar dos o más fisiones. Entonces, aquí ocurre una reacción en cadena en promedio, cada fisión estimula más de una fisión y la reacción aumenta hasta llegar a tasas explosivas, lo cual produce una explosión como la de la bomba atómica.
Referencias
Resnick, R; Halliday, D & Krane, K. (2007). Física volumen 2. México: Grupo Editorial Patria.
Sánchez, E. (2005). Física. Caracas: Ediciones CO-BO.
Zemansky, S. (2009). Física Universitaria Volumen II. México: Pearson Educación.
