La Energia de la Fision Nuclear o Desintegracion Atomica-Ejemplo Simple
LA ENERGÍA NUCLEAR o ATÓMICA POR FISION NUCLEAR
EXPLICACION CIENTIFICA DEL FENOMENO DE FISION O DESINTEGRACION ATÓMICA
Para esta explicación que es bastante simple, pensado para los principiantes y curiosos de la ciencias, primero vamos a dedicar unos párrafos sobre un fenómeno conocido como radiactividad natural, que preocupaba mucho a la comunidad cientifica de inicios del siglo XX
Radiactividad natural: Fue descubierta accidentalmente por Henri Becquerel, en 1896, y estudiada en profundidad por Pierre y Marie Curie , a quienes se debe el nombre, la radiactividad natural es el fenómeno según el cual determinados materiales, como, por ejemplo, las sales de uranio, emiten radiaciones espontáneamente.
Las radiaciones emitidas son de tres tipos que se denominan alfa, beta y gamma, y tienen las siguientes características:
Las radiaciones alfa son poco penetrantes, ya que son detenidas por una hoja de papel y se desvían en presencia de campos magnéticos y eléctricos intensos. Están formadas por partículas cuya masa es de 4u y cuya carga, positiva, es igual a dos veces la carga del electrón.
Las radiaciones beta son más penetrantes que las radiaciones alfa, aunque son detenidas por una lámina metálica. En realidad consisten en un flujo de electrones.
Las radiaciones gamma son muy penetrantes para detenerlas se precisa una pared gruesa de plomo o cemento. Son radiaciones electromagnéticas de alta frecuencia y, por lo tanto, muy energéticas.
Los rayos alfa buscan el polo negativo y los beta el positivo, pues cargas opuestas se atraen
Fuerzas Nucleares
Como ya sabes, entre cargas eléctricas del mismo signo existen fuerzas eléctricas de repulsión. Si esto es así, ¿cómo es posible que los protones permanezcan unidos en un volumen tan reducido como el que tiene el núcleo?
Los protones y los neutrones se mantienen unidos en los núcleos debido a la acción de otro tipo de fuerzas distinto de las fuerzas eléctricas y de las fuerzas gravitatorias.
Estas fuerzas, a las que llamaremos fuerzas nucleares, son de atracción y mucho más intensas que las fuerzas eléctricas.
Los protones y los neutrones se mantienen unidos en los núcleos debido a la acción de otro tipo de fuerzas distinto de las fuerzas eléctricas y de las fuerzas gravitatorias. Estas fuerzas, a las que llamaremos fuerzas nucleares, son de atracción y mucho más intensas que las fuerzas eléctricas.
Las fuerzas nucleares son de corto alcance, ya que se anulan cuando las distancias son superiores a unos pocos femtómetros.
A partir de esta distancia predominarán las fuerzas eléctricas, que tenderán a separar a los protones.
Estabilidad Nuclear
Según la proporción entre protones y neutrones de un núcleo, éste es estable o no. Actualmente se conocen más de 300 núcleos estables. La radiactividad tiene su origen en la estabilidad nuclear.
Si el núcleo es estable, el elemento no es radiactivo; pero cuando la relación entre los componentes del núcleo no es la adecuada, éste emite partículas y radiaciones electromagnéticas hasta alcanzar la estabilidad.
Se llaman isótopos radiactivos o radioisótopos todos aquellos isótopos que emiten radiaciones. Muchos elementos químicos tienen isótopos radiactivos cuyos núcleos emiten radiaciones y partículas de forma espontánea, a la vez que se transforman en núcleos de otros elementos.
Así, por ejemplo, uno de los isótopos del carbono, el carbono-14, es radiactivo y se transforma, espontáneamente, en un núcleo de nitrógeno.
Es posible conseguir que un núcleo estable se transforme en un radioisótopo. Si a un núcleo estable llega una partícula con suficiente energía, el núcleo puede desestabilizarse y volverse radiactivo para recuperar la estabilidad.
Cuando esto sucede, se habla de radiactividad artificial, en oposición a la radiactividad espontánea o radiactividad natural.
Es posible conseguir que un núcleo estable se transforme en un radioisótopo. Si a un núcleo estable llega una partícula con suficiente energía, el núcleo puede desestabilizarse y volverse radiactivo para recuperar la estabilidad.
Cuando esto sucede, se habla de radiactividad artificial, en oposición a la radiactividad espontánea o radiactividad natural.
Período de Semidesintegración
Toda desintegración natural es un proceso aleatorio, es decir, no se puede predecir exactamente cuándo un núcleo determinado va a desintegrarse.
Ahora bien, es posible calcular la probabilidad de que un núcleo se desintegre en un tiempo determinado. Con este fin se asocia a cada sustancia radiactiva una magnitud característica llamada período de semidesintegración.
El período de semidesintegración, de una sustancia radiactiva es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los núcleos presentes en una muestra de dicha sustancia.
Es decir, si tenemos una masa m de una sustancia y al cabo de 14 días tenemos la mitad (m/2) de esa sustancia (la otra mitad se ha desintegrado), diremos que su período de semidesintegración es de 14 días.
El período de semidesintegración, de una sustancia radiactiva es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los núcleos presentes en una muestra de dicha sustancia.
Es decir, si tenemos una masa m de una sustancia y al cabo de 14 días tenemos la mitad (m/2) de esa sustancia (la otra mitad se ha desintegrado), diremos que su período de semidesintegración es de 14 días.
El período de semidesintegración varía para las distintas sustancias radiactivas desde millones de años a fracciones de segundo Sin embargo, cualquier sustancia radiactiva evoluciona en el tiempo ajustándose a una curva como la que se representa en la figura siguiente:
Curva de desintergración radiactiva
Como el período de desintegración del Radio 223 es de 8 días, tendrán que pasar unos 24 días para que la radioactividad de la muestra de este isótopo se reduzca a la octava parte (1/8)
Energía de Enlace Nuclear
Para calcular la masa de un cierto núcleo se multiplicará el número de protones que contiene por la masa de un protón, se multiplicará el número de neutrones por la masa de un neutrón y se sumarán ambas cantidades.
El núcleo de Li contiene tres protones y tres neutrones. La masa de un neutrón es de 1,6748 . 10-27 kg y la masa de un protón es de 1,6725 . 10-27 kg.
En consecuencia, cabría esperar que la masa de este núcleo fuera de 10,0419 . 10-27 kg. Sin embargo, la masa de un núcleo de litio, 9,9846 10-27kg., es menor que la calculada sumando las masas de los tres protones y los tres neutrones que lo constituyen.
El defecto de masa es de 0,0573 . 10-27 kg.
Defecto de masa en el núcleo de Litio
Este hecho se repite para todos los núcleos atómicos. La masa de un núcleo atómico es menor que la que se obtiene cuando se suman las masas de los protones y los neutrones que lo constituyen. La diferencia entre ambos valores recibe el nombre de defecto de masa.
El defecto de masa se produce porque parte de la masa de los protones y neutrones se transforma en energía cuando dichas partículas se unen para formar un núcleo atómico.
A partir de este hecho se define una nueva magnitud, la energía total de enlace nuclear, que es la energía que se desprende en la formación de un núcleo a partir de los nucleones que lo forman.
Para el núcleo de litio, dicha energía es de 32 MeV. (nota 1 electronvoltio (eV) es la energía cinética que adquiere un electrón al someterse a una diferecia de potencial de 1 voltio. Dicha energía es de 1.6 . 10-19 Julio. Un MeV equivale a un millón de eV)
Los procesos en los que se modifican los núcleos de los átomos reciben el nombre de reacciones nucleares.
En las reacciones nucleares, pequeñas cantidades de masa se transforman en grandes cantidades de energía, de acuerdo con la equivalencia establecida por Einstein.
E = m.c2
donde E es la energía desprendida, m es el defecto de masa y c es la velocidad de propagación de la luz en el vacío. Debido al elevado valor de c (300.000 km/s) , a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía
Ejemplo de Fisión Nuclear:
Determinados núcleos pesados, como, por ejemplo, el núcleo de uranio-235, se rompen en dos núcleos intermedios cuando se bombardean con neutrones.
En este proceso, conocido como fisión nuclear, también se emiten otras partículas, además de radiación y una gran cantidad de energía.
De la fisión de un núcleo de uranio-235 se obtiene un átomo de bario-142, un átomo de criptón-91, 3 neutrones y una energía de 210 MeV que se desprende en forma de calor.
La ecuación que describe el proceso es la siguiente:
235U + 1 neutrón ----> 142Ba + 91Kr + 3 neutrones + 210 MeV
La masa del núcleo de uranio-235 sumada con la masa del neutrón es ligeramente superior a la suma de las masas del núcleo de bario- 142, el núcleo de criptón-91 y los tres neutrones. Este pequeño defecto de masa se ha transformado en energía.
Los neutrones que se obtienen en la fisión de un núcleo de uranio-235 pueden utilizarse para bombardear otros núcleos de este isótopo y provocar nuevas fisiones que a su vez producirán nuevos neutrones, y así sucesivamente.
Se origina de este modo una reacción en cadena mediante la cual, en un tiempo muy breve, se consigue la fisión de un gran número de núcleos y se libera una enorme cantidad de radiación y energía.
Reacción en cadena
La Fusión Nuclear
Una reacción de fusión nuclear es un proceso según el cual se unen núcleos ligeros o intermedios para formar núcleos más pesados, obteniéndose energía.
La fusión de un núcleo de deuterio, 2H, con un núcleo de tritio, 3H, da lugar a la formación de un núcleo de helio-4, 4He, además de un neutrón y una energía dc 17,6 MeV, que se desprende en forma de calor. Esta es una de las reacciones mediante las que el Sol produce energia.
La ecuación que describe el proceso es la siguiente:
2H + 3H ----> 4He+ 1 neutrón + 17,6 MeV
Fundamentos De La Física Atómica
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE LIBERACIÓN DE ENERGÍA POR UN ÁTOMO:
La liberación de la energía nuclear: En un trozo de uranio 235, un neutrón rompe un núcleo y expulsa, por ejemplo, dos neutrones. Estos, al romper dos núcleos, producen en la segunda generación cuatro neutrones, los que a su vez liberan ocho neutrones en la tercera generación tras desintegrar cuatro núcleos.
La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.
Así, cual un alud, el número de los proyectiles crece en progresión geométrica. Como una generación de neutrones sólo dura un pequeñísimo intervalo de tiempo —una fracción infinitesimal de un segundo— todos los núcleos (2,5 x 1024) presentes en un kilogramo de uranio estarían casi instantáneamente desintegrados.
La rapidez con que se establece y se propaga la reacción en cadena dilataría y haría explotar la masa con extrema violencia antes que todos los núcleos hubiesen podido ser fragmentados.
Si se admite que sólo el 10% de los átomos participa en la reacción, la enorme cantidad de energía liberada equivale a la producida por la explosión de 2000 toneladas de trinitrotolueno.
En la foto de arriba se encuentran compartiendo una información física Albert Einstein y Leo Szilard. El doctor Leo Szilard, fue a quien se le ocurrió mientras esperaba el cambio de un semáforo en la intersección de Southampton Row en Londres, la ideas de producir una reacción nuclear controlada, bombardeando núcleos con neutrones.
Por puro juego, y no por ningún impulso agresivo, el físico bajito y gordo, húngaro de nacimiento, visualizó una reacción atómica en cadena mientras deambulada por la ciudad en aquel dorado septiembre de 1933, dedicado a sus pasatiempos favoritos: pensar y pasear.
En forma de calor, mil novecientos millones de grandes calorías estarían disponibles, constituyendo el centro de la volatilización de toda materia presente.
En una fracción infinitesimal de segundo, la temperatura se elevaría a centenares de miles de grados en el lugar de la explosión, engendrando un espantoso vendaval cuyos efectos destructores —merced a la propagación de la onda de compresión— semejarían a la devastadora barrida de una gigantesca marca.
En vísperas de la Segunda Guerra Mundial, todas estas posibilidades no pasaban de ser meras previsiones teóricas, a las cuales, sin embargo, el comienzo del conflicto bélico iba a conferir excepcionales alcances.
Hacia fines de 1940, cuando el secreto militar comenzó a volver impenetrable el velo que cubría las investigaciones sobre la energía nuclear, la utilización de la misma para producir una bomba parecía todavía un objetivo muy lejano e incluso utópico.
Sin duda se sabía que el uranio 235 era particularmente sensible a la “fisión” y que ofrecía una sección eficaz mayor a los neutrones lentos que a los rápidos; se habían desarrollado métodos para producir neutrones lentos; se habían elaborado procedimientos para separar el uranio 235 de su isótopo corriente; se había logrado aislar dos elementos transuránicos, el neptunio y el plutonio, y se reconocía que este último era también “fisionable” en circunstancias semejantes a las del uranio 235.
Además, se habla adquirido la certeza de que en la “fisión”, al menos un neutrón rápido —y en término medio dos o tres— era emitido por el núcleo.
Sin embargo, a pesar del conjunto de tales progresos, todavía nadie había logrado producir una reacción autosustentada.
Algunos investigadores incluso se preguntaban si la naturaleza acepta someterse a las exigencias de los teóricos. Tal vez la reacción en cadena era, en general, irrealizable.
Pero las dudas terminaron por disiparse definitivamente el 2 de diciembre de 1942: ENRICO FERMI había realizado en Chicago, por primera vez, una reacción nuclear autosostenida.
El dispositivo construido en Chicago consistía en una pila de ladrillos de grafito puro que incluía trozos de uranio, separados por distancias regulares conforme a un esquema geométrico.
El grafito servía de sustancia moderadora destinada a frenar mediante choques elásticos los neutrones que salen dotados de elevadas velocidades de la ruptura nuclear del uranio 235.
Algunos de los neutrones penetran en el isótopo pesado U-238, otros vuelven a ser capturados por el isótopo liviano U-235, puesto que ambos están presentes en los trozos de metal de la pila.
Los proyectiles que golpean el U-238 provocan su transformación, que termina por dar origen al plutonio, mientras neutrones capturados por núcleos de U-235 producen la “fisión” de éstos, expulsando neutrones que siguen provocando nuevas rupturas.
Así, la pila produce a la vez materia “fisionahle” (plutonio) y libera energía al desintegrar núcleos.
Agreguemos que para el arranque no se necesita detonador ni ningún otro dispositivo especial; los neutrones de origen cósmico existentes en la atmósfera, o neutrones errantes que provienen de la explosión espontánea de un átomo de uranio, son suficientes para iniciar la reacción.
Una condición indispensable para el funcionamiento de la pila es su volumen, que debe superar cierto tamaño crítico.
De lo contrario el número de neutrones que escapan por la superficie de la pila no permite que se establezca la cadena de las reacciones.
Para el autosostenímiento de la cadena es menester, además, que cada neutrón incidente produzca al menos un nuevo neutrón apto para determinar a su vez la ruptura de un núcleo, siendo en este caso el “factor de multiplicación” igual a la unidad.
La cadena se extingue si dicho factor resulta inferior a uno; en cambio, si es considerablemente superior, la liberación continua y lenta de la energía se transforma en un proceso explosivo, convirtiendo a la pila en una bomba.
Tan peligrosa proliferación de neutrones es contrarrestada introduciendo en la masa de grafito láminas de materia absorbente (cadmio) que permiten mantener constante la velocidad de la reacción y “controlar” el nivel energético de la pila mediante un dispositivo automático.
Tales fueron, a grandes rasgos, las fundamentales características de la pila de FERMI, arquetipo de todos los reactores.
Al principio la pila de FERMI engendró, en forma de calor, una potencia de 0,5 vatio; poco después aumentó su nivel de energía hasta llegar a 200 vatios. Con tal reducido poder, una pila debería funcionar varios miles de años para producir la cantidad de plutonio requerida en la fabricación de una sola bomba.
Mas una conquista no puede medirse en vatios.
La posibilidad de liberar energía nuclear en escala macroscópica estaba magníficamente demostrada.
Si bien la distancia que separa la pila experimental de Chicago de la bomba experimental de Alamogordo era muy superior a la existente entre la rudimentaria máquina de vapor de NEWCOMEN y la locomotora de STEPHENSON, el largo camino fue recorrido en el breve intervalo de treinta meses gracias al formidable potencial tecnológico de los Estados Unidos, y al esfuerzo de un verdadero ejército de científicos, técnicos y trabajadores.
El 6 de agosto, la pavorosa explosión que arrasó la ciudad de Hiroshima anunció al mundo que el hombre disponía de nuevas y tremendas fuerzas aprisionadas desde eternidades en las entrañas de la materia.
“En el interior de una bomba de fisión —escribe uno de los principales constructores de la bomba, ROBERT OPPENHEIMER (1904-1967)—, se materializa un lugar con el cual ningún otro puede ser comparado.
Al explotar la bomba se producen temperaturas más elevadas que las que reinan en el centro del Sol; su carga está constituida por materias que normalmente no existen en la naturaleza y se emiten radiaciones (neutrones, rayos gamma, electrones) de una intensidad que no tiene precedentes en la experiencia humana.
El factor de multiplicación es el cociente del número de los nuevos neutrones producidos y el número inicial de los neutrones primitivos.En la pila de FERMI el factor de multiplicación era igual a 1,007.
Las presiones que se obtienen equivalen a billones de veces la presión atmosférica.
En el sentido más primario y más sencillo, es perfectamente cierto que con las armas atómicas el hombre ha creado situaciones nuevas.”
En pilas y bombas de uranio (o plutonio), la energía se produce por la ruptura de un elemento muy pesado en fragmentos menos pesados. Sin embargo, para producir enormes cantidades de energía no es éste el proceso que la naturaleza elige.
Las estrellas prefieren la fusión a la “fisión”; como ya dijimos, transforman en gigantesca escala —por síntesis de elementos livianos— una parte de su materia nuclear en energía radiante.
Tan sólo las prodigiosas reservas energéticas, cuyo depósito son los núcleos, pueden permitir al Sol irradiar en forma de luz y calor, año tras año, tres quintillones (3 x 1030) de grandes calorías.
Este torrente de energía solar fluye por lo menos desde hace cuatrocientos o quinientos millones de años, puesto que las pruebas aportadas por la flora y fauna paleozoicas sugieren que las condiciones climáticas de la Tierra no han cambiado esencialmente desde aquella remotísima era primaria.
Mas ¿cuál es la transformación nuclear capaz de alimentar tan formidable despliegue energético, que equivale por segundo a una pérdida de cuatro millones de toneladas de masa solar?.
No cabe duda de que la transformación del elemento más común del universo, el hidrógeno en helio (el elemento que sigue al hidrógeno en la Tabla Periódica), podría suministrar la fuente energética de la radiación solar.
En efecto, la síntesis del helio a partir de los constituyentes de su núcleo está acompañada —como hemos explicado al tratar la energía de la unión nuclear— por la pérdida de una parte de las masas que intervienen, siendo liberada la masa desaparecida —de acuerdo con la equivalencia einsteniana— en forma de energía radiante.
Sin embargo, el mecanismo de la supuesta transmutación no había dejado de ser enigmático hasta que HANS BETHE, hacia 1940, propuso su hipótesis del ciclo del carbono.
Las enormes temperaturas que reinan en el interior del Sol —veinte millones de grados en la región central— confieren a las partículas de la masa solar —y especialmente a los protones a velocidades tan elevadas que éstas pueden penetrar en los núcleos de elementos livianos y transmutarlos.
Así, el núcleo ordinario de carbono, bombardeado por un protón, se transforma al capturarlo en un isótopo del nitrógeno que se desintegra.
En cinco reacciones consecutivas engendran con la emisión de dos electrones positivos varios isótopos de carbono, de nitrógeno y de oxígeno. Bombardeados éstos a su vez por núcleos de hidrógeno, conducen finalmente a la formación del helio.
La excepcional característica de este ciclo, que convierte cuatro núcleos de hidrógeno en un núcleo de helio, es la reaparición del carbono inicial en la última reacción, que se encuentra así regenerado.
Desempeña el papel de catalizador y puede ser utilizado innumerables veces, hasta que todo el hidrógeno solar haya sido transmutado en helio, asegurando así las reservas energéticas del Sol durante miles de millones de años. A idénticas o análogas reacciones termonucleares deben sus caudales de energía también otras estrellas.
No cabe duda de que el ciclo de carbono, productor de la energía solar, representa el primordial proceso físico-químico del universo desde la perspectiva de la historia humana.
Sin las reacciones termonucleares, que se realizan en el interior del Sol, la vida no habría podido surgir sobre la superficie de la Tierra, donde los fenómenos biológicos, desde la fotosíntesis de la clorofila de los vegetales hasta el metabolismo en el organismo de los animales y del hombre, son tributarios de la radiación solar.
Es un hecho realmente notable que el carbono —sustancia básica de la materia viva— desempeñe también el papel de catalizador en el grandioso proceso cósmico que dio origen primario a todas las actividades vitales en la naturaleza terrestre.
La síntesis de elementos livianos a partir del hidrógeno ha dejado de ser privilegio de las masas estelares desde hace algunos años.
Reacciones termonucleares, productoras de la fusión de núcleos, suministran la fuente energética a la novísima arma: la bomba de hidrógeno. Desde luego, el ciclo de BETHE, que genera helio en las profundidades del globo solar es demasiado lento y complicado para el uso militar.
Es probable que la transmutación de una masa de los dos isótopos pesados del hidrógeno, el deuterio y el tritio, en helio, esté en la base de la liberación de energía realizada por la nueva bomba.
Para establecer las formidables temperaturas (varios millones de centígrados) capaces de desencadenar la reacción se utiliza la ruptura del uranio o del plutonio: la bomba de “fisión” sirve de detonador a la superbomba de fusión.
El modelo de ésta, utilizado por los expertos estadounidenses en las pruebas de Enivetock, a fines de 1952, superaba doscientas veces el poder (es decir, la cantidad de energía liberada) de la bomba de Hiroshima, según estimaciones extraoficiales.
No cabe duda de que la posibilidad de borrar de la superficie del globo cualquiera de las grandes metrópolis de la Tierra mediante la explosión de una bomba o a lo sumo de muy pocas bombas está, desde ahora, dentro de los alcances del hombre.
El uso de esta arma en un conflicto bélico significaría la abdicación de la razón humana y equivaldría a una tentativa de suicidio del homo sapiens.
Fuente Consultada: Historia de la Ciencia Desidero Papp
