Biografía de Albert Einstein

Biografía de Pauli Wolfgang Principio de Exclusión

BIOGRAFÍA DE PAULI, WOLFGANG
Físico austríaco-estadounidense

Wolfgang Pauli (1900-1958), físico estadounidense de origen austríaco, premiado con el Nobel y conocido por su definición del principio de exclusión en mecánica cuántica. Además su hipótesis, en 1931, de la existencia del neutrino, una partícula subátomica, constituyó una contribución fundamental al desarrollo de la teoría mesónica.

Fisico Pauli Wolfgang

Pauli formuló el principio de exclusión, que establece que dos electrones no pueden ocupar el mismo estado energético de forma simultánea en un átomo. Por este descubrimiento recibió, en 1945, el Premio Nobel de Física.

Se doctoró en 1921 en la Universidad de Munich y fue asistente en la Universidad de Gotinga. Continuó su formación en Copenhague, bajo la tutela de Niels Bohr. Trabajó inicialmente en la Universidad de Hamburgo y, luego, se mantuvo por espacio de veinticinco años como profesor de física teórica en la Escuela Politécnica Federal de Zurich.

Se le distingue como uno de los fundadores de la mecánica cuántica, junto con Heisenberg y Planck; adquirió gran prestigio por su principio de exclusión, enunciado en 1924, conocido también como principio de Pauli, según el cual dos partículas similares no pueden existir en el mismo estado, es decir, que ambas no pueden tener la misma posición y la misma velocidad, dentro de los límites fijados por el principio de incertidumbre de Heisenberg.

En otros términos, en un mismo átomo no pueden existir dos electrones con el mismo conjunto de números cuánticos –sabiendo que cada átomo queda descrito por completo una vez se han especificado sus cuatro números cuánticos– de donde resulta que al menos uno de ellos debe ser diferente. Mediante el Principio de Pauli se logró interpretar las propiedades químicas de los elementos cuando se agrupan ordenadamente por su número atómico creciente.

Pauli recibió el premio Nobel de física a la edad de 45 años, en 1945, «por el descubrimiento del principio de exclusión». Al año siguiente, recibió la nacionalidad norteamericana y trabajó a partir de ese momento en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, regresando posteriormente a Zurich.

DESCRIPCIÓN DE LA UBICACIÓN DE LOS LOS ELECTRONES EN UN ÁTOMO:

El núcleo y la disposición de los electrones a su alrededor, son los componentes cruciales que dictan la forma como se comporta un elemento.

Si pudiésemos tomar millones de fotografías de los electrones que orbitan alrededor del núcleo de un átomo, éstos aparecerían cada vez en una posición ligeramente diferente. Las distintas posiciones forman series de hasta 7 anillos de nubes u «órbitas» alrededor del núcleo, donde las posibilidades de encontrar un electrón son altas. En los átomos más pequeños, hidrógeno y helio, existe sólo una pequeña órbita cercana al núcleo. Los átomos del helio tienen dos electrones y los del hidrógeno uno, por lo que la opción de hallar un electrón en un punto determinado de esta órbita es dos veces mayor en el átomo de helio que en el de hidrógeno.

Existe siempre un límite al número de electrones que cada órbita puede albergar. En la órbita interior hay espacio sólo para dos, por lo cual, si un átomo tiene más electrones, éstos se desplazan a una segunda órbita, más retirada del núcleo. Esta segunda órbita puede albergar hasta 8 electrones. La tercera también puede mantener 8 electrones, e incluso más -hasta 18-,si existe otra órbita. Sólo excepcionalmente la órbita externa presenta más de 8 electrones.

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Los átomos con 8 electrones en su órbita externa son muy estables y lentos para reaccionar con otros elementos, debido a que se requiere mucha energía para adicionar un electrón o para desplazarlo. Los átomos con un solo electrón en su órbita externa, como los del hidrógeno, sodio y potasio, son muy reactivos debido a que su electrón se remueve con facilidad.

de igual modo, los átomos a los que les falta uno de los 8 electrones son muy reactivos, pues aceptan con rapidez otro electrón en su órbita externa. El fluoruro (un átomo de flúor con un electrón obtenido de otro átomo) que encontramos en la crema dental protege los dientes al eliminar y remplazar un componente del esmalte dental que es afectado por los ácidos en los alimentos.

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Fuente Consultada:
Historia Universal de la Civilización  Editorial Ramón Sopena Tomo II del Renacimiento a la Era Atómica

Biografía de Eddington Arthur Trabajos Cientificos

Biografía de Eddington Arthur  y Su Trabajo Científico

BIOGRAFÍA DE EDDINGTON, Sir ARTHUR STANLEY (1882-1944): Astrónomo y físico británico, que realizó un importante trabajo en el campo de la relatividad y de la astronomía. Eddington nació en Kendal, por entonces en Westmorland (actualmente Cumbria) y estudió en el Owens College (actualmente Universidad de Manchester) y en el Trinity College de la Universidad de Cambridge. Fue ayudante jefe en el Real observatorio de Greenwich desde 1906 a 1913, año en que fue catedrático de astronomía en Cambridge.

En la década de los años veinte, este astrofísico inglés demostró que el interior del Sol era mucho más caliente de lo que se había pensado hasta entonces. Supuso al astro como una enorme y extremadamente caliente esfera de gas, con características similares a las de los gases estudiados en la Tierra.

Eddigton Arthur Stanley

Arthur Eddihton: famoso físico del siglo XX, cuyo trabajo mas destacado fue sobre la evolución y la constitución de las estrellas. Su trabajo en astronomía quedó reflejado en su clásico libro La constitución interna de las estrellas, que se publicó en 1926.

Sometido a la acción de la gravedad, su materia tendría que estar atraída hacia el centro y, por tratarse solamente de gas, no tardaría en colapsarse en un cuerpo mucho más pequeño. Ya que el Sol no entra en colapso e inclusive conserva medidas superiores a las establecidas para esa gravedad, debería existir alguna fuerza que impulse la expansión de la sustancia solar y resista a la tendencia de contracción.

El único fenómeno que podría explicar esta situación, según Eddington, sería el calor, ya que si se aumenta la temperatura, los gases se expanden y aumentan de volumen. Por lo tanto, el Sol permanece en un estado de equilibrio, con un calor interior tal que tiende a expandirlo, pero con una fuerza gravitatoria que lo induce a contraerse.

Concluyó que cuanto mayor es la masa de una estrella, mayor es la cantidad de calor que debe producir para no entrar en colapso, y que la cantidad de calor debe crecer con mayor rapidez que la masa.

Eddington se opuso a las teorías de su discípulo, Chandrasekhar, sobre la posibilidad de que existiera una estrella cuya masa alcanzara cierto límite y dejara de contraerse hasta llegar a un estado final como las estrellas enanas blancas.

Sus principales obras son: Espacio, Tiempo y Gravitación; Estrellas y Átomos; La Naturaleza del Mundo Físico; El Universo en Expansión y Nuevos Senderos de la Ciencia.

Fuente Consultada:
Historia Universal de la Civilización  Editorial Ramón Sopena Tomo II del Renacimiento a la Era Atómica

Biografía de Doppler Christian Resumen Descripcion del Efecto

Biografía de Doppler Christian
Breve Explicación del Efecto Doppler

Christian Doppler (1803-1853), físico y matemático austriaco, nacido en Salzburgo. Estudió en dicha ciudad y posteriormente en Viena. Fue profesor en el Instituto técnico de Praga (Checoslovaquia) y en el Instituto politécnico de Viena, y ocupó el cargo de director del Instituto de Física de la Universidad de Viena en 1850. Describió el fenómeno físico que se conoce hoy como efecto Doppler en su artículo monográfico sobre los colores de la luz de las estrellas dobles, Acerca de la luz coloreada de las estrellas dobles (1842).

Doppler cientifico

Recibió su primera educación en Salzburgo y Viena, en donde llegó a ser profesor de física experimental. En 1850, fue nombrado director del Instituto de Física.

Doppler se preguntó por qué razón el sonido se percibía  de modo distinto, según la fuente se alejara o se acercara al receptor; en su época ya se sabía que el sonido está compuesto por una serie de ondas que se desplazaban en un medio determinado, y el físico encontró que, por ejemplo, cuando una locomotora se acercaba al punto donde estaba situado un observador, cada onda sónica sucesiva se captaba casi superpuesta a la anterior (un sonido agudo), de modo que el oído la captaba con frecuencia creciente; al alejarse, por el contrario, la frecuencia se espaciaba cada vez más (un sonido grave).

Doppler había relacionado matemáticamente la velocidad y la tonalidad del sonido y, para probar su teoría, consiguió que una locomotora arrastrase un vagón cargado con trompetistas hacia el punto de observación y luego se alejara de él, a velocidades diferentes.

En el punto de observación ubicó un grupo de músicos de fino oído, encargados de registrar los cambios que se producían en el diapasón a medida que el tren iba o venía. La medición de dichos cambios en la tonalidad, en realidad en la intensidad aparente del ruido (la relación entre frecuencia y velocidad), es lo que hoy se conoce como efecto Doppler, divulgado por primera vez en 1842.

Doppler también dejó planteada la analogía entre el sonido que emite una fuente móvil y la luz que proviene de una estrella en movimiento, ya que la luz también se transmite por medio de ondas, si bien mucho más finas que las sónicas. El físico francés Armand Fizeau (1819-1896), hizo notar que el llamado efecto Doppler tendría que funcionar en el desplazamiento de todo tipo de ondas en movimiento, incluyendo las de la luz.

Gracias a los experimentos de Doppler sabemos que si una estrella se mantuviera estática con respecto a la Tierra, las líneas oscuras de su espectro luminoso deberían permanecer en un mismo sitio, pero que si se está alejando de nosotros, la luz que emite va alargando su longitud de onda (algo equivalente al sonido grave en el experimento del tren) y las líneas oscuras se desplazarían hacia el extremo rojo del espectro.

Entre más grande sea ese desplazamiento, mayor es la rapidez con que la estrella se aleja. Por el contrario, si se estuviera acercando, la luz emitiría ondas cada vez más cortas (el tono agudo) y las líneas del espectro estarían acercándose al violeta.

DESCRIPCIÓN DEL EFECTO DOPPLER:

El efecto Doppler es el cambio en la frecuencia percibida de cualquier movimiento ondulatorio cuando el emisor, o foco de ondas, y el receptor, u observador, se desplazan uno respecto a otro.

efecto doppler

El móvil (auto) de la imagen superior se desplaza hacia la derecha. Cuando se acerca al niño se observa que la onda del sonido se «comprime», la longitud de onda se corta y la frecuencia es alta, es decir un sonido agudo. A su vez para el caso del niño de la izquierda la situación es inversa, es decir la frecuencia del sonido será mas baja y el sonido que reciba sera grave.

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Explicación del Foco en reposo y observador en movimiento: La separación entre dos frentes de onda permanece constante en todo momento. Aunque la velocidad de las ondas en el medio v también es constante, la velocidad relativa vrel. percibida por el observador que viaja a una velocidad vR depende de si este se aleja o se acerca al foco. Cuando el foco se mueve y el observador está detenido el caso es el mismo. La velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s.

Fuente Consultada:
Historia Universal de la Civilización  Editorial Ramón Sopena Tomo II del Renacimiento a la Era Atómica

Funcionamiento de Olla a Presión:Historia de Papin Denis

Funcionamiento de Olla a Presión
Historia de Papin Denis

FUNCIONAMIENTO: Las ollas a presión suponen un enorme ahorro de tiempo en la cocina, ya que, permiten cocer los alimentos en un plazo mucho menor del requerido normalmente. El tiempo necesario para la cocción depende mucho de la temperatura del alimento y del ambiente que lo rodea. Por ejemplo, un trozo de carne tarda mucho más en asarse en un horno a fuego lento que si se aumenta la temperatura. Sin embargo, si ésta se aumenta demasiado, la carne se quema, en vez de cocerse como es debido.

Lo mismo ocurre cuando los alimentos se cuecen en agua. Por ejemplo, un huevo metido en agua a 80°C, tarda mucho más en cocerse que si el agua está hirviendo. Así, pues, el tiempo de cocción depende de la temperatura. Si se mide la temperatura a intervalos durante la cocción del huevo, se ve que aquélla aumenta, hasta que el agua comienza a hervir, y entonces permanece constante a 100°C

El proporcionarle mas calor no altera la temperatura: lo único que ocurre es que el agua hierve más vigorosamente. Bajo condiciones atmosféricas normales, el agua pura hierve a 100°C. Sin embargo, el punto de ebuffieión del agua varía con la presión. En la cumbre de una montaña elevada, donde el aire está enrarecido y la presión es inferior a la normal, el agua hierve a una temperatura más baja. Si por algún procedimiento se aumenta la presión del gas sobre el agua, su punto de ebullición sube.

Esto es exactamente lo que ocurre en las ollas a presión. Aumenta la presión del gas dentro de ellas y, por lo tanto, el punto de ebullición del agua que contienen, con lo cual los alimentos se cuecen más rápidamente a temperaturas más altas.

El agua hierve a 100 °C, a la presión atmosférica normal (1,03 kg. por centímetro cuadrado) . Si se aumenta la presión a 1,4 kg./cm2., hierve a 108 °C; si se incrementa a 1,75 kg./cm., lo hará a 115°C., y así sucesivamente. De hecho, algunas ollas trabajan a una presiones dos veces mayor que la atmosférica.

Las ollas a presión tienen que ser lo bastante sólidas para soportar las fuertes presiones, y la tapa ha de cerrar herméticamente, para que la presión interior se mantenga sin que se produzcan fugas.

La tapa lleva un punto débil, colocado deliberadamente para que actúe como dispositivo de seguridad, ya que, en caso de que se obstruyera la válvula de seguridad a través de la cual escapa normalmente el vapor, la olla podría convertirse en una bomba, de no existir dicho dispositivo, pues a medida que se siguiera aplicando calor la presión iría aumentando, hasta que, finalmente, explotaría.

Pero la olla no es tal arma mortífera y no ocurre eso, ya que, cuando la presión aumenta demasiado, la válvula de seguridad se abre y escapa el exceso de gas. En el centro de la tapa, hay un orificio en el que se asienta un manómetro de aguja, que lleva un peso. Se comienza la cocción sin colocar la válvula.

corte de una olla a presión

Corte de una olla a presión

El agua hierve a la presión atmosférica y la olla va llenándose de vapor, hasta que, por fin, brota un chorro de éste por el orificio. Entonces, se coloca el manómetro y el orificio queda bloqueado.

Esto impide que escape el vapor y, con ello, aumenta la presión. A medida que esto ocurre, el vapor acciona sobre el dispositivo, hasta que brota una nube que indica que la presión deseada se ha alcanzado. En este momento, debe regularse el gas o la electricidad, para mantener la presión.

Cuando se ha acabado la cocción, hay que enfriar la olla bajo la canilla de agua. El agua fría elimina calor de aquélla, y una parte del vapor interior se condensa en forma de gotitas acuosas. Con lo cual, al reducirse la cantidad de vapor, la presión disminuye. Entonces se puede abrir la olla.

Fuente Consultada: Enciclopedia de la Ciencia y la Tecnología TECNIRAMA N°126

SOBRE LA VIDA Y OBRA DE DENIS PAPIN: Uno de los trece hijos de un burgués protestante de Blois, llamado Denis Papin se orienta primero hacia la medicina, mostrando en la facultad de Angers un interés precoz por la mecánica y la cuestión de la conservación de los cadáveres. Su habilidad manual hace que repare en él un abate muy conocido, que lo recomienda a Christiaan Huygens, «inventor del reloj de péndulo», como se lo presentaba entonces.

Retrato de Denis Papin (1647-1714). Trabajó con Robert Boyle en la investigación sobre el aire. Es recordado por sus inventos y es considerado uno de los grandes pioneros de la máquina de vapor moderna. La máquina de vapor de Papin se compone de un cilindro con un pistón que es levantado por la presión del vapor, y es descendente produciendo el trabajo.

Pilar de la Academia Real de Ciencias, dotado por el Rey de 1.200 libras de renta, el sabio holandés se instaló en la Biblioteca real, donde procedió a realizar múltiples experiencias. Es allí donde el joven Papin, brillante posdoctorado estilo siglo XVII, se inicia en la tecnología de la «bomba al vacío», al tiempo que lleva a cabo investigaciones inéditas sobre la conservación de los alimentos. Para el gran asombro de Huygens, logra mantener una manzana en condiciones, bajo vacío, ¡durante cinco meses!.

Como los laboratorios de física no eran muy numerosos en 1675, no es nada sorprendente encontrar al joven oriundo de Blois en Londres, en casa de Robert Boyle, aristócrata de fortuna apasionado por la mecánica.

Provisto de un contrato bastante ventajoso pero que estipula el secreto, Papin construye para su amo bombas de un nuevo género (dos cilindros hermanados conducidos por una palanca común que permite una aspiración continua), con las cuales termina por efectuar las experiencias él mismo. Boyle nunca ocultará lo que le debe a su técnico francés, a quien cita con abundancia en sus publicaciones pero cuyos textos, aclara, reescribe sistemáticamente.

Es en ese laboratorio donde la gloria viene a coronar la doble obsesión, mecánica y culinaria, de Papin. Al adaptar una sopapa de seguridad, que inventa para la ocasión, sobre un recipiente metálico herméticamente cerrado con dos tornillos, crea el «digestor», o «baño maría de rosca», que se convertirá en la olla a presión, cuyo vapor pronto silba en las cocinas del Rey de Inglaterra y en la sala de sesiones de la Academia real de París.

Dice Denis: «Por medio de esta máquina , la vaca más vieja y más dura puede volverse tan tierna y de tan buen gusto como la carne mejor escogida», y en la actualidad no se concibe adecuadamente el impacto que podía tener una declaración semejante: en 1680, a los treinta y tres años, Papin es elegido miembro de la Royal Society, como igual de sus famosos empleadores, incluso si su nivel de vida sigue siendo el de un técnico.

Aunque en 1617 se haya instalado en Inglaterra un sistema de patentes, a Papin no le parece de ninguna utilidad interesarse en eso. Mientras los artesanos ingleses hacen fortuna fabricando su marmita, él solicita a Colbert una renta vitalicia… que le es negada.

De todos modos, ahí lo tenemos, lanzado en el jet set intelectual de la época. Lo vemos disertando sobre la circulación de la sangre en casa de Ambrose Sarotti, en Venecia, experimentando con Huygens en París sobre la bomba balística (un pesado pistón puesto en movimiento por una carga de pólvora) y lanzando en Londres su candidatura al secretariado de la Royal Society.Por desgracia, el elegido será Halley.

Fatigado, sin dinero, Papin agobia a la Royal Society con candidos pedidos, antes de desaparecer definitivamente en 1712.

Fuente Consultada: Una Historia Sentimental de las Ciencias Nicolas Witkowski

La Electrolisis del Agua-La Descomposición en Oxigeno e Hidrogeno

Electrólisis:Descomposición Del Agua en Oxígeno e Hidrógeno

LA  ELECTRÓLISIS  DEL AGUA: El agua (H2O) tiene una molécula que se compone de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno.

Por tanto, no es de extrañar que se haya pensado en utilizarla como materia prima para la obtención de alguno de los dos elementos, especialmente teniendo en cuenta su abundancia, ya que constituye casi el 7 % de la masa de la Tierra.

Normalmente, el agua se utiliza para obtener hidrógeno, ya que el oxígeno se puede producir más económicamente por otros medios (por ejemplo, licuando el aire y destilándolo a continuación).

Entre los diversos métodos con que hoy cuenta la química para descomponer el agua se halla la electrólisis, procedimiento que implica la utilización de energía eléctrica y que, por tanto, no es de los más económicos.

No obstante, al obtenerse simultáneamente oxígeno como subproducto, el método no resulta, en realidad, tan costoso, y mucho menos para aquellos países, como los escandinavos, que disponen de energía eléctrica a bajo precio.

A primera vista, se diría que el agua no se puede descomponer por electrólisis, pues para que se verifique el transporte de electrones en el seno de un líquido es necesario que éste contenga iones, (átomos o grupos atómicos con carga), y el agua no los contiene.

Esto último no es rigurosamente cierto, puesto que el agua, aunque poco, está ionizada, según  la siguiente reacción:

H2O <===>  H+ + OH—

Es decir, parcialmente se encuentra en forma de iones hidrógeno (H+) e iones oxidrilo (OH—).

Pero, además, este fenómeno (la ionización del agua) se acentúa agregándole ciertos reactivos que, en teoría, pueden ser: una sal, un ácido o un álcali (base).

En la práctica, la utilización de sales presenta el inconveniente de que se producen reacciones que atacan los electrodos, por lo cual habría que utilizar electrodos inertes, de grafito o de platino.

Si se utilizan ácidos (sulfúrico o clorhídrico) sucede algo análogo, ya que la descarga de los aniones correspondientes (S04=,Cl-) es de gran actividad.

Por último, la utilización dé bases, como la soda (Na OH) o el carbonato sódico (CO3 Na2), casi no presenta inconvenientes y, por ello, es la que se practica.

Puesto que hay que partir del punto de que la energía eléctrica es costosa, se precisa estudiar minuciosamente el método, o lo que es lo mismo, el diseño de la cuba electrolítica o célula, para obtener rendimiento máximo con mínima energía.

electrolisis

La potencia de cualquier aparato eléctrico y, por tanto, la de la cuba, se obtiene mediante la siguiente expresión (Ley de Joule):

W= I x V

en donde I es la intensidad de corriente y V, el voltaje.

La intensidad de la corriente en amperios necesaria para producir una determinada cantidad de hidrógeno se sabe con facilidad, teniendo en cuenta las leyes de la electrólisis, de Faraday (96.500 culombios depositan un equivalente  gramo  de   cualquier   sustancio),   y  que   1   amperio= 1 culombio/segundo

Por   un   razonamiento   sencillo  se  desegundo, mostraría que,durante una horc,  1.000 amperios pueden liberar cerca de medio metro cúbico de hidrógeno.

En cuanto al voltaje de la corriente, interviene una serie de factores, que son los que, en realidad, determinan ios características a las que se ha de ajustar la célula electrolítica.

Se ha comprobado experimentalmente que el voltaje necesario se compone de tres factores, o sea:

V=V1+V2 + V3

V1 es el  voltaje necesario para descomponer el  agua;
V2  es  la sobretensión  de  los electrodos,  y
V3  es la caída óhmica a  lo largo de la cuba electrolítica.

Para obtener el mínimo consumo de electricidad (o sea, la potencia, en vatios, mínima) en la liberación del hidrogene es evidente que, siendo fija la intensidad de la corriente, hay que disminuir lo más posible el voltaje (V).

Pero V1 es una  cantidad constante y,  por tanto,  no se  puede actuar sobre ella. Quedan así por examinar V2 y V3.

En la sobretensión (V2) influyen los siguientes factores: la  naturaleza  de  los  electrodos  (los  que  producen  mencr sobretensión   son   los  de   níquel   y  hierro),   la   temperatura del  baño,   la  viscosidad del  electrolito,  la  densidad  de   le corriente que atraviesa el baño, etc.

En la caída óhmica (V3), y teniendo en cuenta que hay que introducir en la cuba unos diafragmas para evitar que se mezclen el hidrógeno y el oxígeno producidos , influyen la longitud de la cuba (l1), el coeficiente de resistividad del electrodo, el espesor del diafragma (l2), el coeficiente de resistividad de éste, la resistividad del electrolito, etc.

Del estudio de las variables anteriores se deduciría que le célula electrolítica ideal debería tener unos electrodos en forma de láminas muy grandes —para que admitan muchos amperios—, colocados bastante próximos, para que li fuera mínima; entre ellos se colocaría el diafragma c película metálica de pequeño espesor —para que l¡¡ sea mínimo— y con unos orificios de diámetro suficiente, para no ofrecer resistencia al paso de los iones.

En la práctica, existe una serie de células que presente diversas ventajas e inconvenientes, como resultado de haberse tenido en cuenta, en mayor o menor grado, las variables que intervienen en el proceso, algunas de las cuales no se pueden armonizar.

Una de las más utilizadas es la «Schmidt-Oerlikon» que trabaja a 2,3 voltios y consume 6 kwh por cada metro cúbico de hidrógeno liberado (simultáneamente se libere 0,5 m3 de oxígeno).

Conceptos básicos de lubricantes-Disminuir el Rozamiento

Conceptos Básicos de Lubricantes
Disminuir el Rozamiento

FUNCIÓN DE LOS LUBRICANTES: Los lubricantes son productos que presentan la propiedad de disminuir el coeficiente de rozamiento entre dos superficies, que se deslizan una sobre otra con movimiento relativo.

lubricar concepto basico

Es fácil comprender que» tengan una importante aplicación en todos los aparatos mecánicos donde hay movimiento de piezas, puesto que ejercen una doble función: a) mecánica, de disminuir la carga, al reducir el coeficiente de rozamiento, y b) térmica, de evitar que se eleve lo temperatura de la máquina, puesto que absorbe y elimina el  calor producido en  el  roce.

Así como el consumo de ácido sulfúrico indica el grado de industrialización de un país, el de lubricantes da el índice de mecanización; este último también se puede saber partiendo del consumo de carburantes. Lubricantes y carburantes presentan un consumo proporcional: el de los primeros es el 3,5 % de los segundos.

Según lo anterior, el país más mecanizado del mundo es Estados Unidos, que en el año 1964 consumió lubricantes a razón de 25 kilogramos por habitante.

Veamos ahora cuál es el concepto de coeficiente de rozamiento. Si se supone una pieza de peso V, que está deslizándose sobre una superficie S (véase figura), para que el movimiento no cese sólo será necesario aplicar una fuerza F que compense el rozamiento.

fuerza de rozamiento y lubricantes

Es evidente que, cuanto mayor sea el peso P, más grande tiene que ser F. Entonces, se define como coeficiente de rozamiento Ω a la relación  entre  la   fuerza aplicada   (F)  y  la   presión   (P)   que ejerce el cuerpo sobre la superficie que ocupa, o sea:

formula rozamiento

Cuanto más grande sea el coeficiente de rozamiento de una pieza de un material determinado, mayor será la fuerza que se necesita para desplazarlo.

Para dar una idea de cómo pueden disminuir los lubricantes las resistencias de rozamiento, baste decir que, en el vacío, los metales pulimentados tienen un coeficiente de rozamiento mil veces superior al que presentan agregándoles   un   lubricante.

Las condiciones generales que debe reunir un lubricante son las siguientes:

1) buena circulación, para que la refrigeración de las partes en rozamiento sea eficaz;

2) viscrosidad suficientemente alta, para que trabaje en régimen hidrodinámico (régimen estable);

3) Untuosidad, para que se reparta bien por la superficie a lubricar.

Todas estas condiciones se dan en determinados tipos de aceites, como los que se obtienen en la destilación y el fraccionamiento del petróleo.

Ello no quiere decir que los aceites vegetales sean malos lubricantes; pueden ser, incluso, mejores que los minerales, pero durante corto plazo, porque su estabilidad es muy inferior. No obstante, estas buenas cualidades de los aceites vegetales se aprovechan para mejorar los lubricantes dé petróleo.

Así, es muy frecuente añadir ácido palmítico al aceite mineral, para que el lubricante adquiera la untuosidad y adherencia a las superficies metálicas que aquel producto le confiere; por ejemplo, la adición de un 0,5 % de ácido palmítico al aceite mineral determina, una disminución del coeficiente de rozamiento en los metales, que oscila  entre  el   30′ %   y  el   40 %.

Un  lubricante que trabaje en condiciones de gran presión necesita  aditivos de los siguientes tipos:

a)    ácidos grasos (palmítico, esteárico, etc.), para que. soporte presiones de arranque elevadas; por ejemplo, en la caja de cambios de los motores se producen presiones de hasta 28  toneladas por centímetro cuadrado;
b)    polímeros, para, que la variación de la viscosidad con la   temperatura   sea   mínima;
c)    productos antigripantes (palmitato de plomo, oleato de plomo,  grafito,  azufre,  etc.).

Hoy se fabrican lubricantes más amigables con el medio ambiente, que duran más tiempo en el motor. Se habla de los lubricantes sintéticos, semisintéticos, los hechos con bases más refinadas, lo cual permite que el motor, como el medio ambiente, tengan mejor cuidado. Ya no son lubricantes para  5.000 kilómetros, ese mito se rompió hace tiempo, los productos de hoy permiten 10.000 kilómetros en condiciones normales de trabajo

Las principales funciones de los aceites lubricantes son:

  • Disminuir el rozamiento.
  • Reducir el desgaste
  • Evacuar el calor (refrigerar)
  • Facilitar el lavado (detergencia) y la dispersancia de las impurezas.
  • Minimizar la herrumbre y la corrosión que puede ocasionar el agua y los ácidos residuales.
  • Transmitir potencia.
  • Reducir la formación de depósitos duros (carbono, barnices, lacas, etc.)
  • Sellar

Fuente Consultada:
TECNIRAMA Enciclopedia de la Ciencia y la Tecnología N°96

Principio de Bernoulli: Teorema de la Hidrodinamica Resumen y Teoria

Principio de Bernoulli – Teorema de la Hidrodinámica

INTRODUCCIÓN GENERAL:
Se denominan fluidos aquellos cuerpos cuyas moléculas tienen entre sí poca o ninguna coherencia y toman la forma de la vasija que los contiene, como los líquidos y los gases. Muchos de dichos cuerpos fluyen con bastante facilidad y raramente permanecen en reposo. La rama de la ciencia que trata de los fluidos en movimiento se conoce con el nombre de Hidrodinámica.

Como ejemplo, se puede citar el agua que circula por una tubería, o la corriente de aire que se origina sobre las alas de un avión en vuelo. El comportamiento de un fluido en movimiento es, naturalmente, más complicado que el de un fluido en reposo.

En Hidrostática (rama que trata de los fluidos en reposo), lo más importante de conocer, acerca del fluido, es la presión que actúa sobre el mismo. Un buzo experimenta tanto mayor aumento de presión cuanto mayor es la profundidad a la que está sumergido en el agua; la presión que soporta a una determinada profundidad es, simplemente, la suma del peso del agua por encima de él, y la presión del aire sobre la superficie del agua. Cuando el agua se pone en movimiento, la presión se modifica.

Es casi imposible predecir cuál es la presión y la velocidad del agua, por lo que el estudio de los fluidos en movimiento es muchísimo más complicado que el de los fluidos en reposo. Un buzo que se mueve a lo largo, y en el mismo sentido que una corriente submarina, probablemente no nota que la presión alrededor de él cambia. Pero, de hecho, al ponerse el agua en movimiento, la presión disminuye y, cuanto mayor es la velocidad, mayor es la caída de presión. Esto, en principio, sorprende, pues parece que un movimiento rápido ha de ejercer una presión mayor que un movimiento lento.

El hecho real, totalmente opuesto, fue primeramente expresado por el matemático suizo Daniel Bernoulli (1700-1782). Si un fluido comienza a moverse, originando una corriente continua, debe existir alguna causa que origine dicho movimiento. Este algo es una presión. Una vez el fluido en movimiento, la presión cambia, bien sea aumentando o disminuyendo. Supongamos que aumenta. Al aumentar la presión, crece la velocidad del fluido, que origina un nuevo aumento en la presión; este aumento hace crecer el valor de la velocidad, y así sucesivamente.

PRINCIPIO DE LA HIDRODINÁMICA: EXPLICACIÓN RESUMIDA DE LA TEORÍA:

A continuación estudiaremos la circulación de fluidos incompresibles, de manera que podremos explicar fenómenos tan distintos como el vuelo de un avión o la circulación del humo por una chimenea. El estudio de la dinámica de los fluidos fue bautizada hidrodinámica por el físico suizo Daniel Bernoulli, quien en 1738 encontró la relación fundamental entre la presión, la altura y la velocidad de un fluido ideal.

El teorema de Bernoulli demuestra que estas variables no pueden modificarse independientemente una de la otra, sino que están determinadas por la energía mecánica del sistema.

Supongamos que un fluido ideal circula por una cañería como la que muestra la figura. Concentremos nuestra atención en una pequeña porción de fluido V (coloreada con celeste): al cabo de cierto intervalo de tiempo Dt (delta t) , el fluido ocupará una nueva posición (coloreada con rojo) dentro de la Al cañería. ¿Cuál es la fuerza “exterior” a la porción V que la impulsa por la cañería?

Sobre el extremo inferior de esa porción, el fluido “que viene de atrás” ejerce una fuerza que, en términos de la presiónp1, puede expresarse corno p1 . A1, y está aplicada en el sentido del flujo. Análogamente, en el extremo superior, el fluido “que está adelante” ejerce una fuerza sobre la porción V que puede expresarse como P2 . A2, y está aplicada en sentido contrario al flujo. Es decir que el trabajo (T) de las fuerzas no conservativas que están actuando sobre la porción de fluido puede expresarse en la forma:

T=F1 . Dx1– F2. Dx2 = p1. A1. Dx1-p2. A2. Ax2

Si tenemos en cuenta que el fluido es ideal, el volumen que pasa por el punto 1 en un tiempo Dt (delta t) es el mismo que pasa por el punto 2 en el mismo intervalo de tiempo (conservación de caudal). Por lo tanto:

V=A1 . Dx1= A2. Dx2 entonces T= p1 . V – p2. V

El trabajo del fluido sobre esta porción particular se “invierte” en cambiar la velocidad del fluido y en levantar el agua en contra de la fuerza gravitatoria. En otras palabras, el trabajo de las fuerzas no conservativas que actúan sobre la porción del fluido es igual a la variación de su energía mecánica Tenemos entonces que:

T = DEcinética + AEpotencial = (Ec2 — Ec1) + (Ep2 — Ep1)

p1 . V — P2 . V = (1/2 .m . V2² — 1/2 . m. V1²) + (m . g . h2 — m . g . h1)

Considerando que la densidad del fluido está dada por d=m/V podemos acomodar la expresión anterior para demostrar que:

P1 + 1/2 . d. V1² + d . g. h1= P2 + 1/2 . d. V2² + d . g . h2

Noten que, como los puntos 1 y 2 son puntos cualesquiera dentro de la tubería, Bernoulli pudo demostrar que la presión, la velocidad y la altura de un fluido que circula varian siempre manteniendo una cierta cantidad constante, dada por:

p + 1/2. d . V² + d. g. h = constante

Veremos la cantidad de aplicaciones que pueden explicarse gracias a este teorema.

Fluido humano. Una multitud de espectadores pretende salir de una gran sala de proyecciones al término de la función de cine. El salón es muy ancho, pero tiene abierta al fondo sólo una pequeña puerta que franquea el paso a una galería estrecha que conduce hasta la calle. La gente, impaciente dentro de la sala, se agIomera contra la puerta, abriéndose paso a empujones y codazos. La velocidad con que avanza este “fluido humano” antes de cruzar la puerta es pequeña y la presión es grande. Cuando las personas acceden a la galería, el tránsito se hace más rápido y la presión se alivia. Si bien este fluido no es ideal, puesto que es compresible y viscoso (incluso podría ser turbulento), constituye un buen modelo de circulación dentro de un tubo que se estrecha. Observamos que en la zona angosta la velocidad de la corriente es mayor y la presión es menor.

APLICACIONES:

EL TEOREMA DE TORRICELLI

Consideremos un depósito ancho con un tubo de desagote angosto como el de la figura. Si destapamos el caño, el agua circula. ¿Con qué velocidad? ¿Cuál será el caudal? En A y en B la presión es la atmosférica PA=PB=Patm. Como el diámetro del depósito es muy grande respecto del diámetro del caño, la velocidad con que desciende la superficie libre del agua del depósito es muy lenta comparada con la velocidad de salida, por lo tanto podemos considerarla igual a cero, VA = 0

La ecuación de Bernoulli queda entonces:

d. g. hA + pA= 1/2 . d. hB + pB

entonces es:

g . hA = 1/2 . vB² + g. hB de donde VB²= 2. .g . (hA-hB)

de donde se deduce que:

VB² = 2. g(hA – hB)

Este resultado que se puede deducir de la ecuación de Bernoulli, se conoce como el teorema de Torricelli, quien lo enunció casi un siglo antes de que Bernoulli realizara sus estudios hidrodinámicos. La velocidad con que sale el agua por el desagote es la misma que hubiera adquirido en caída libre desde una altura hA, lo que no debería sorprendernos, ya que ejemplifica la transformación de la energía potencial del líquido en energía cinética.

EL GOL OLÍMPICO

A: Una pelota que rota sobre si misma arrastra consigo una fina capa de aire por efecto dei rozamiento.

B: Cuando una pelota se traslada, el flujo de aire es en sentido contrario al movimiento de la pelota.

C: Si la pelota, a la vez que avanza en el sentido del lanzamiento, gira sobre sí misma, se superponen los mapas de las situaciones A y B. El mapa de líneas de corrientes resulta de sumar en cada punto los vectores VA y VB. En consecuencia, a un lado de la pelota, los módulos de las velocidades se suman y, al otro, se restan. La velocidad del aire respecto de la pelota es mayor de un lado que del otro.

D: En la región de mayor velocidad, la presión (de acuerdo con el teorema de Bernoulli) resulta menor que la que hay en la región de menor velocidad. Por consiguiente, aparece una fuerza de una zona hacia la otra, que desvía la pelota de su trayectoria. Éste es el secreto del gol olímpico.

EL AERÓGRAFO

Las pistolas pulverizadoras de pintura funcionan con aire comprimido. Se dispara aire a gran velocidad por un tubo fino, justo por encima de otro tubito sumergido en un depósito de pintura. De acuerdo con el teorema de Bernoulli, se crea una zona de baja presión sobre el tubo de suministro de pintura y, en consecuencia, sube un chorro que se fragmenta en pequeñas gotas en forma de fina niebla.

FUERZA DE SUSTENTACIÓN: Cualquier cuerpo que se mueve a través del aire experimenta una fuerza que proviene de la resistencia del aire. Ésta puede dividirse en dos componentes que forman entre sí un ángulo recto. A uno se lo llama sustentación y se dirige verticalmente hacia arriba. El otro, llamado resistencia, actúa horizontalmente y en sentido opuesto a la dirección de desplazamiento del cuerpo. La fuerza de sustentación se opone al peso y la resistencia se opone al movimiento del
cuerpo. Para que un cuerpo pueda volar la fuerza de sustentación debe superar al peso y la resistencia debe ser tan reducida que no impida el movimiento.

Para obtener un resultado óptimo necesitamos un cuerpo con una alta relación entre la fuerza de sustentación y la resistencia. El índice más elevado se obtiene mediante un cuerpo diseñado especialmente que se denomina «perfil aerodinámico». Por razones prácticas no es posible obtener un perfil aerodinámico perfecto en un aeroplano pero las alas se diseñan siempre de modo que suministren la sustentación que sostiene a la máquina en el aire. En un corte transversal un perfil aerodinámico exhibe una nariz redondeada, una superficie superior fuertemente curvada, la inferior más achatada y una cola aguzada.

El perfil se inclina formando un ligero ángulo con la dirección del flujo de aire. La fuerza ascendente se obtiene de dos modos: por encima del perfil aerodinámico el aire se mueve más rápido a causa de su forma curva. Por el principio descubierto por Bernoulli y resumido en una ecuación matemática, la presión de un fluido disminuye en relación con el aumento de su velocidad y viceversa.

De ese modo, la presión del aire que se mueve en la parte superior del perfil decrece creando una especie de succión que provoca el ascenso del perfil aerodinámico. Por otra parte el aire que fluye bajo el perfil angulado aminora su velocidad de manera que la presión aumenta. Esta acción eleva el perfil aerodinámico, dándole mayor poder de sustentación. La fuerza de sustentación total depende del tipo de perfil, de la superficie de las alas, de la velocidad del flujo y de la densidad del aire.

La fuerza ascensional disminuye con la altitud, donde el aire es menos denso, y aumenta con el cuadrado de la velocidad del aeroplano y también con la mayor superficie de las alas. El ángulo que forma el perfil aerodinámico con el flujo de aire se llama ángulo de incidencia. A mayor ángulo, mayor fuerza ascensorial hasta llegar a un punto crítico, después del cual la fuerza ascensorial diminuye bruscamente. El flujo de aire que hasta el momento había sido suave, se descompone repentinamente en forma de remolinos. Cuando ello ocurre se dice que el avión se ha desacelerado, y de ser así el avión comienza a caer, pues las alas ya no lo pueden sostener. Es muy peligroso en caso que al avión se encuentre cerca de la tierra.

diagrama fuerza ascensorial

El diagrama muestra una sección en corte del ala de un aeroplano, según un diseño aerodinámico. El aire fluye por encima y por debajo del ala, pero fluye más rápido por encima de la parte superior porque está más curvada, presentando un largo mayor. El flujo de aire más rápido ejerce menos presión; además, se produce otra presión hacia arriba, resultante de la menor velocidad del aire por debajo del ala, que la proveerá de fuerza ascensional. Ésta es la base del vuelo del aeroplano.

Fuente Consultada: Enciclopedia NATURCIENCIA Tomo 1

La Gran Ciencia Grandes Proyectos Cientificos del Mundo Teorias

La Gran Ciencia – Grandes Proyectos Científicos del Mundo

GRAN CIENCIA. Tipo de práctica científica que se inició y desarrolló durante el siglo XX y que requiere de grandes recursos de infraestructura y personal, y, por consiguiente, económicos.

Por este motivo, es necesario tomar decisiones políticas de cierta envergadura para iniciar o mantener proyectos de Gran Ciencia. No estaría de más, por consiguiente, que todos —científicos, políticos o simples ciudadanos (no sé muy bien por qué escribo «simples», cuando ser un buen ciudadano es realmente bastante complicado)— deberíamos conocer no sólo la existencia e importancia de este tipo de ciencia, sino sus mecanismos más notorios. Para contribuir a esta labor de educación social, en una era en la que la ciencia es cuestión de Estado, incluyo aquí este concepto.

El nacimiento de la Gran Ciencia tiene que ver especialmente con la física de las partículas elementales (ahora denominada de altas energías). Buscando instrumentos que fuesen capaces de suministrar cada vez mayor energía a partículas atómicas, para que éstas pudiesen chocar con el núcleo atómico, lo que a su vez debería permitir ahondar en su estructura y en la de los elementos que lo forman —esto es lo que había hecho Ernest Rutherford (1871-1937) en 1911 cuando propuso su modelo atómico: lanzó núcleos de helio sobre láminas delgadas de oro—, físicos británicos primero, y estadounidenses después abrieron la puerta de la Gran Ciencia.

En 1932, John Cockcroft (1897-1967) y Ernest Walton (1903-1995), del Laboratorio Cavendish en Cambridge, utilizaban un multiplicador voltaico que alcanzaba los 125.000 voltios para observar la desintegración de átomos de litio. En realidad no era una gran energía: cuatro años antes Merle Tuve (1901-1982) había utilizado un transformador inventado por Nikola Tesla (1856-1943) para alcanzar, en el Departamento de Magnetismo Terrestre de la Carnegie Institution de Washington, los tres millones de voltios.

En 1937, Robert Van de Graaff (1901-1967) logró construir generadores de cerca de cinco metros de altura, que producían energías de cinco millones de voltios. Fue, sin embargo, Ernest O. Lawrence (1901-1958) el principal promotor de la Gran Ciencia en la física de partículas elementales. A partir de 1932, Lawrence comenzó a construir ciclotrones, máquinas circulares en las que las denominadas partículas elementales iban ganando energía durante cada revolución, lo que les permitía acumular suficiente energía. El primer ciclotrón medía apenas treinta centímetros de diámetro.

Pero aquello sólo era el comienzo: en 1939 Berkeley ya contaba con un ciclotrón de metro y medio de diámetro, en el que los electrones podían alcanzar una energía equivalente a dieciséis millones de voltios (16 Mev). Y en septiembre de ese año Lawrence anunciaba planes para construir uno nuevo que llegase a los 100 MeV.

En abril de 1940, la Fundación Rockefeller donaba 1,4 millones de dólares para la construcción de aquella máquina, el último de sus ciclotrones, que iba a tener más de cuatro metros y medio de diámetro. En la actualidad los grandes aceleradores tienen kilómetros de radio, y cuestan miles de millones de dólares. Aquí tenemos una de las características que con mayor frecuencia se encuentra en la Gran Ciencia: mayor tamaño, mayor potencia, mayor costo económico. No sólo es el tamaño de las máquinas implicadas lo que caracteriza a la Gran Ciencia.

Alrededor de los ciclotrones de Lawrence se agrupaban físicos, químicos, ingenieros, médicos y técnicos de todo tipo. En varios sentidos el laboratorio de Berkeley se parecía más a una factoría que a los gabinetes y laboratorios de otras épocas, el de Lavoisier (1743-1794) en París, el de Liebig (1803-1873) en Giessen o el de Maxwell (183 1-1879) en Cambridge.

La segunda guerra mundial dio un nuevo impulso a este modo, «gigantesco», de organización de la investigación científica. Para llevar adelante proyectos como el del radar o el Manhattan se necesitaban científicos, por supuesto, pero no bastaba sólo con ellos. Era imprescindible también disponer, además de otros profesionales (ingenieros, muy en particular), de una estructura organizativa compleja, en la que no faltase el modo de producción industrial. Los grandes recursos económicos que requiere la Gran Ciencia no siempre están a disposición de naciones aisladas.

En la Europa posterior a la segunda guerra mundial, la construcción de grandes aceleradores de partículas era demasiado costosa como para que cualquier nación pudiese permitirse el lujo de construir uno lo suficientemente potente como para poder aspirar a producir resultados científicos de interés. Así nació el Centre Européen de Recherches Nucléaires (CERN) de Ginebra, fundado en 1952 por doce naciones europeas. La Gran Ciencia fomentaba en este caso la internacionalización.

De hecho, el CERN sirvió de experiencia de asociación política europea; el ambiente político estaba listo para este tipo de experiencias, que culminarían años más tarde en la creación de la Comunidad Económica Europea, que con el tiempo se convertiría en la actual Unión Europea.

La Gran Ciencia puede llegar a ser tan grande que incluso naciones del potencial económico e industrial de Estados Unidos se vean obligadas a abrir algunos de sus proyectos científicos a otros países. Esto ha ocurrido, por ejemplo, con el telescopio espacial Hubble construido por la Natiorial Aeronautics and Space Administration (NASA).

El telescopio Hubble fue lanzado el 24 de abril de 1990, utilizando para ello una de las aeronaves Discovery, pero la idea de poner un gran telescopio en órbita alrededor de la Tierra para evitar la pantalla de radiaciones que es la atmósfera terrestre había surgido cuatro décadas antes. En esos cuarenta años hubo que vencer muchas dificultades; algunas de carácter técnico, por supuesto, pero otras de orden financiero y político.

En 1974, por ejemplo, la Cámara de Representantes estadounidense eliminó del presupuesto el proyecto del telescopio, a pesar de que ya había sido aprobado en 1972. El motivo es que era demasiado caro. Tras muchas gestiones se llegó al compromiso de que el proyecto saldría adelante únicamente si se internacionalizaba, involucrando a la Agencia Espacial Europea (European Space Agency; ESA).

Por supuesto, no se dio este paso por un repentino ataque de fervor ecuménico de los representantes estadounidenses, sino porque la ESA se debería hacer cargo del quince por ciento del presupuesto, con lo que éste se abarataría sustancialmente para Estados Unidos. Finalmente la agencia europea, formada por un consorcio de naciones entre las que se encuentra España, participó en el proyecto, encargándose en particular de la construcción de una cámara para fotografiar objetos que emiten una radiación débil.

En más de un sentido se puede decir que el mundo de las naciones individuales se está quedando demasiado pequeño para la Gran Ciencia. Una muestra más de esa tendencia, la globalización, que parece estar caracterizando al mundo de finales del siglo XX.

La Energia de la Fision Nuclear (301)

La Energia de la Fisión Nuclear

EXPLICACION CIENTIFICA DEL FENOMENO DE FISION O DESINTEGRACION NUCLEAR

Radiactividad natural: 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.

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck
desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck
energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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.

energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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.

energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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.

energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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.

energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck
tabla tiempo desintegracion
Períodos de semidesintegración de algunos isótopos

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.

energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

Curva de desintergración radiactiva

tabla tiempo desintegracion
Períodos de semidesintegración de algunos isótopos

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.

energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck
curva de desintegracion atomica

Curva de desintergración radiactiva

tabla tiempo desintegracion
Períodos de semidesintegración de algunos isótopos

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.

energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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 desintegracion atomica

Curva de desintergración radiactiva

tabla tiempo desintegracion
Períodos de semidesintegración de algunos isótopos

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.

energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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 desintegracion atomica

Curva de desintergración radiactiva

tabla tiempo desintegracion
Períodos de semidesintegración de algunos isótopos

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.

energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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 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 desintegracion atomica

Curva de desintergración radiactiva

tabla tiempo desintegracion
Períodos de semidesintegración de algunos isótopos

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.

energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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 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 desintegracion atomica

Curva de desintergración radiactiva

tabla tiempo desintegracion
Períodos de semidesintegración de algunos isótopos

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.

energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

https://historiaybiografias.com/linea_divisoria1.jpg

Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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

LISTA DE TEMAS TRATADOS EN ESTE SITIO:

1-¿Que es un Atomo? 2-La Energía Nuclear y sus Usos 3-La Física Moderna 4-La Fisión Nuclear 5-Partículas Elementales 6-Vida de Max Planck

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 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 desintegracion atomica

Curva de desintergración radiactiva

tabla tiempo desintegracion
Períodos de semidesintegración de algunos isótopos

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.

energia de un atomo

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, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía.

Albert Einstein (1879-1955)
einstein

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.

desintegracion nuclear

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

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Los 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.(Ver: Fision Nuclear)

La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

fision nuclear

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.