La Historia de la Física Moderna

Historia del Número Pi Determinacion de su valor a través del tiempo

Historia del Número Pi Determinación de su valor a través del tiempo

Cualquier esfuerzo práctico por dividir el diámetro de un círculo en su propia circunferencia solo puede resultar en fracaso.

Tal procedimiento sólo puede ser teórico en su naturaleza, e intentar obtener su valor «racional» solo conllevará a frustración. La frustración que se retrata a lo largo de la historia en el esfuerzo de la humanidad por medir lo inconmensurable.

Intentar inscribir una línea recta (el diámetro de un círculo) en otra línea curva (el perímetro del mismo) es intentar una alteración a la naturaleza, una alteración imposible que siquiera los ordenadores modernos están en condiciones de realizar.

Ya en la antigüedad, los calculistas advirtieron que todos los círculos conservaban una estrecha relación entre su perímetro y su radio pero… ¿Puede este vínculo ser considerado como un número «racional»? Es decir: ¿Puede conocerse con exactitud esta relación, o debemos limitarnos a dar aproximaciones?.

Sólo desde el siglo XVII la relación se convirtió en un número y fue identificado con el nombre «Pi» (de periphereia, nombre que los griegos daban al perímetro de un círculo), pero largo fue el camino hasta aceptar que Pi era un irracional, como infinita es la posibilidad de encontrarle un nuevo decimal.

A lo largo de la historia, la expresión de Pi ha asumido muchas variaciones. Uno de los mas antiguos textos matemáticos, el papiro de Rhind, (1700 años antes de nuestra era) nos muestra al escriba Ahmés cotejando la evaluación del área de un círculo inscrito en un cuadrado.

La biblia le asigna el valor 3, en Babilonia 3 1/8; los egipcios 4(8/9)²; Siddhantas 3,1416; Brahmagupta 3,162277; y en China 3,1724. Sin embargo, como era de esperarse, fue en Grecia donde la exacta relación entre el diámetro y el perímetro de una circunferencia comenzó a consolidarse como uno de los mas llamativos enigmas a resolver. Un contemporáneo de Sócrates, Antiphon, inscribe en el círculo un cuadrado, luego un octógono e imagina doblar el número de lados hasta el momento en que el polígono obtenido coincida prácticamente con el círculo. Brisón, por la misma época, hizo intervenir los polígonos circunscriptos.

Después de los trabajaos de Hipócrates y de Euxodo, Euclides precisa, en sus Elementos los pasos al límite necesarios y desarrolla el método de exhaución, consistente en doblar, al igual que Antiphon, el número de lados de los polígonos regulares inscritos y circunscritos y en mostrar la convergencia del procedimiento.

Arquímedes reúne y desarrolla estos resultados. Muestra que el área de un círculo es el semiproducto de su radio por su circunferencia y que la relación de la circunferencia al diámetro está comprendida entre 223/71 = 3,14084 y 22/7 = 3,14285.

Obtiene luego para las áreas y los perímetros de los polígonos regulares, inscritos y circunscritos, de n y 2n lados, relaciones de recurrencia de forma notable, que permiten calcular pi con una aproximación dada; este método de cálculo recibió el nombre de «algoritmo de Arquímedes».

Con el renacimiento, los trabajos de ciclometría se multiplican. Purbach construye una tabla de senos de 10′ en 10′ y adopta para Pi el valor 377/120 = 3,14666…. Los siglos XV y XVI se destacan por el desarrollo de la trigonometría, bajo el impulso de Copérnico y Kepler. Rhaeticus construye una tabla de senos en la que se incluye a Pi con 8 decimales exactos. Adrien Romain (1561-1615) obtiene 15 decimales y Ludolph de Colonia (1539-1610) llega hasta 32. Según su deseo, estos 32 decimales fueron grabados en su tumba, pero en su país la posteridad lo recompensó mucho mejor pues se dio a pi el nombre de «número de Ludolph».

Pronto la proeza de Ludolph se vió opacada por lo perfeccionamientos logrados por Snell (1580-1626) y Huyghens (1629-1655). El primero halla que el arco x está comprendido entre: 3 sen x /( 2 + cos x) y 1/3.(2 sen x + tg x) mientras que el segundo, cuya obra ha sido calificada como modelo de razonamiento geométrico, da la expresión (sen² x tg x)1/3 Con su método, Snell obtuvo 34 decimales exactos, partiendo del cuadrado y doblando 28 veces el número de los lados. Huyghens, en cambio, calcula Pi con 9 decimales exactos utilizando simplemente el polígono de seis lados.

El cálculo infinitesimal dió fórmulas notables que, al aportar métodos de cálculo nuevos y mucho mas potentes, separó en cierto modo a Pi de sus origenes geométricos y aclaró el papel fundamental que que juega en todo el análisis matemático.

El matemático francés Viete obtuvo, a fines del siglo XVI, la primer fórmula de Pi por medio de un producto infinito convergente que no hace figurar mas que a los número 1 y 2. Gregory en 1670 desarrolla la fórmula del Arco tangente que, para x = 1 da la fórmula de Leibniz: PI/4 = 1 – (1/3) + (1/5) -…

Como caso particular, cabe mencional a Euler, a quien le debemos la costumbre de designar por Pi a la relación circunferencia : diámetro y quien en 1775 calculó su valor, con 20 decimales, en una hora por medio de la fórmula:

Pi/4 = 5 arc tg 1/7 + 8 arc tg 3/79. Sin embargo, su mayor descubrimiento es el de un cierto parentesco entre Pi y otros números no menos importantes en la matemática, como lo son el número e, i, como así los lazos que existen entre las funciones circulares seno y coseno, y la función exponencial ex: ésta es periódica y su período imaginario es 2 i Pi.

Estas verdades son el resultado común de varias corrientes de ideas. Los logaritmos inventados por el escocés Neper (1550-1617), no solamente tuvieron gran importancia para los cálculos numéricos; la función, nula para x = 1, que admite como derivada a 1/x ofrece un sistema de logaritmos particularmente interesantes desde el punto de vista teórico: los conocidos logaritmos neperianos.

 El mas constante entre todos aquellos que se abocaron al cómputo de Pi fue el matemático inglés William Shanks, quien luego de un arduo trabajo que le demandó nada menos que veinte años, obtuvo 707 decimales en 1853. Desafortunadamente, Shanks cometió un error en el 528º decimal, y apartir de ése todos los restantes están mal. En 1949 John Von Neumann utilizó la computadora electrónica ENIAC, y luego de setenta horas de trabajo obtuvo 2037 cifras decimales. Tiempo después, otra computadora consiguió 3.000 decimales en sólo 13 minutos. Hacia 1959, una computadora británica y otra gala lograron las primeras 10.000 cifras.

En 1986 David H. Bailey extrajo 29.360.000 cifras en un Cray-2 de la Nasa utilizando el algoritmo de Ramanujan de convergencia cuártica. Finalmente, en 1987, Kanada consiguió mas de 100 millones de cifras se podrían conseguir facilmente 2.000 millones de cifras usando en exclusiva un superordenador durante una semana. En resumen, ya es prácticamente posible tantas cifras como se requiera, y el único impedimento aparente es debido al tiempo que un ordenador pueda tardar en conseguirlos.

Lo cierto es que sólo cuatro decimales de Pi con suficiente precisión bastan para las necesidades prácticas. Con 16 decimales se obtiene, con el espesor aproximado de un cabello, la longitud de una circunferencia que tenga por radio la distancia media de la tierra al sol.

Si reemplazamos el sol por la nebulosa mas lejana y el cabello por el corpúsculo mas pequeño conocido por los físicos, no harian falta mas que 40 decimales. Entonces ¿Que necesidad existe para buscar tantas cifras? Quizá ninguna necesidad práctica, pero el hombre no se resigna aún a aceptar cosas que no pueda llegar a comprender, como por ejemplo el infinito.

Evolución de Pi a través del tiempo

 Persona/pueblo         Año Valor

Biblia ~ 550 AC 3

Egipto ~ 2000 AC 3.1605

China ~1200 A.C. 3

Arquimedes ~300 AC 3.14163

Ptolomeo ~200 AC. 377/120 = 3.14166…

Chung Huing ~300 AC. raiz cuad.(10)

Wang Fau 263 A.C. 157/50 = 3.14

Tsu Chung-Chi ~500 A.C. 3.1415926<Pi<3.1415929

Aryabhata ~500 3.1416

Brahmagupta ~600 raiz cuad.(10)

Fibonacci 1220 3.141818

Ludolph van Ceulen 1596 35 decimales 

Machin 1706 100 decimales 

Lambert 1766 Nombró a Pi irracional

Richter 1855 500 decimales 

Lindeman 1882 Nombró a Pi trascendente

Ferguson 1947 808 decimales 

Ordenador Pegasus 1597 7.840 decimales 

IBM 7090 1961 100.000 decimales 

CDC 6600 1967 500.000 decimales 

Cray-2 (Kanada) 1987 100.000.000 decimales 

Univ. de Tokio 1995 4.294.960.000 decimales

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Riesgos del Uso de Uranio en la Centrales Atomicas Ventajas Riesgos

Riesgos del Uso de Uranio en la Centrales Atómicas

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE LIBERACIÓN DE ENERGÍA POR UN ÁTOMO:

La liberación de la energía nuclear: En un trozo de uranio 235, un neutrón rompe Un núcleo y expulsa, por ejemplo, dos neutrones. Estos, al romper dos núcleos, producen en la segunda generación cuatro neutrones, los que a su vez liberan ocho neutrones en la tercera generación tras desintegrar cuatro núcleos. La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones. Así, cual un alud, el número de los proyectiles crece en progresión geométrica. Como una generación de neutrones sólo dura un pequeñísimo intervalo de tiempo —una fracción infinitesimal de un segundo— todos los núcleos (2,5 x 1024) presentes en un kilogramo de uranio estarían casi instantáneamente desintegrados.

El funcionamiento normal de las centrales nucleares esparce por todo el mundo un repugnante espectro de substancias letales que no podrán nunca ser contenidas de modo seguro y que el ambiente natural no puede absorber de modo seguro. Por fortuna, la energía nuclear es tan innecesaria como injustificada: podemos satisfacer las necesidades de electricidad del mundo sin una sola central nuclear de fisión, si atemperamos de modo razonable nuestra demandas de energía.

Las únicas centrales que existen actualmente utilizan la fisión. La fusión, una tecnología que podría revolucionar la vida sobre la Tierra si se logran superar a un coste competitivo las barreras científicas que lo impiden, no existirá, suponiendo que así sea, hasta finales de siglo.

La energía de la fisión se debe a la liberación de calor que se produce cuando los átomos de uranio, bombardeados por partícula» atómicas llamadas neutrones, absorben un neutrón y se dividen dando elementos más ligeros, como estroncio y yodo. La división de los átomos de uranio libera también otros neutrones que repiten el pro ceso, en una reacción en cadena.

Se crean también elementos mas pesados cuando algunos de los átomos de uranio 238 en lugar de dividirse se transforman en plutonio 239, absorbiendo un neutrón. Muchos de los elementos creados a consecuencia de la fisión son inestables, es decir, que pierden energía rápidamente emitiendo partícula», Estas emisiones, llamadas radioactividad, son peligrosas para lo» seres vivos porque pueden desorganizar los genes y los tejidos.

La energía de fisión tiene la característica única entre todos los sistemas de obtención de energía, de añadir a los niveles del fondo natural cantidades de radiación equivalente, lo que no hace ninguna otra tecnología. El calor liberado en la fisión, se utiliza para convertir agua en vapor, que una vez proyectado sobre las paletas de una turbina eléctrica crea electricidad por la rotación de una bobina dentro de un campo magnético.

Este proceso ha fascinado a los científicos, los ingenieros y burócratas, debido principalmente a un hecho asombroso: la fisión de unos 30 gramos de uranio libera la misma energía aproximadamente que la combustión de 100 toneladas de carbón. Muchas personas a la caza de esta milagrosa cornucopia de energía, han cernido los ojos a los problemas y consecuencias que la fisión trae para nuestro ambiente.

Los partidarios de la fisión nuclear aseguran que es asegura, barata y limpia con respecto al medio ambiente», y que sus riesgos son aceptables. Mantienen que la fisión es una tecnología probada, disponible, y «en producción», mientras que otras energías de recambio no producirán energía con la rapidez necesaria para satisfacer nuestras necesidades.

La Energía Nuclear aporta un 33% de la energía consumida en Europa, de manera limpia, sin emisiones de gases de efecto invernadero y causantes de la lluvia ácida y sin perjudicar la capa de ozono. Además las centrales nucleares producen cantidades muy pequeñas de residuos sólidos en proporción a las grandes cantidades de electricidad que producen y el efecto de las emisiones líquidas y gaseosas en el medio ambiente es inapreciable. Otro problema distinto, es donde almacenar los residuos que se producen, residuos con vidas media muy largas.

Por otro lado la Energía Nuclear no está sujeta a cambios en las condiciones climáticas, sino que las centrales nucleares operan 24 horas al día durante los 365 días del año, lo que supone una gran garantía de suministro. Además no sufre fluctuaciones imprevisibles en los costes y no depende de suministros del extranjero, lo que produce precios estables a medio y largo plazo.

Los que defienden energías de recambio están en total desacuerdo y aseguran que si se dispusiera de sólo una pequeña fracción de los fondos dedicados actualmente a la fisión nuclear, se podrían crear en unos pocos años industrias energéticas de recambio seguras, industrias que proporcionarían tanta energía como la que se obtiene de la fisión. Señalan especialmente que el desarrollo de «energías menos duras» ha sido perjudicado por la enorme sangría de recursos que la fisión nuclear ha impuesto a los fondos de investigación energética de los EE.UU.

Los problemas más serios de la fisión se deben a que una sola central nuclear de fisión de gran tamaño produce tanta radioactividad de vida prolongada como la explosión de 1.000 bombas atómicas de Hiroshima. Y se cree que la exposición de las personas a la radiación aumenta el riesgo de cáncer, de daños genéticos, enfermedades del corazón y muchas otras dolencias. Parece ser que en los niños que todavía no han nacido, la radiación aumenta los riesgos de defectos congénitos y retraso mental. Pero a pesar de esto, la Comisión de energía atómica (AEC), ha anunciado planes para autorizar la instalación de 1.000 centrales nucleares en los próximos 25 años.

El contaminante radioactivo más peligroso de los muchos que producen los reactores, es el plutonio. Se trata de una sustancia artificial, que no existe de modo natural en la Tierra, y que es el ingrediente explosivo de las armas nucleares. Es tan mortal, que tres cucharadas de plutonio contienen suficiente radioactividad para inducir el cáncer en más de 500 millones de personas, según el Dr. John W. Gofman, codescubridor del uranio 233.

En su opinión se trata de la sustancia más tóxica de la Tierra, y una mota infinitesimal, más pequeña que un grano de polen, produce cáncer si se respira o se traga con el agua. Y, sin embargo, el funciona-miento de 2.000 reactores producirá 400.000 kilos de este material cada año: un desecho para el cual no existen sistemas de recolección. Hay que guardar el plutonio en depósitos con una vigilancia sin falla por los menos durante 250.000 años, más de 125 veces la duración de toda la era cristiana, a no ser que se dé un gran paso en la tecnología de los deshechos radioactivos.

Hay que guardar también el plutonio para evitar que sea robado con fines terroristas. Se necesitan sólo unos pocos kilos de plutonio para fabricar una bomba que borraría del mapa ciudades como San Francisco, Nueva York o Moscú. Estas destrucciones pueden llevarse a cabo con una facilidad escandalosa. Un estudio secreto de la AEC informó que dos físicos que acababan de finalizar su carrera fueron capaces de diseñar una bomba atómica recurriendo únicamente a las obras accesibles al público.

Vivimos una época en la que casi cualquier país o grupo de presión con unos pocos científicos capacitados, puede convertirse en potencia nuclear, creando un riesgo terrible de guerra o accidente nuclear Si éstos fuesen los únicos peligros que presenta la energía de fisión, constituirían motivo suficiente para abandonarla.

Entre otros problemas están la falta de técnicas seguras de almacenamiento para los deshechos nucleares de alto nivel, la posibilidad de que se produzcan fugas catastróficas de radioactividad de las centrales nucleares, y emisiones normales radioactivas.

— Cuando sus recipientes sufren alteraciones normales escapan al medio ambiente deshechos de alto nivel, y los que critican el sistema aseguran que parte de los deshechos se ha incorporado al agua del suelo. Los deshechos se ven expuestos dentro de sus tanques a la acción de saboteadores, terremotos, guerras o accidentes; una sola de estas causas, bastaría para dejar sueltas de golpe cantidades colosales de radioactividad.

— Las medidas de protección destinadas a proteger al público contra accidentes nucleares serios, no se han puesto nunca a prueba de modo completo y en condiciones reales de funciona miento. La explosión de una central podría causar miles de muertos y daños por valor de 17.000 millones de dólares, según la AEC. (caso de Chernobyl en 1986 y Japón en 2010)

— La fuga de sólo un mínimo por ciento de la radioactividad del núcleo de un reactor, podría convertir en inhabitable una zona del tamaño de California.

— Aparte de los accidentes, las centrales de fisión emiten de modo normal radioactividad por los gases de sus chimeneas y por el agua de deshecho. Según cálculos realizados por eminentes cien tíficos, los límites federales legales para este tipo de radiación son tan altos que si cada persona en el país se viera expuesta a los límites de radiación permitidos, se producirían cada año, 32.000 fallecimientos más por cáncer y leucemia y de 150.000 a 1.500.000 fallecimientos genéticos adicionales. El coste-anual para la seguridad social de las enfermedades inducidas genéticamente ha sido calculado por el especialista en genética, premio Nobel, Joshua Lederberg, en 10.000 millones de dólares.

cuadro central nuclear

Cuadro funcionamiento de una central nuclear

Central Nuclear Atucha I

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

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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.

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

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

Se llaman isótopos radiactivos o radioisótopos todos aquellos isótopos que emiten radiaciones.

Muchos elementos químicos tienen isótopos radiactivos cuyos núcleos emiten radiaciones y partículas de forma espontánea, a la vez que se transforman en núcleos de otros elementos.

Así, por ejemplo, uno de los isótopos del carbono, el carbono-14, es radiactivo y se transforma, espontáneamente, en un núcleo de nitrógeno.

Es posible conseguir que un núcleo estable se transforme en un radioisótopo. Si a un núcleo estable llega una partícula con suficiente energía, el núcleo puede desestabilizarse y volverse radiactivo para recuperar la estabilidad.

Cuando esto sucede, se habla de radiactividad artificial, en oposición a la radiactividad espontánea o radiactividad natural.

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

Si el núcleo es estable, el elemento no es radiactivo; pero cuando la relación entre los componentes del núcleo no es la adecuada, éste emite partículas y radiaciones electromagnéticas hasta alcanzar la estabilidad.

Se llaman isótopos radiactivos o radioisótopos todos aquellos isótopos que emiten radiaciones.

Muchos elementos químicos tienen isótopos radiactivos cuyos núcleos emiten radiaciones y partículas de forma espontánea, a la vez que se transforman en núcleos de otros elementos.

Así, por ejemplo, uno de los isótopos del carbono, el carbono-14, es radiactivo y se transforma, espontáneamente, en un núcleo de nitrógeno.

Es posible conseguir que un núcleo estable se transforme en un radioisótopo. Si a un núcleo estable llega una partícula con suficiente energía, el núcleo puede desestabilizarse y volverse radiactivo para recuperar la estabilidad.

Cuando esto sucede, se habla de radiactividad artificial, en oposición a la radiactividad espontánea o radiactividad natural.

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

Según la proporción entre protones y neutrones de un núcleo, éste es estable o no. Actualmente se conocen más de 300 núcleos estables. La radiactividad tiene su origen en la estabilidad nuclear.

Si el núcleo es estable, el elemento no es radiactivo; pero cuando la relación entre los componentes del núcleo no es la adecuada, éste emite partículas y radiaciones electromagnéticas hasta alcanzar la estabilidad.

Se llaman isótopos radiactivos o radioisótopos todos aquellos isótopos que emiten radiaciones.

Muchos elementos químicos tienen isótopos radiactivos cuyos núcleos emiten radiaciones y partículas de forma espontánea, a la vez que se transforman en núcleos de otros elementos.

Así, por ejemplo, uno de los isótopos del carbono, el carbono-14, es radiactivo y se transforma, espontáneamente, en un núcleo de nitrógeno.

Es posible conseguir que un núcleo estable se transforme en un radioisótopo. Si a un núcleo estable llega una partícula con suficiente energía, el núcleo puede desestabilizarse y volverse radiactivo para recuperar la estabilidad.

Cuando esto sucede, se habla de radiactividad artificial, en oposición a la radiactividad espontánea o radiactividad natural.

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

Estabilidad Nuclear

Según la proporción entre protones y neutrones de un núcleo, éste es estable o no. Actualmente se conocen más de 300 núcleos estables. La radiactividad tiene su origen en la estabilidad nuclear.

Si el núcleo es estable, el elemento no es radiactivo; pero cuando la relación entre los componentes del núcleo no es la adecuada, éste emite partículas y radiaciones electromagnéticas hasta alcanzar la estabilidad.

Se llaman isótopos radiactivos o radioisótopos todos aquellos isótopos que emiten radiaciones.

Muchos elementos químicos tienen isótopos radiactivos cuyos núcleos emiten radiaciones y partículas de forma espontánea, a la vez que se transforman en núcleos de otros elementos.

Así, por ejemplo, uno de los isótopos del carbono, el carbono-14, es radiactivo y se transforma, espontáneamente, en un núcleo de nitrógeno.

Es posible conseguir que un núcleo estable se transforme en un radioisótopo. Si a un núcleo estable llega una partícula con suficiente energía, el núcleo puede desestabilizarse y volverse radiactivo para recuperar la estabilidad.

Cuando esto sucede, se habla de radiactividad artificial, en oposición a la radiactividad espontánea o radiactividad natural.

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

A partir de esta distancia predominarán las fuerzas eléctricas, que tenderán a separar a los protones.

Estabilidad Nuclear

Según la proporción entre protones y neutrones de un núcleo, éste es estable o no. Actualmente se conocen más de 300 núcleos estables. La radiactividad tiene su origen en la estabilidad nuclear.

Si el núcleo es estable, el elemento no es radiactivo; pero cuando la relación entre los componentes del núcleo no es la adecuada, éste emite partículas y radiaciones electromagnéticas hasta alcanzar la estabilidad.

Se llaman isótopos radiactivos o radioisótopos todos aquellos isótopos que emiten radiaciones.

Muchos elementos químicos tienen isótopos radiactivos cuyos núcleos emiten radiaciones y partículas de forma espontánea, a la vez que se transforman en núcleos de otros elementos.

Así, por ejemplo, uno de los isótopos del carbono, el carbono-14, es radiactivo y se transforma, espontáneamente, en un núcleo de nitrógeno.

Es posible conseguir que un núcleo estable se transforme en un radioisótopo. Si a un núcleo estable llega una partícula con suficiente energía, el núcleo puede desestabilizarse y volverse radiactivo para recuperar la estabilidad.

Cuando esto sucede, se habla de radiactividad artificial, en oposición a la radiactividad espontánea o radiactividad natural.

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 n