La física nuclear en pocas palabras

La energía de una bomba nuclear viene desde el interior del núcleo del átomo. La masa se convierte en energía según E = mc

². Esta energía es la energía de enlace del núcleo, el pegamento que mantiene el núcleo del átomo juntos.

Irradiando partículas

En algunos casos, la fuerza nuclear no es capaz de mantener un núcleo todos juntos, y el núcleo pierde parte de sus partículas. Físico francés Henri Becquerel descubrió accidentalmente este efecto en 1896. Él había estado intrigado por los experimentos con rayos X que Wilhelm Roentgen había estado haciendo en Alemania. Becquerel obtiene una sal de uranio para ver si podía observar estas radiografías.

En su laboratorio en el Museo de Historia Natural de París (donde también habían sido su padre y su abuelo profesores de física), Becquerel comenzó sus experimentos exponiendo al sol una placa fotográfica con la sal de uranio rociada sobre él, pensando que la luz solar se activará la radiografías. Un día nublado cuando no pudo realizar uno de sus experimentos, colocó la placa fotográfica con la sal de uranio en un cajón. Unos días más tarde, se fue adelante y desarrolló el plato de todos modos, pensando que iba a conseguir una imagen débil. Pero la imagen era muy fuerte, con alto contraste. Pronto se dio cuenta de que había descubierto un nuevo tipo de radiación energética.

Cuando Pierre y Marie Curie escucharon del experimento de Becquerel, comenzaron a buscar otros elementos que podrían emitir rayos similares. Encontraron que el torio y el uranio emiten la misma radiación. Y en 1898, descubrieron dos nuevos elementos: el polonio (llamado así por Polonia natal de Marie) y el radio. Los Curie nombradas al efecto radioactividad.

En Inglaterra, Ernest Rutherford experimentos diseñados para investigar este nuevo fenómeno radiactividad y fue capaz de demostrar que estos rayos vienen en dos variedades, una penetración más que el otro. Cuanto menos penetrante uno, al que llamó alfa, tiene carga eléctrica positiva. Los Curie en París descubrió que el otro, llamado beta, está cargado negativamente.

Al darse cuenta de las limitaciones de la fuerza nuclear

¿Por qué estos núcleos emitiendo partículas? La fuerza nuclear se supone que es extremadamente fuerte. Por qué no es capaz de mantener todas estas partículas dentro del núcleo?

La respuesta es que la fuerza nuclear tiene un muy corto radio de acción. Es capaz de empatar en partículas que están cerca uno del otro. Si las partículas son demasiado separados, la fuerza deja de funcionar. Si las partículas resultan ser los protones, que tienen cargas positivas, la fuerza eléctrica actuando solo empujará diferenciarlos.

Cuando las partículas nucleares se encuentran agrupados en un núcleo de un átomo, cada partícula interactúa únicamente con sus vecinos más cercanos. En un núcleo con más de 30 partículas, una partícula en el centro del núcleo no se sentirá la fuerza nuclear de una partícula en los bordes. Cada una de las partículas nucleares del clúster siente la atracción nuclear de las otras partículas en el cluster (sus vecinos inmediatos). Sin embargo, estas partículas no se siente la fuerza de la partícula cerca del borde.

Piénsalo de esta manera: Imagínese que usted y un grupo de varios amigos está tratando de permanecer juntos mientras nadaba en aguas turbulentas. Si todo decide tomarse de las manos, cada uno de ustedes va a celebrar a los dos vecinos más cercanos. El agarre de un nadador en un extremo de la cadena grande, no importa lo fuerte que parece a su vecino inmediato, no tiene influencia sobre un nadador en el otro extremo. Si el agua se pone demasiado áspero, todo el grupo puede romperse, creando pequeños grupos de dos, tres, o quizá cuatro.

Al igual que las aguas turbulentas que rompen aparte de su grupo, la repulsión eléctrica de los protones trata de romper un gran núcleo. Sin embargo, en el núcleo, algunos ayudantes tratan de mantener todo junto: los neutrones. Los neutrones no tienen carga eléctrica, y la única fuerza que sienten es la atracción nuclear. Son los nadadores calificados que no se apartó por las aguas turbulentas. Si usted tiene suficiente de ellos en su grupo, se mantendrá juntos.

El estudio de la desintegración alfa

Al igual que el grupo de natación con los nadadores expertos, un núcleo con un número equilibrado de protones y neutrones es estable y permanece unida. Pero si un núcleo tiene demasiados protones, la repulsión eléctrica total puede abrumar a la atracción de la fuerza nuclear, y un pedazo del núcleo puede volar a pedazos.

La pieza que sale del núcleo es por lo general en la forma de una partícula alfa, un grupo de dos protones y dos neutrones. (Esta partícula es también el núcleo del átomo de helio.) Resulta que estos cuatro partículas se mantienen juntas muy firmemente por la fuerza nuclear, por lo que este clúster es una configuración muy estable de partículas nucleares. Estas son las partículas que Rutherford identificó como radiación alfa. Los físicos llaman el efecto de las partículas alfa dejando el núcleo desintegración alfa.

La detección de desintegración beta

Parece como si tener una gran cantidad de neutrones es bueno para un núcleo debido a los neutrones no sienten la repulsión eléctrica pero no hacen sentir la atracción nuclear. Son los nadadores expertos en aguas turbulentas. Sin embargo, estos nadadores expertos no tienen mucha resistencia. Un neutrón por sí solo, lejos del núcleo, tiene una duración de sólo unos 15 minutos. Después de estos 15 minutos, se transforma en un protón, un electrón, y otra pequeña partícula llamada neutrino. Este efecto se llama desintegración beta.

Dentro del núcleo, rodeado de las otras partículas, los neutrones duran mucho más tiempo. Cuando hay suficientes protones alrededor, un efecto de la física cuántica evita que los neutrones de la creación de más protones. La física cuántica describe dando a cada protón en el núcleo de su propio espacio o ranura. Cuando hay suficientes protones, se toman todas las ranuras y no hay protones adicionales están permitidos.

En un núcleo con demasiados neutrones, un neutrón en los bordes exteriores del núcleo puede decaer en un protón, ya que habrá espacios vacíos para este nuevo protón para alojarse. Por lo tanto,

Un núcleo con demasiados neutrones es inestable y se desintegra en un protón, un electrón y un neutrino.

Los protones creadas por este decaimiento se quedan en el núcleo. Los electrones no tienen cabida en el núcleo-no hay ranuras para ellos allí. Lo mismo ocurre con los neutrinos. Por lo tanto, los electrones y los neutrinos son ambos expulsados. Los neutrinos son extremadamente difíciles de detectar. Ellos pueden ir a través de toda la Tierra y salir por el otro extremo sin una sola colisión. Pero los electrones son fáciles de detectar. Estos electrones disidentes crean el rayos beta que los Curie y Rutherford vio.

En ambos casos, los decaimientos alfa y beta, el núcleo radiactivo cambios en el núcleo de otro elemento cuando se emite la alfa o la partícula beta.

Un tercer tipo de decaimiento radiactivo existente en la que el núcleo inestable emite sólo la radiación muy energética, pero no hay partículas son expulsadas. La radiación electromagnética es y se llama rayos gamma. En este caso, el núcleo simplemente devuelve algo de energía que se obtuvo anteriormente, pero no pierde su identidad.