Física nuclear

A física nuclear é unha rama da física que estuda as propiedades e o comportamento dos núcleos atómicos. A física nuclear é coñecida maioritariamente pola sociedade a traverso do seu papel na enerxía nuclear en centrais nucleares e no desenvolvemento de armas nucleares, tanto de fisión como de fusión nuclear. Nun contexto máis amplo, defínense a física nuclear e física de partículas como a rama da física que estuda a estrutura fundamental da materia e as interaccións entre partículas subatómicas.

 Desintegración nuclear 
Os núcleos atómicos consisten en protóns, cargados positivamente, e neutróns sen carga. ó número de protóns dun núcleo chámaselle número atómico, e define ó elemento químico. Todos os núcleos con 11 protóns, por exemplo, son núcleos de átomos de sodio (Na). Un elemento pode ter varios isótopos, cuxos núcleos teñen un número distinto de neutróns. Por exemplo, o núcleo de sodio estable contén 12 neutróns, mentres que os que conteñen 13 neutróns son radioactivos. Eses isótopos anótanse como 1123Na e 1124Na, onde o subíndice indica o número atómico, e o superíndice representa o número total de nucleóns, é dicir, de neutróns e protóns. Calquera especie de núcleo designada por un certo número atómico e de neutróns chámase núclido.

Os núclidos radioactivos son inestables e sofren unha transformación espontánea en núclidos doutros elementos, liberando enerxía no proceso (véxase Radioactividade). Esas transformacións inclúen a desintegración alfa, que supón a emisión dun núcleo de helio (2He2+), e a desintegración beta ou a desintegración β (positrón). Na desintegración β un neutrón transfórmase nun protón, con emisión simultánea dun electrón de alta enerxía. Na desintegración β+ un protón nuclear convértese nun neutrón emitindo un positrón de alta enerxía (véxase Partículas elementais). Por exemplo, o 24Na sofre unha desintegración β formando o elemento superior, o magnesio:

1124Na → 1224Mg + β + γ 

A radiación gamma (γ) é radiación electromagnética de alta frecuencia e enerxía. Cando se produce a desintegración α ou β, o núcleo resultante permanece a miúdo nun estado excitado (maior enerxía), polo que se produce unha emisión de raios gamma e o núcleo pasa a un estado de menor enerxía.

Ó representar a desintegración dun núclido radioactivo débese determinar tamén o período de semidesintegración do núclido, é dicir, o tempo que tarda en desintegrarse a metade da mostra. O período de semidesintegración do 24Na, por exemplo, é de 15 horas. Os físicos nucleares determinan tamén o tipo e enerxía da radiación emitida polo núclido.

 Primeiros experimentos 

A radioactividade foi descuberta nos sales de uranio polo físico francés Henri Becquerel en 1896. En 1898, os científicos franceses Marie e Pierre Curie descubriron dous elementos radioactivos existentes na natureza, o polonio (84Po) e o radio (88Ra). Durante a década de 1930, Irène e Frédérick Joliot-Curie obtiveron os primeiros núclidos radioactivos artificiais bombardeando boro (5B) e aluminio (13Al) con partículas α para formar isótopos radioactivos de nitróxeno (7N) e fósforo (15P). Os isótopos destes elementos presentes na natureza son estables.

Os científicos alemáns Otto Hahn e Fritz Strassmann descubriron a fisión nuclear en 1938. Cando se irradia uranio con neutróns, algúns núcleos divídense en dous, con números atómicos aproximadamente a metade do número atómico do uranio. A fisión libera unha cantidade enorme de enerxía e utilízase en armas e reactores de fisión nuclear.

 Reaccións nucleares 

A física nuclear inclúe tamén o estudo das reaccións nucleares: o uso de proxectís nucleares para converter un tipo de núcleo noutro. Se, por exemplo, se bombardea o sodio con neutróns, parte dos núcleos estables 1123Na capturan estes neutróns para formar núcleos radioactivos 1124Na:

1123Na + n → 1124Na + γ

Estas reaccións estúdanse colocando mostras dentro dos reactores nucleares para producir un fluxo alto de neutróns (número elevado de neutróns por unidade de área).

Os núcleos tamén poden reaccionar entre eles pero, se están cargados positivamente, repélense entre si con gran forza. Os núcleos proxectís deben ter unha enerxía o bastante alta como para superar a repulsión e reaccionar cos núcleos branco. Os núcleos de alta enerxía obtéñense nos ciclotróns, nos xeradores de Van de Graaff e en xeral, en aparellos aceleradores de partículas.

Unha reacción nuclear típica é a que se utilizou para producir artificialmente o elemento seguinte ao uranio (92U), que é o elemento máis pesado existente na natureza. O neptunio (93Np) obtívose bombardeando uranio con deuteróns (núcleos do isótopo hidróxeno pesado, ²H) segundo a reacción:

92U + 12H → 93Np + n

 Análise radio químico 

As partículas alfa, que son emitidas normalmente por elementos con números atómicos superiores a 83, teñen a enerxía discreta característica dos núclidos emisores. Así, os emisores a poden ser identificados medindo a enerxía das partículas α. As mostras a medir deben ser moi delgadas porque estas partículas perden rapidamente enerxía ó atravesar o material. Os raios γ tamén teñen a enerxía discreta característica do núclido que se desintegra, polo que a enerxía destes raios tamén pode usarse para identificar núclidos. Posto que os raios γ poden atravesar unha cantidade considerable de material sen perder enerxía, a mostra non ten que ser delgada. Os espectros de enerxía das partículas beta (e os positróns) non son útiles para identificar núclidos porque se estenden sobre todas as enerxías ata un máximo para cada emisor β.

Con frecuencia, as técnicas de física nuclear empréganse para analizar materiais rastrexando elementos presentes en cantidades moi pequenas. A técnica utilizada chámase análise de activación. Irrádiase unha mostra con proxectís nucleares (normalmente neutróns) para converter núclidos estables en núclidos radioactivos, que logo mídense con detectores de radiación nuclear. Por exemplo, o sodio dunha mostra pode ser detectado irradiando a mostra con neutróns, e convertendo así parte dos núcleos estables 1123Na en núcleos radioactivos 1124Na; a continuación mídese a cantidade destes últimos contando as partículas β e os raios g emitidos.

A análise de activación pode medir (sen separación química) cantidades tan pequenas como 1 nanogramo (10-9 g) duns 35 elementos en materiais como o chan, as rochas, os meteoritos e as mostras lunares. Tamén pode utilizarse para analizar mostras biolóxicas, como o sangue e o tecido humano; con todo, nos materiais biolóxicos pódense observar poucos elementos sen separacións químicas.

Outras aplicacións importantes da física nuclear son o desenvolvemento de métodos para producir especies radioactivas utilizadas para a diagnose e os tratamentos médicos. Tamén desenvolveu os isótopos trazadores que se usan para estudar o comportamento químico dos elementos, para medir o desgaste dos motores de automóbiles e noutros estudos que empregan cantidades mínimas de material.

 Científicos relevantes na física nuclear 
 Marie Curie
 Henri Becquerel
 Irène Joliot-Curie
 Pierre Curie
 Niels Bohr
 Jean Frédéric Joliot-Curie

 Fisión e fusión 

Os conceptos de fisión e fusión nuclear difiren nas características de formación de cada un. Desta forma atópase que a fisión (utilizada nas bombas nucleares de uranio, como as da segunda guerra mundial contra o Xapón) consiste no "bombardeo" de partículas subatómicas ó uranio (ou a calquera elemento transuránico, a condición de que as súas características permítano), traendo como consecuencia a fisión (de alí o seu nome) do átomo e con isto a dos demais átomos adxacentes ó bombardeado en reacción en cadea. Mentres que a fusión é a unión baixo certas condicións (altas presións, altas temperaturas, altas cargas etc.) de dous ou máis átomos, esta crea moita máis enerxía e obsérvase na coñecida bomba H (bomba de hidróxeno).

A fusión representa diversos problemas, xa que a nivel atómico as cargas dos átomos repélense entre si impedindo a unión destes, por isto recórrese xeralmente á utilización de isótopos radioactivos (como o é o deuterio, isótopo do hidróxeno), perfecto para a fusión polo seu pequeno número atómico e unha radioactividade considerable, así que con esta diferenza de potencial (producida pola radioactividade) e condicións de alta voltaxe, en conxunto de técnicas sen carga e aceleración de partículas lograríase a fusión dos devanditos átomos converténdoos ó estado de plasma e por conseguinte, ionizándoos (perdendo os electróns) favorecendo á unión. A unión de átomos de deuterio ten dous posibles resultados:

D → D = T P

D → D = H3 N

Falando particularmente do segundo caso, a unión de dous átomos de deuterio podería formar H2, o cal transformaríase en H3 (helio) N (e a liberación dun neutrón). A enerxía créase a partir da liberación do neutrón.

A enerxía da fusión é tan poderosa que polo momento no pode aproveitarse ó máximo. E representa moitas vantaxes en relación á fisión nuclear:
 Non deixa residuos nucleares.
 É moito máis estable (non ocorre en reacción en cadea).
 Produce moita máis enerxía.

Así mesmo, xorden os reactores de fusión nuclear, que funcionan con aceleración de partículas (en ciclotróns ou aceleradores comúns), con confinamento electrostático (creado por Philo T. Farnsworth) onde se somete deuterio a baleiro e a altas voltaxes en conxunto ao seu aceleración producida por atracción de potenciais eléctricos. Entre outras técnicas.