Fisión nuclear

[miniatura|upright|Reacción de fisión inducida. Un [neutrón é absorbido por un núcleo de uranio-235, converténdoo brevemente nun núcleo excitado de uranio-236, coa enerxía de excitación proporcionada pola enerxía cinética do neutrón máis a forzas que unen o neutrón. O uranio-236, á súa vez, divídese en elementos máis lixeiros que se moven rapidamente (produtos de fisión) e libera varios neutróns libres, un ou máis raios gamma rápidos (non mostrados) e unha cantidade (proporcionalmente) grande de enerxía cinética.]]
En física nuclear, a **fisión** (non confundir coa fusión nuclear) é a división dun núcleo en núcleos máis liviáns, ademais dalgúns subprodutos como neutróns libres, fotóns (xeralmente raios gamma) e outros fragmentos do núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) e beta (electróns e positróns de alta enerxía) ademais de gran cantidade de enerxía, mesmo para os estándares enerxéticos da desintegración radioactiva. O seu descubrimento débese a Otto Hahn e Lise Meitner, aínda que foi o primeiro o único en recibir o premio Nobel polo mesmo.

A fisión nuclear dos elementos pesados foi descuberta o 17 de decembro de 1938 polo alemán Otto Hahn e o seu axudante Fritz Strassmann a proposta da física austro-sueca Lise Meitner que a explicou teoricamente en xaneiro de 1939 xunto co seu sobriño Otto Robert Frisch. Frisch deu nome ao proceso por analoxía coa fisión binaria das células vivas. No caso dos nucleidos pesados, trátase dunha reacción exotérmica que pode liberar grandes cantidades de enerxía, tanto en forma de radiación electromagnética como de enerxía cinética dos fragmentos. Do mesmo xeito que a fusión nuclear, para que a fisión produza enerxía, a enerxía de ligazón total dos elementos resultantes debe ser maior que a do elemento inicial.

A fisión é unha forma de transmutación nuclear porque os fragmentos resultantes (ou átomos fillos) non son o mesmo elemento que o átomo pai orixinal. Os dous (ou máis) núcleos producidos adoitan ser de tamaños comparables pero lixeiramente diferentes, normalmente cunha relación de masas dos produtos de aproximadamente 3 a 2, para isótopos comúns fisionables. A maioría das fisións son binarias (producen dous fragmentos cargados), pero ocasionalmente (de 2 a 4 veces por cada 1000 eventos), prodúcense *tres* fragmentos cargados positivamente, nunha fisión ternaria. O máis pequeno destes fragmentos nos procesos ternarios varía en tamaño desde un protón ata un núcleo de argon.

Á parte da fisión inducida por un neutrón, aproveitada e explotada polo ser humano, unha forma natural de desintegración radioactiva espontánea (que non require un neutrón) tamén se denomina fisión, e prodúcese especialmente en isótopos de moi alto número de masa. A fisión espontánea foi descuberta en 1940 por Fliórov, Pétrzhak, e Kurchátov

A composición impredicible dos produtos (que varían de forma amplamente probabilística e algo caótica) distingue a fisión dos procesos puramente de efecto túnel como a emisión de protóns, a desintegración alfa e a desintegración en acio, que dan os mesmos produtos cada vez. A fisión nuclear produce enerxía para a enerxía nuclear e impulsa a explosión de armas nucleares. Ambos os usos son posibles porque certas substancias chamadas combustibles nucleares sofren a fisión cando son golpeadas polos neutróns de fisión, e á súa vez emiten neutróns cando rompen. Isto fai posible unha reacción nuclear en cadea autosostida, que libera enerxía a un ritmo controlado nun reactor nuclear ou a un ritmo moi rápido e incontrolado nunha arma nuclear.

A cantidade de enerxía libre contida no combustible nuclear é millóns de veces superior á cantidade de enerxía libre contida nunha masa similar de combustible químico como a gasolina, o que fai da fisión nuclear unha fonte de enerxía moi densa. Con todo, os produtos da fisión nuclear son, máis ou menos, moito máis radioactivos que os elementos pesados que normalmente se fisionan como combustible, e permanecen así durante moito tempo, dando lugar a un problema de residuos nucleares. A preocupación pola acumulación de residuos nucleares e o potencial destrutivo das armas nucleares contraponse ao desexo pacífico de utilizar a fisión como fonte de enerxía.

Cando se calcula a masa total dos produtos da escisión nuclear, verifícase que é menor que a masa orixinal do átomo antes da escisión. A teoría da relatividade de Albert Einstein dá a explicación para esta masa *perdida*: Einstein demostrou que **masa** e **enerxía** son dúas equivalentes. Polo tanto, a masa perdida durante a escisión reaparece baixo a forma de enerxía. Einstein resumía esta equivalencia na famosa ecuación:

E = mc^2\,\!

Onde *E* é a enerxía, *m* a masa e *c* a velocidade da luz. Dado que *c* é moi grande (300.000 km/s), ocorre igual con E, que é realmente moi grande, mesmo cando se perde unha moi pequena porción da masa.

## Mecanismo 
A fisión de núcleos pesados é un proceso exotérmico, o que supón que se liberan cantidades substanciais de enerxía. O proceso xera moita máis enerxía que a liberada nas reaccións químicas convencionais, en que están implicadas as cortizas electrónicas; a enerxía emítese, tanto na forma de radiación gamma como de enerxía cinética dos fragmentos da fisión, que quentan a materia que se atopa arredor do espazo onde se produce a fisión.

A fisión pódese inducir por varios métodos, incluíndo o bombardeo do núcleo dun átomo fisionable cunha partícula da enerxía correcta; a partícula é xeralmente un neutrón libre. Este neutrón libre é absorbido polo núcleo, facéndoo inestable, a modo de exemplo, pódese pensar na inestabilidade dunha pirámide de laranxas nun supermercado, ao lanzarse unha laranxa contra ela á velocidade correcta. O núcleo inestable partirase entón en dous ou máis anacos: os produtos da fisión que inclúen dous núcleos máis pequenos, ata sete neutróns libres (cunha media de dous e medio por reacción), e algúns fotóns. 

Os núcleos atómicos lanzados como produtos da fisión poden ser varios elementos químicos. Os elementos que se producen son resultado do azar, mais estatisticamente o resultado máis probable é atopar núcleos coa metade de protóns e neutróns do átomo fisionado orixinal. 

Os produtos da fisión son xeralmente altamente radioactivos, non son isótopos estables; estes isótopos entón decaen, mediante cadeas de desintegración.
#### Desintegración radioactiva
A fisión nuclear pode producirse sen bombardeo de neutróns como un tipo de desintegración radioactiva. Este tipo de fisión denomínase fisión espontánea é pouco frecuente, excepto nalgúns isótopos pesados e observouse por primeira vez en 1940. Niels Bohr mellorouno en 1913 ao conciliar o comportamento cuántico dos electróns (o modelo de Bohr). En 1928, George Gamow propuxo a fórmula semiempírica da masa, que se converteu en esencial para comprender a física da fisión.  

En 1896, Henri Becquerel atopara, e Marie Curie nomeara, a radioactividade. En 1900, Rutherford e Frederick Soddy, investigando o gas radioactivo que emanaba do torio, "transmitiron a tremenda e inevitable conclusión de que o elemento torio estaba lenta e espontaneamente transmutándose en gas argon!". Finalmente, en 1932, os colegas de Rutherford Ernest Walton e John Cockcroft conseguiron unha reacción nuclear e unha transmutación nuclear totalmente artificiais, utilizando protóns acelerados artificialmente contra o litio-7 para dividir este núcleo en dúas partículas alfa. A fazaña coñeceuse popularmente como "dividir o átomo", e valeríalles o Premio Nobel de Física de 1951 por *"Transmutación de núcleos atómicos mediante partículas atómicas aceleradas artificialmente"*, aínda que non se trataba da reacción de fisión nuclear descuberta posteriormente nos elementos pesados.

O físico inglés James Chadwick descubriu o neutrón en 1932. Chadwick utilizou unha cámara de ionización para observar protóns desprendidos de varios elementos 
por radiación de berilio, seguindo as observacións anteriores de Joliot-Curies. En palabras de Chadwick, "...Para explicar o gran poder de penetración da radiación debemos supoñer ademais que a partícula non ten carga neta..." A existencia do neutrón foi postulada por primeira vez por Rutherford en 1920, e en palabras de Chadwick, "...como demos ías construír un gran núcleo cunha gran carga positiva? E a resposta era unha partícula neutra."

En palabras de Richard Rhodes, referíndose ao neutrón: "Serviría, por tanto, como unha nova sonda nuclear dun poder de penetración superior". Philip Morrison afirmou: "Un feixe de neutróns térmicos que se move á velocidade do son... produce reaccións nucleares en moitos materiais moito máis facilmente que un feixe de protóns... que viaxa miles de veces máis rápido."  Segundo Rhodes, "retardar un neutrón dáballe máis tempo nas proximidades do núcleo, e iso dáballe máis tempo para ser capturado." O equipo de Fermi, que estudaba a captura radioactiva, que é a emisión de radiación gamma despois de que o núcleo captura un neutrón, estudou sesenta elementos, inducindo radioactividade en corenta. No proceso, descubriron a capacidade do hidróxeno para frear os neutróns. Fermi chegou á conclusión de que os seus experimentos crearan novos elementos con 93 e 94 protóns, que o grupo denominou ausonio e hesperio. Con todo, a análise dos resultados de Fermi non convenceu a todos, a pesar de que gañaría o Premio Nobel de Física de 1938 polas súas "demostracións da existencia de novos elementos radioactivos producidos por irradiación de neutróns, e polo seu descubrimento relacionado de reaccións nuclearess provocadas por neutróns lentos". A química alemá Ida Noddack suxeriu notablemente en 1934 que no canto de crearse un novo elemento 93, máis pesado, que "é concibible que o núcleo rompa en varios fragmentos grandes". Con todo, a obxección citada vén de lonxe, e non era máis que unha das varias lagoas que observou na afirmación de Fermi. Aínda que Noddack era unha química analítica de renome, carecía da formación en física necesaria para apreciar a enormidade do que estaba a propoñer.

[miniatura|upright|esquerda|Exposición sobre fisión nuclear no [Deutsches Museum de Múnic. A mesa e os instrumentos son orixinais, pero non estarían xuntos na mesma habitación]].

Tras a publicación de Fermi, Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Strassmann comezaron a realizar experimentos similares en Berlín. Meitner, xudía austriaca, perdeu a nacionalidade austríaca co *Anschluss* (a unión de Austria coa Alemaña nazi en marzo de 1938), pero fuxiu en xullo de 1938 a Suecia e iniciou unha correspondencia por correo con Hahn en Berlín. Casualmente, o seu sobriño Otto Robert Frisch, tamén refuxiado, atopábase en Suecia cando Meitner recibiu unha carta de Hahn datada o 19 de decembro na que describía a súa proba química de que parte do produto do bombardeo do uranio con neutróns era bario. Hahn suxeriu un *estalido* do núcleo, pero non estaba seguro de cal era a base física dos resultados. O bario tiña unha masa atómica un 40% inferior á do uranio, e ningún método de desintegración radioactiva coñecido ata entón podía explicar unha diferenza tan grande na masa do núcleo. Frisch era escéptico, pero Meitner confiaba na capacidade de Hahn como químico. Marie Curie levaba moitos anos separando o bario do radio, e as técnicas eran ben coñecidas. Meitner e Frisch interpretaron entón correctamente os resultados de Hahn no sentido de que o núcleo do uranio partiuse aproximadamente pola metade. Frisch suxeriu que o proceso se denominase "fisión nuclear", por analoxía co proceso de división das células vivas en dúas, que entón se chamaba fisión binaria. Do mesmo xeito que o termo "reacción en cadea" nuclear tomaríase prestado da química, o termo "fisión" tomouse prestado da bioloxía.. 

Rapidamente difundiuse a noticia do novo descubrimento, que se considerou correctamente como un efecto físico totalmente novo con grandes posibilidades científicas e potencialmente prácticas. A interpretación de Meitner e Frisch do descubrimento de Hahn e Strassmann cruzou o océano Atlántico con Niels Bohr, que ía dar unha conferencia na Universidade de Princeton. I.I. Rabi e Willis Lamb, dous físicos da Universidade Columbia que traballaban en Princeton, decatáronse da noticia e levárona a Columbia. Rabi dixo que llo contou a Enrico Fermi; Fermi atribuíullo a Lamb. Pouco despois, Bohr foi de Princeton a Columbia para ver a Fermi. Ao non atopar a Fermi no seu despacho, Bohr baixou á zona do ciclotrón e atopou a Herbert L. Anderson. Bohr agarroulle polo ombreiro e díxolle: "Mozo, permítame explicarlle algo novo e emocionante en física". 

Varios científicos de Columbia tiñan claro que debían tentar detectar a enerxía liberada na fisión nuclear do uranio por bombardeo de neutróns. O 25 de xaneiro de 1939, un equipo da Universidade de Columbia realizou o primeiro experimento de fisión nuclear nos Estados Unidos, que se realizou no soto de Pupin Hall. O experimento consistía en colocar óxido de uranio dentro dunha cámara de ionización e irradialo con neutróns, e medir a enerxía así liberada. Os resultados confirmaron que se estaba producindo a fisión e deron a entender que era o isótopo uranio-235 en particular o que se estaba fisionando. Ao día seguinte comezou en Washington, D.C. a Quinta Conferencia de Washington sobre Física Teórica, auspiciada conxuntamente pola Universidade George Washington e a Institución Carnegie de Washington. Alí difundíronse aínda máis as noticias sobre a fisión nuclear, o que propiciou moitas máis demostracións experimentais. O artigo de Hahn e Strassman do 6 de xaneiro de 1939 anunciaba o descubrimento da fisión. Na súa segunda publicación sobre a fisión nuclear, en febreiro de 1939, Hahn e Strassmann utilizaron por primeira vez o termo *Uranspaltung* (fisión do uranio) e predixeron a existencia e liberación de neutróns adicionais durante o proceso de fisión, abrindo a posibilidade dunha reacción nuclear en cadea. O artigo de Meitner e Frisch do 11 de febreiro de 1939 comparaba o proceso coa división dunha pinga líquida e estimaba a enerxía liberada en 200 MeV.  O artigo de Bohr e Wheel do 1 de setembro de 1939 utilizou este modelo de pinga líquida para cuantificar os detalles da fisión, incluíndo a enerxía liberada, estimou a sección transversal para a fisión inducida por neutróns, e deduciu que  era o principal contribuínte a esa sección transversal e á fisión lenta por neutróns. Szilard e Walter Zinn atoparon que "...o número de neutróns emitidos por fisión é de aproximadamente dous.". Fermi e Anderson estimaron "un rendemento duns dous neutróns por cada neutrón capturado".", cando o físico francés Francis Perrin descubriu estes reactores, quedou claro que a natureza vencera o ser humano. Reaccións en cadea de fisión do uranio a grande escala, moderadas con auga, teñen ocorrido no pasado e serían imposibles agora. Este proceso puido empregar auga normal como moderador só porque hai dous mil millóns de anos o uranio natural era máis rico en isótopos 235U (sobre 3%), que o uranio natural dispoñible na actualidade (que é só do 0,7%, e debe ser enriquecido ata o 3% para poder empregalo en reactores de auga lixeira).

## Notas 
## Véxase tamén 
### Bibliografía
*
*
*

### Outros artigos 
* Otto Hahn
* Fusión nuclear
* E=mc²

### Ligazóns externas 
*The Effects of Nuclear Weapons
*Annotated bibliography for nuclear fission from the Alsos Digital Library
*The Discovery of Nuclear Fission  Historical account complete with audio and teacher's guides from the American Institute of Physics History Center
*atomicarchive.com Nuclear Fission Explained
*Nuclear Files.org What is Nuclear Fission?
*Nuclear Fission Animation