Tanto la física atómica como la nuclear describen la física de lo muy pequeño. Cuando trabaja con objetos tan pequeños, su intuición construida a partir de su comprensión de la mecánica clásica a menudo falla. Este es el ámbito de la mecánica cuántica, las fuerzas nucleares de corto alcance, la radiación electromagnética y el modelo estándar de la física de partículas.
¿Qué es la física atómica?
La física atómica es la rama de la física que se ocupa de la estructura del átomo, los estados de energía asociados y la interacción del átomo con partículas y campos. Por el contrario, la física nuclear se centra específicamente en lo que ocurre dentro del núcleo atómico, que se describe con más detalle en la siguiente sección.
Hay varios elementos de estudio en física de partículas. Lo primero y más importante es la estructura del átomo en sí. Los átomos consisten en un núcleo fuertemente unido, que contiene protones y neutrones, y una nube de electrones difusa.
Dado que el núcleo suele ser del orden de 10
-15 a 10-14 m de diámetro, y los átomos mismos son del orden de 10-10 m de diámetro (y el tamaño de los electrones es insignificante), resulta que los átomos son en su mayoría espacios vacíos. Por supuesto que no parecen serlo y toda la materia hecha de átomos ciertamente se siente como sustancia.La razón por la que los átomos no parecen ser en su mayoría espacios vacíos es que tú también estás hecho de átomos y todos los átomos interactúan con la energía electromagnética. A pesar de que su mano, que está formada en su mayoría por átomos de espacio vacío, presiona contra una mesa, también formada principalmente por espacio vacío, no pasa a través de la mesa debido a las fuerzas electromagnéticas entre los átomos a medida que entran contacto.
Sin embargo, el neutrino, una partícula que no interactúa con la fuerza electromagnética, puede atravesar la mayor parte del material atómico prácticamente sin ser detectado. De hecho, ¡100 billones de neutrinos atraviesan su cuerpo cada segundo!
Clasificación de átomos
Los átomos se clasifican por número atómico en la tabla periódica. El número atómico es el número de protones que contiene el átomo en su núcleo. Este número define el elemento.
Si bien un elemento dado siempre tendrá el mismo número de protones, puede contener diferentes números de neutrones. Los diferentes isótopos de un elemento contienen diferentes números de neutrones. Algunos isótopos son más estables que otros (lo que significa que es menos probable que se descompongan espontáneamente en otra cosa), y esta estabilidad típicamente depende del número de neutrones, razón por la cual, para la mayoría de los elementos, la mayoría de los átomos tienden a ser de un isótopo.
El número de electrones que contiene un átomo determina si está ionizado o cargado. Un átomo neutro contiene la misma cantidad de electrones que de protones, pero a veces los átomos pueden ganar o perder electrones y cargarse. La facilidad con la que un átomo gana o pierde electrones depende de su estructura orbital de electrones.
El átomo de hidrógeno es el átomo más simple, que contiene solo un protón en su núcleo. Los tres isótopos de hidrógeno más estables son el protio (que no contiene neutrones), el deuterio (que contiene un neutrón) y el tritio (que contiene dos neutrones), siendo el protio el más abundante.
Se han propuesto diferentes modelos del átomo a lo largo de los años, lo que lleva al modelo actual. Los primeros trabajos fueron realizados por Ernest Rutherford, Niels Bohr y otros.
Espectros de absorción y emisión
Como se mencionó, los átomos interactúan con la fuerza electromagnética. Los protones de un átomo tienen carga positiva y los electrones tienen carga negativa. Los electrones en el átomo pueden absorber radiación electromagnética y, como resultado, alcanzar un estado de mayor energía, o emitir radiación y pasar a un estado de menor energía.
Una propiedad clave de esta absorción y emisión de radiación es que los átomos absorben y emiten radiación solo en valores cuantificados muy específicos. Y para cada tipo diferente de átomo, esos valores específicos son diferentes.
Un gas caliente de material atómico emitirá radiación en longitudes de onda muy específicas. Si la luz procedente de este gas pasa a través de un espectroscopio, que difunde la luz en un espectro por longitud de onda (como un arco iris), aparecerán distintas líneas de emisión. El conjunto de líneas de emisión provenientes del gas se puede leer casi como un código de barras que le dice exactamente qué átomos hay en el gas.
De manera similar, si un espectro continuo de luz incide sobre un gas frío, y la luz que pasa a través de ese gas es entonces pasado a través de un espectroscopio, verá un espectro continuo con espacios oscuros en las longitudes de onda específicas que el gas absorbido. Este espectro de absorción se verá como el inverso del espectro de emisión, las líneas oscuras aparecerán donde estaban las líneas brillantes para el mismo gas. Como tal, también se puede leer como un código de barras que le indica la composición del gas. Los astrónomos usan esto todo el tiempo para determinar la composición del material en el espacio.
¿Qué es la física nuclear?
La física nuclear se centra en el núcleo atómico, las reacciones nucleares y la interacción del núcleo con otras partículas. Explora la desintegración radiactiva, la fusión nuclear y la fisión nuclear, y la energía de enlace, entre otros temas.
El núcleo contiene un grupo de protones y neutrones fuertemente unidos. Sin embargo, estas no son partículas fundamentales. Los protones y neutrones están hechos de partículas aún más pequeñas llamadas quarks.
Los quarks son partículas con carga fraccionada y nombres algo tontos. Vienen en seis de los llamados sabores: arriba, abajo, arriba, abajo, extraño y encantador. Un neutrón está formado por dos quarks down y un quark up, y un protón está formado por dos quarks up y un quark down. Los quarks de cada nucleón están estrechamente unidos por la fuerte fuerza nuclear.
La fuerza nuclear fuerte está mediada por partículas llamadas gluones. ¿Estás sintiendo un tema? ¡Los científicos se divirtieron mucho nombrando estas partículas! Los gluones, por supuesto, "pegan" los quarks juntos. La fuerte fuerza nuclear actúa solo en un rango muy corto, a una distancia comparable al diámetro del núcleo de tamaño promedio.
Energía de unión
Cada neutrón aislado tiene una masa de 1,6749275 × 10-27 kg, y cada protón aislado tiene una masa de 1,6726219 × 10-27 kg; sin embargo, cuando se unen en un núcleo atómico, la masa atómica no es la suma de sus partes constituyentes debido a algo llamado energía de enlace.
Al unirse fuertemente, los nucleones alcanzan un estado de menor energía como resultado de que parte de la masa total que tenían como partículas individuales se convierte en energía. Esta diferencia de masa que se convierte en energía se llama energía de enlace del núcleo. La relación que describe cuánta energía corresponde a una cantidad dada de masa es la famosa de Einstein E = mc2 ecuación donde metro es la masa, C es la velocidad de la luz y mi es la energía.
Un concepto relacionado es la energía de enlace por nucleón, que es la energía de enlace total de un núcleo promediada sobre sus partes constituyentes. La energía de enlace por nucleón es un buen indicador de la estabilidad de un núcleo. Una energía de enlace baja por nucleón indica que podría existir un estado más favorable de energía total más baja para ese núcleo particular, lo que significa que probablemente querrá dividirse o fusionarse con otro núcleo bajo el condiciones.
En general, los núcleos más ligeros que los núcleos de hierro tienden a alcanzar estados de menor energía y mayor energía de enlace por nucleón mediante la fusión con otros núcleos, mientras que los núcleos que son más pesados que el hierro tienden a lograr estados de menor energía al romperse en más ligeros núcleos. Los procesos mediante los cuales ocurren estos cambios se describen en la siguiente sección.
Fisión, fusión y desintegración radiactiva
El enfoque principal de la física nuclear es el estudio de la fisión, fusión y desintegración de los núcleos atómicos. Todos estos procesos están impulsados por una noción fundamental de que todas las partículas prefieren estados de menor energía.
La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se rompe en núcleos más pequeños. Los núcleos muy pesados son más propensos a hacer esto porque tienen una energía de enlace más pequeña por nucleón. Como recordará, hay algunas fuerzas que gobiernan lo que sucede en un núcleo atómico. La fuerza nuclear fuerte une fuertemente a los nucleones, pero es una fuerza de muy corto alcance. Entonces, para núcleos muy grandes, es menos efectivo.
Los protones cargados positivamente en el núcleo también se repelen entre sí a través de la fuerza electromagnética. Esta repulsión debe ser superada por la fuerza nuclear fuerte y también puede ser mediada por tener suficientes neutrones alrededor. Pero cuanto más grande es el núcleo, menos favorable es el equilibrio de fuerzas para la estabilidad.
Por lo tanto, los núcleos más grandes tienden a querer romperse a través de procesos de desintegración radiactiva o mediante reacciones de fisión como las que ocurren en reactores nucleares o bombas de fisión.
La fusión ocurre cuando dos núcleos más ligeros alcanzan un estado energético más favorable al combinarse en un núcleo más pesado. Sin embargo, para que ocurra la fisión, los núcleos en cuestión deben acercarse lo suficiente entre sí para que la fuerte fuerza nuclear pueda hacerse cargo. Esto significa que deben moverse lo suficientemente rápido para poder vencer la repulsión eléctrica.
Los núcleos se mueven rápidamente en temperaturas extremas, por lo que a menudo se requiere esta condición. Así es como la fusión nuclear puede tener lugar en el núcleo extremadamente caliente del sol. Hasta el día de hoy, los científicos todavía están tratando de encontrar una manera de hacer que se produzca la fusión fría, es decir, la fusión a temperaturas más bajas. Dado que la energía se libera en el proceso de fusión y no deja desechos radiactivos como tienden a hacerlo los reactores de fisión, sería un recurso energético increíble si se lograra.
La desintegración radiactiva es un medio común por el cual los núcleos experimentan cambios para volverse más estables. Hay tres tipos principales de desintegración: desintegración alfa, desintegración beta y desintegración gamma.
En la desintegración alfa, un núcleo radiactivo libera una partícula alfa (un núcleo de helio-4) y, como resultado, se vuelve más estable. La desintegración beta se presenta en algunas variedades, pero en esencia resulta de que un neutrón se convierte en protón o un protón se convierte en neutrón y libera un β- o β+ partícula (un electrón o un positrón). La desintegración gamma ocurre cuando un núcleo en un estado excitado libera energía en forma de rayos gamma, pero mantiene su número total de neutrones y protones.
El modelo estándar de física de partículas
El estudio de la física nuclear se extiende al campo más amplio de la física de partículas, cuyo objetivo es comprender el funcionamiento de todas las partículas fundamentales. El modelo estándar clasifica las partículas en fermiones y bosones, y luego clasifica los fermiones en quarks y leptones, y los bosones en bosones gauge y escalares.
Los bosones no obedecen las leyes de conservación de números, pero los fermiones sí. También existe una ley de conservación para los números de leptones y quarks, además de otras cantidades conservadas. Las interacciones de las partículas fundamentales están mediadas por los bosones portadores de energía.
Aplicaciones de la física nuclear y la física atómica
Las aplicaciones de la física nuclear y atómica son abundantes. Los reactores nucleares en las centrales nucleares crean energía limpia aprovechando la energía liberada durante los procesos de fisión. La medicina nuclear utiliza isótopos radiactivos para la obtención de imágenes. Los astrofísicos utilizan la espectroscopia para determinar la composición de nebulosas distantes. La resonancia magnética permite a los médicos crear imágenes detalladas del interior de sus pacientes. Incluso la tecnología de rayos X utiliza la física nuclear.