Física nuclear: ¿qué es, quién la descubrió y por qué es importante?

Varios días nublados en París en 1896 "arruinaron" el experimento de Henri Becquerel, pero en el proceso nació el campo de la física nuclear. Becquerel estaba decidido a probar su hipótesis de que el uranio absorbía la luz solar y la re-irradiaba en forma de rayos X, que habían sido descubiertos el año anterior.

El plan de Becquerel era llevar el sulfato de uranilo de potasio a la luz del sol y luego ponerlo en contacto con placas fotográficas envueltas en papel negro, porque si bien la luz visible no atravesaría, los rayos X haría. A pesar de la falta de luz solar, decidió pasar por el proceso de todos modos y se sorprendió cuando descubrió imágenes aún grabadas en la placa fotográfica.

Pruebas posteriores mostraron que no se trataba de rayos X en absoluto, a pesar de sus suposiciones. El camino de la luz no está desviado por un campo magnético, sino radiación del uranio fue desviado por uno, y esto, junto con el primer resultado, fue cómo se descubrió la radiación. Marie Curie acuñó el término radiactividad y, junto con su esposo Pierre, descubrió el polonio y el radio, precisando las fuentes precisas de la radiactividad.

Más tarde, Ernest Rutherford ideó los términos partículas alfa, partículas beta y partículas gamma para el material irradiado, y el campo de física nuclear realmente se puso en marcha.

Por supuesto, la gente sabe mucho más sobre física nuclear ahora que a principios del siglo XX, y es un tema crucial que cualquier estudiante de física debe comprender y aprender. Ya sea que desee comprender la naturaleza de la energía nuclear, las fuerzas nucleares fuertes y débiles o contribuir a campos como la medicina nuclear, aprender los conceptos básicos es esencial.

La física nuclear es esencialmente la física del núcleo, la parte del átomo que contiene los dos elementos más conocidos. "Hadrones" protones y neutrones.

En particular, analiza las fuerzas que operan en el núcleo (la fuerte interacción que une a los protones y neutrones en el núcleo, además de mantener su componente quarks juntos, y la interacción débil relacionada con la desintegración radiactiva), y la interacción de núcleos con otros partículas.

La física nuclear cubre temas como la fusión nuclear (que se relaciona con la energía de enlace de diferentes elementos), la fisión nuclear (que es la división de elementos pesados ​​para producir energía), así como la desintegración radiactiva y la estructura básica y las fuerzas en juego en el núcleo.

Hay muchas aplicaciones prácticas del campo, que incluyen (pero no se limitan a) el trabajo en energía nuclear, medicina nuclear y física de altas energías.

Un átomo está compuesto por un núcleo, que contiene los protones cargados positivamente y los neutrones no cargados, que se mantienen unidos por la fuerte fuerza nuclear. Estos están rodeados de electrones cargados negativamente, que forman lo que se llama una "nube" alrededor del núcleo, y el número de electrones coincide con el número de protones en un átomo neutro.

Ha habido numerosos modelos del átomo propuestos a lo largo de la historia de la física, incluida la "ciruela pudín ", el modelo" planetario "de Rutherford y Bohr y el moderno modelo mecánico cuántico descrito sobre.

El núcleo es diminuto, alrededor de 10⁻¹⁵ m, que contiene la mayor parte de la masa del átomo, mientras que el átomo completo es del orden de 10⁻¹⁰ metro. No dejes que la notación te engañe; esto significa que el núcleo es aproximadamente 100.000 veces más pequeño que el átomo en general, pero contiene la gran mayoría de la materia. Entonces el átomo es predominantemente espacio vacio!

Sin embargo, la masa del átomo no es exactamente la misma que la masa de las partes constituyentes: si suma las masas del protones y neutrones, ya excede la masa del átomo, incluso antes de tener en cuenta la masa mucho más pequeña del átomo. electrón.

A esto se le llama el "defecto de masa" del átomo, y si convierte esta diferencia en energía usando la famosa ecuación de Einstein mi = mc², obtienes la "energía de enlace" del núcleo.

Esta es la energía que tendría que poner en el sistema para dividir el núcleo en sus protones y neutrones constituyentes. Estas energías son mucho, mucho mayores que la energía necesaria para eliminar un electrón de su "órbita" alrededor del núcleo.

Los dos tipos de nucleón (es decir, partícula del núcleo) son el protón y el neutrón, y estos están estrechamente unidos en el núcleo del átomo.

Aunque estos son generalmente los nucleones de los que oirá hablar, en realidad no son partículas fundamentales en el modelo estándar de física de partículas. El protón y el neutrón están compuestos por partículas fundamentales llamadas quarks, que vienen en seis "sabores" y cada uno lleva una fracción de la carga de un protón o un electrón.

Un quark up tiene un 2/3 mi carga, donde mi es la carga de un electrón, mientras que un quark down tiene un -1/3 mi cargo. Esto significa que dos quarks arriba y un quark abajo combinados producirían una partícula con una carga positiva de magnitud. mi, que es un protón. Por otro lado, un quark up y dos quarks down producen una partícula sin carga total, el neutrón.

El modelo estándar cataloga todas las partículas fundamentales conocidas actualmente y las agrupa en dos grupos principales: fermiones y bosones. Fermiones se subdividen en quarks (que a su vez producen hadrones como protones y neutrones) y leptones (que incluyen electrones y neutrinos), y bosones se subdividen en bosones gauge y escalares.

El bosón de Higgs es el único bosón escalar conocido hasta ahora, con los otros bosones: el fotón, gluón, Z-bosons y W bosones, que son bosones de calibre.

Los fermiones, a diferencia de los bosones, obedecen a las "leyes de conservación de números". Por ejemplo, existe una ley de conservación del número de leptones, que explica cosas como las partículas producidas como parte de la desintegración nuclear. procesos (porque la creación de un electrón con el leptón número 1, por ejemplo, debe equilibrarse con la creación de otra partícula con el leptón número -1, como un antineutrino de electrones).

También se conserva el número de quarks, y también se conservan otras cantidades.

Los bosones son partículas portadoras de fuerza, por lo que las interacciones de las partículas fundamentales están mediadas por los bosones. Por ejemplo, la interacción de los quarks está mediada por gluones y las interacciones electromagnéticas están mediadas por fotones.

Aunque la fuerza electromagnética se aplica en el núcleo, las fuerzas principales que debe considerar son las fuerzas nucleares fuertes y débiles. La fuerza nuclear fuerte es transportada por gluones, y la fuerza nuclear débil es transportada por W^± y el Z⁰ bosones.

Como sugiere el nombre, la fuerza nuclear fuerte es la más fuerte de todas las fuerzas fundamentales, seguida del electromagnetismo (10² veces más débil), la fuerza débil (10⁶ veces más débil) y la gravedad (10⁴⁰ veces más débil). La gran diferencia entre la gravedad y el resto de las fuerzas es la razón por la que los físicos esencialmente la descuidan cuando discuten la materia a nivel atómico.

La fuerza fuerte necesidades ser fuerte para superar la repulsión electromagnética entre los protones cargados positivamente en el núcleo, si hubiera sido más débil que la fuerza electromagnética, ningún átomo con más de un protón en el núcleo habría podido formulario. Sin embargo, la fuerza fuerte tiene un corto alcance.

Esto es importante porque muestra por qué la fuerza no se nota ni siquiera en la escala de átomos enteros o moléculas, pero también significa que la repulsión electromagnética se vuelve más relevante para núcleos pesados ​​(es decir, átomos más grandes). Ésta es una de las razones por las que los núcleos inestables suelen ser los de los elementos pesados.

La fuerza débil también tiene un rango muy corto y esencialmente hace que los quarks cambien de sabor. Esto puede hacer que un protón se convierta en neutrón y viceversa, por lo que se puede considerar como la causa de decaimiento nuclear procesos como beta más y menos decaimiento.

Hay tres tipos de desintegración radiactiva: desintegración alfa, desintegración beta y desintegración gamma. La desintegración alfa es cuando un átomo se desintegra liberando una "partícula alfa", que es otro término para un núcleo de helio.

Hay tres subtipos de desintegración beta, pero todos implican que un protón se convierta en neutrón o viceversa. Una desintegración beta menos es cuando un neutrón se convierte en un protón y libera un electrón y un antineutrino electrónico en el proceso, mientras que en la desintegración beta más, un protón se convierte en un neutrón y libera un positrón (es decir, un anti-electrón) y un electrón neutrino.

En la captura de electrones, un electrón de las partes externas del átomo se absorbe en el núcleo y un protón se convierte en un neutrón, y se libera un neutrino del proceso.

La desintegración gamma es una desintegración en la que se libera energía, pero nada cambia en el átomo. Esto es análogo a la forma en que se libera un fotón cuando un electrón hace una transición de un estado de alta energía a uno de baja energía. Un núcleo excitado hace una transición a un estado de baja energía y emite un rayo gamma mientras lo hace.

Fusión nuclear es cuando dos núcleos se fusionan y crean un núcleo más pesado. Esta es la forma en que se genera energía en el sol, y lograr que el proceso ocurra en la Tierra para la generación de energía es uno de los mayores objetivos de la física experimental.

El problema es que requiere temperaturas y presiones extremadamente altas y, por lo tanto, niveles de energía muy altos. Sin embargo, si los científicos lo logran, la fusión podría convertirse en una fuente de energía vital a medida que la sociedad continúa creciendo y consumimos cantidades cada vez mayores de energía.

Fisión nuclear es la división de un elemento pesado en dos núcleos más ligeros, y esto es lo que impulsa la generación actual de reactores nucleares.

La fisión es también el principio operativo de las armas nucleares, que es una de las principales razones por las que es un área controvertida. En la práctica, la fisión funciona mediante una serie de reacciones en cadena. Un neutrón que crea la división inicial en un elemento pesado como el uranio, genera un neutrón libre adicional después de la reacción, que luego puede causar otra división y así sucesivamente.

Esencialmente, ambos procesos obtienen energía a través de la mi = mc² relación, ya que fusionar o dividir átomos implica una liberación de energía de la "masa faltante".

Existe una amplia gama de aplicaciones de la física nuclear. En particular, los reactores nucleares y las plantas de energía nuclear están en funcionamiento en muchos países del mundo, y muchos físicos están trabajando en diseños nuevos y más seguros.

Por ejemplo, algunos diseños de reactores nucleares tienen como objetivo garantizar que el material de origen no se pueda utilizar para crear armas nucleares, que requieren una fuente mucho más enriquecida de uranio (es decir, un uranio "más puro") para funcionar.

Medicina Nuclear es otra área importante para la física nuclear. La medicina nuclear implica la administración de cantidades muy pequeñas de material radiactivo al paciente, y luego se utilizan detectores para capturar imágenes de la radiación emitida. Esto ayuda a los médicos a diagnosticar afecciones renales, tiroideas, cardíacas y otras.

Por supuesto, hay muchas otras áreas donde la física nuclear es esencialmente, incluida la física de alta energía y partículas. aceleradores como el CERN y la astrofísica, donde muchos de los procesos dominantes en las estrellas dependen en gran medida de la energía nuclear. física.