Integrantes:
Juan Carlos Cuevas Xalate
Julio Alberto Polonio Rovira
Jesus Alejandro Alvardo Aburto
Origen de la Física cuántica
La mecánica
cuántica es
una de las ramas principales de la Física y
uno de los más grandes avances del siglo XX en el conocimiento humano. Explica
el comportamiento de la materia y
de la energía.
Su aplicación ha hecho posible el descubrimiento y desarrollo de muchas tecnologías,
como por ejemplo lostransistores,
componentes profusamente utilizados en casi todos los aparatos que tengan
alguna parte funcional electrónica.
La mecánica
cuántica describe, en su visión más ortodoxa, cómo en
cualquier sistema físico –y por tanto, en todo el universo–
existe una diversa multiplicidad de estados, los cuales habiendo sido descritos
mediante ecuaciones matemáticas por los físicos, son denominados estados cuánticos.
De esta forma la mecánica cuántica puede explicar la existencia del átomo y
desvelar los misterios de la estructura atómica,
tal como hoy son entendidos; fenómenos que no puede explicar debidamente
la física
clásica o más propiamente la mecánica
clásica.
De forma
específica, se considera también mecánica cuántica, a la parte de ella misma
que no incorpora la relatividad en
su formalismo, tan sólo como añadido mediante la teoría de perturbaciones.3 La
parte de la mecánica cuántica que sí incorpora elementos relativistas de manera
formal y con diversos problemas, es la mecánica cuántica relativista o
ya, de forma más exacta y potente, la teoría cuántica de campos (que
incluye a su vez a la electrodinámica cuántica, cromodinámica cuántica y teoría
electrodébil dentro del modelo estándar)4 y
más generalmente, la teoría cuántica de campos en
espacio-tiempo curvo. La única interacción que no se ha podido
cuantificar ha sido la interacción gravitatoria.
La mecánica
cuántica es el fundamento de los estudios del átomo,
su núcleo y
las partículas
elementales (siendo necesario el enfoque relativista).
También enteoría de la información, criptografía y química.
Las técnicas
derivadas de la aplicación de la mecánica cuántica suponen, en mayor o menor
medida, el 30 por ciento del PIB de los
Estados Unidos
La teoría cuántica
fue desarrollada en su forma básica a lo largo de la primera mitad del siglo XX.
El hecho de que la energía se intercambie de forma discreta se puso de relieve
por hechos experimentales como los siguientes, inexplicables con las
herramientas teóricas anteriores de la mecánica clásica o la electrodinámica:
§
Espectro de la radiación del cuerpo negro,
resuelto por Max Planck con
la cuantización de la energía. La energía total del cuerpo negro resultó que
tomaba valores discretos más que continuos. Este fenómeno se llamó
cuantización, y los intervalos posibles más pequeños entre los valores
discretos son llamados quanta (singular: quantum, de la
palabra latina para «cantidad», de ahí el nombre de mecánica cuántica). El
tamaño de un cuanto es un valor fijo llamado constante de Planck, y que vale:
6.626 ×10-34 julios por
segundo.
§
Bajo ciertas condiciones experimentales, los
objetos microscópicos como los átomos o
los electrones exhiben
un comportamiento ondulatorio,
como en la interferencia.
Bajo otras condiciones, las mismas especies de objetos exhiben un comportamiento
corpuscular, de partícula, («partícula» quiere decir un objeto que puede ser
localizado en una región concreta del espacio),
como en la dispersión de
partículas. Este fenómeno se conoce como dualidad
onda-partícula.
§
Las propiedades físicas de objetos con historias
asociadas pueden ser correlacionadas, en una amplitud prohibida para cualquier
teoría clásica, sólo pueden ser descritos con precisión si se hace referencia a
ambos a la vez. Este fenómeno es llamado entrelazamiento cuántico y ladesigualdad
de Bell describe su diferencia con la correlación
ordinaria. Las medidas de las violaciones de la desigualdad de Bell fueron
algunas de las mayores comprobaciones de la mecánica cuántica.
§
Explicación del efecto fotoeléctrico, dada
por Albert
Einstein, en que volvió a aparecer esa
"misteriosa" necesidad de cuantizar la energía.
El desarrollo
formal de la teoría fue obra de los esfuerzos conjuntos de varios físicos y
matemáticos de la época como Schrödinger, Heisenberg,Einstein, Dirac, Bohr y Von Neumann entre
otros (la lista es larga). Algunos de los aspectos fundamentales de la teoría
están siendo aún estudiados activamente. La mecánica cuántica ha sido también
adoptada como la teoría subyacente a muchos campos de la física y la química,
incluyendo lafísica de la materia condensada,
la química
cuántica y la física de
partículas.
La radiación del cuerpo negro
Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que
absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre
él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro.
A pesar de su nombre, el cuerpo negro emite luz y constituye un sistema físico idealizado para el estudio de la emisión de radiación
electromagnética. El nombre Cuerpo
negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862. La luz emitida por un
cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro.
Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación,
que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la
temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura
ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a las de la luz visible (es decir, de menor
frecuencia). Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino
que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color
de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a
todas las frecuencias o longitudes de onda, sino
que siguen la ley de Planck.
A igualdad de temperatura, la energía emitida depende también de
la naturaleza de la superficie; así, una superficie mate o negra tiene un poder emisor mayor que una superficie brillante.
Así, la energía emitida por un filamento de carbón incandescente es mayor que
la de un filamento de platino a la misma temperatura. La ley de Kirchhoff establece que un cuerpo que es buen emisor de energía es también
buen absorbente de dicha energía. Así, los cuerpos de color negro son buenos
absorbentes.
Los principios físicos de la mecánica
clásica y la mecánica cuántica conducen a predicciones mútuamente excluyentes
sobre los cuerpos negros o sistemas físicos que se les aproximan. Las
evidencias de que el modelo clásico hacía predicciones la emisión a pequeñas
longitudes de onda en abierta contradicción con lo observado llevaron a Planck
a desarrollar un modelo heurísticos que fue el germen de la mecánica cuántica.
La contradicción entre las predicciones clásicas y los resultados empíricos a
bajas longitudes de onda, se conoce como catástrofe ultravioleta.
Efecto
fotoeléctrico
El efecto
fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal o
fibra de carbono cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz
visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el término otros
tipos de interacción entre la luz y la materia:
§ Fotoconductividad:
es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos provocada
por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en
el selenio hacia
la mitad del siglo XIX.
§ Efecto fotovoltaico:
transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La primera
célula solar fue fabricada por Charles Fritts en
1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.
El efecto
fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887,
al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta
tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que
cuando se deja en la oscuridad. La explicación teórica fue hecha por Albert Einstein,
quien publicó en 1905 el
revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”,
basando su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo
sobre los cuantos de Max Planck.
Más tarde Robert Andrews Millikan pasó
diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era
correcta, para finalmente concluir que sí lo era. Eso permitió que Einstein y
Millikan fueran condecorados con premios Nobel en
1921 y 1923, respectivamente.
Se podría decir
que el efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos X, ya que el efecto
fotoeléctrico indica que los fotones luminosos pueden transferir energía a los
electrones. Los rayos X (no se sabía la naturaleza de su radiación, de ahí la
incógnita "X") son la transformación en un fotón de toda o parte de
la energía cinética de un electrón en movimiento. Esto se descubrió casualmente
antes de que se dieran a conocer los trabajos de Planck y Einstein (aunque no
se comprendió entonces).
Explicación
Los fotones del rayo de luz
tienen una energía característica determinada por la frecuencia de la luz. En
el proceso de fotoemisión, si un electrón absorbe la energía de un fotón y éste
último tiene más energía que la función
trabajo, el electrón es arrancado del material. Si la energía del fotón
es demasiado baja, el electrón no puede escapar de la superficie del material.
Aumentar la intensidad del haz no cambia la energía de los fotones
constituyentes, solo cambia el número de fotones. En consecuencia, la energía
de los electrones emitidos no depende de la intensidad de la luz, sino de la
energía de los fotones.
Los electrones pueden absorber
energía de los fotones cuando son irradiados, pero siguiendo un principio de
"todo o nada". Toda la energía de un fotón debe ser absorbida y
utilizada para liberar un electrón de un enlace atómico, o si no la energía es
re-emitida. Si la energía del fotón es absorbida, una parte libera al electrón
del átomo y el resto contribuye a la energía cinética del electrón como una
partícula libre.
Einstein no se proponía estudiar
las causas del efecto en el que los electrones de ciertos metales, debido a una
radiación luminosa, podían abandonar el metal con energía cinética. Intentaba
explicar el comportamiento de la radiación, que obedecía a la intensidad de la
radiación incidente, al conocerse la cantidad de electrones que abandonaba el
metal, y a la frecuencia de la misma, que era proporcional a la energía que
impulsaba a dichas partículas.
Leyes de
la emisión fotoeléctrica
1.
Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la
cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la
intensidad de luz incidente.
2.
Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de
radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido.
Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, también conocida como
"Frecuencia Umbral".
3.
Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima
del fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente,
pero depende de la frecuencia de la luz incidente.
4.
La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente,
independientemente de la intensidad de la luz incidente. Este hecho se
contrapone a la teoría Clásica:la Física Clásica esperaría que existiese un
cierto retraso entre la absorción de energía y la emisión del electrón,
inferior a un nanosegundo.
Formulación matemática
Para analizar el efecto fotoeléctrico
cuantitativamente utilizando el método derivado por Einstein es necesario
plantear las siguientes ecuaciones:
Energía de un fotón absorbido = Energía necesaria para liberar 1 electrón + energía cinética del
electrón emitido.
donde h es la constante de Planck, f0 es la frecuencia de corte o frecuencia
mínima de los fotones para que tenga lugar el efecto fotoeléctrico, Φ es la función
trabajo, o mínima energía necesaria para llevar un electrón del nivel de
Fermi al exterior del material y Ek es la máxima energía cinética de los
electrones que se observa experimentalmente.
§ Nota: Si la
energía del fotón (hf) no es mayor que la función de trabajo (Φ), ningún
electrón será emitido. Si los fotones de la radiación que inciden sobre el
metal tienen una menor energía que la de función de trabajo, los electrones del
material no obtienen suficiente energía como para emitirse de la superficie
metálica.
En algunos materiales esta
ecuación describe el comportamiento del efecto fotoeléctrico de manera tan sólo
aproximada. Esto es así porque el estado de las superficies no es perfecto
(contaminación no uniforme de la superficie externa).
Rayos
x
La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz de atravesar cuerpos opacos y de imprimir las películas fotográficas. Los actuales sistemas digitales permiten la obtención y visualización de la imagen radiográfica directamente en una computadora (ordenador) sin necesidad de imprimirla. La longitud de onda está entre 10 a 0,01 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3.000 PHz (de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible).
Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía de los rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente. Los rayos X son unaradiación ionizante porque al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga (iones).
Descubrimiento
La historia de los rayos X comienza con los experimentos del científico británico William Crookes, que investigó en el siglo XIX los efectos de ciertos gases al aplicarles descargas de energía. Estos experimentos se desarrollaban en un tubo vacío, y electrodos para generar corrientes de alto voltaje. Él lo llamó tubo de Crookes. Pues bien, este tubo, al estar cerca de placas fotográficas, generaba en las mismas algunas imágenes borrosas. Pese al descubrimiento, Crookes no continuó investigando este efecto.
Es así como Nikola Tesla, en 1887, comenzó a estudiar este efecto creado por medio de los tubos de Crookes. Una de las consecuencias de su investigación fue advertir a la comunidad científica el peligro para los organismos biológicos que supone la exposición a estas radiaciones.
Pero hasta el 8 de noviembre de 1895 no se descubrieron los rayos X; el físico Wilhelm Conrad Roentgen, realizó experimentos con los tubos de Hittorff-Crookes (o simplemente tubo de Crookes) y la bobina de Ruhmkorff. Analizaba los rayos catódicos para evitar la fluorescencia violeta que producían los rayos catódicos en las paredes de un vidrio del tubo. Para ello, crea un ambiente de oscuridad, y cubre el tubo con una funda de cartón negro. Al conectar su equipo por última vez, llegada la noche, se sorprendió al ver un débil resplandor amarillo-verdoso a lo lejos: sobre un banco próximo había un pequeño cartón con una solución de cristales de platino-cianuro de bario, en el que observó un oscurecimiento al apagar el tubo. Al encender de nuevo el tubo, el resplandor se producía nuevamente. Retiró más lejos la solución de cristales y comprobó que la fluorescencia se seguía produciendo, así repitió el experimento y determinó que los rayos creaban una radiación muy penetrante, pero invisible. Observó que los rayos atravesaban grandes capas de papel e incluso metales menos densos que el plomo.
En las siete semanas siguientes, estudió con gran rigor las características propiedades de estos nuevos y desconocidos rayos. Pensó en fotografíar este fenómeno y entonces fue cuando hizo un nuevo descubrimiento: las placas fotográficas que tenía en su caja estaban veladas.[cita requerida] Intuyó la acción de estos rayos sobre la emulsión fotográfica y se dedicó a comprobarlo. Colocó una caja de madera con unas pesas sobre una placa fotográfica y el resultado fue sorprendente. El rayo atravesaba la madera e impresionaba la imagen de las pesas en la fotografía. Hizo varios experimentos con objetos como una brújula y el cañón de una escopeta. Para comprobar la distancia y el alcance de los rayos, pasó al cuarto de al lado, cerró la puerta y colocó una placa fotográfica. Obtuvo la imagen de la moldura, el gozne de la puerta e incluso los trazos de la pintura que la cubría.
Un año después ninguna de sus investigaciones ha sido considerada como casual. El 22 de diciembre, un día memorable, se decide a practicar la primera prueba con humanos. Puesto que no podía manejar al mismo tiempo su carrete, la placa fotográfica de cristal y exponer su propia mano a los rayos, le pidió a su esposa que colocase la mano sobre la placa durante quince minutos. Al revelar la placa de cristal, apareció una imagen histórica en la ciencia. Los huesos de la mano de Berta, con el anillo flotando sobre estos: la primera imagen radiográfica del cuerpo humano. Así nace una rama de la Medicina: la Radiología.
El descubridor de estos tipos de rayos tuvo también la idea del nombre. Los llamó "rayos incógnita", o lo que es lo mismo: "rayos X" porque no sabía que eran, ni cómo eran provocados. Rayos desconocidos, un nombre que les da un sentido histórico. De ahí que muchos años después, pese a los descubrimientos sobre la naturaleza del fenómeno, se decidió que conservaran ese nombre.
La noticia del descubrimiento de los rayos "X" se divulgó con mucha rapidez en el mundo. Röntgen fue objeto de múltiples reconocimientos, el emperador Guillermo II de Alemania le concedió la Orden de la Corona, fue honrado con la medalla Rumford de la Real Sociedad de Londres en 1896, con la medalla Barnard de la Universidad de Columbia y con el premio Nobel de Física en 1901.
El descubrimiento de los rayos "X" fue el producto de la investigación, experimentación y no por accidente como algunos autores afirman; W.C. Röntgen, hombre de ciencia, agudo observador, investigaba los detalles más mínimos, examinaba las consecuencias de un acto quizás casual, y por eso tuvo éxito donde los demás fracasaron. Este genio no quiso patentar su descubrimiento cuando Thomas Alva Edison se lo propuso, manifestando que lo legaba para beneficio de la humanidad.
Modelo cuántico del atomo de Borh
El modelo
atómico de Bohr o de Bohr-Rutherford es un modelo clásico del átomo, pero
fue el primer modelo atómico en el que se introduce unacuantización a partir de ciertos
postulados (ver abajo). Fue propuesto en 1913 por el físico danés Niels
Bohr, para explicar cómo los electrones pueden tenerórbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos
presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas que eran
ignorados en el modelo previo de Rutherford). Además el modelo de Bohr
incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico,
explicado por Albert
Einstein en 1905. Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para hacer el modelo que lleva su nombre. Bohr intentaba realizar
un modelo atómico capaz de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción discretos que se observan
en los gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo
atómico de Bohr partía conceptualmente delmodelo atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre cuantización que habían surgido
unos años antes con las investigaciones de Max Planck y Albert Einstein. Debido a su simplicidad
el modelo de Bohr es todavía utilizado frecuentemente como una simplificación
de la estructura de la materia.
En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible,
o la órbita más cercana posible al núcleo. El electromagnetismo clásico predecía que una partícula cargada moviéndose de forma
circular emitiría energía por lo que los electrones deberían colapsar sobre el
núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este problema Bohr supuso
que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una
de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces
identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante.
Este número "n" recibe el nombre de Número
Cuántico Principal.
Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado y sólo podía variar en
fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a
las cuales se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo
de hidrógeno.
Estos niveles en un principio estaban clasificados por letras que
empezaban en la "K" y terminaban en la "Q". Posteriormente
los niveles electrónicos se ordenaron por números. Cada órbita tiene electrones
con distintos niveles de energía obtenida que después se tiene que liberar y
por esa razón el electrón va saltando de una órbita a otra hasta llegar a una
que tenga el espacio y nivel adecuado, dependiendo de la energía que posea,
para liberarse sin problema y de nuevo volver a su órbita de origen.
Sin embargo no explicaba el espectro de estructura fina que podría
ser explicado algunos años más tarde gracias al modelo atómico de Sommerfeld. Históricamente el desarrollo del modelo
atómico de Bohr junto con la dualidad onda-corpúsculo permitiría a Erwin Schrödinger descubrir la ecuación
fundamental de la mecánica cuántica.
Postulados de Bohr
En 1913, Niels Bohr desarrolló su célebre modelo atómico de acuerdo a tres postulados
fundamentales:1
Primer
postulado
Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo del
átomo sin radiar energía.
La causa de que el electrón no radie energía en su órbita es, de
momento, un postulado, ya que según la electrodinámica clásica una carga con un movimiento acelerado debe emitir energía en forma
deradiación.
Para conseguir el equilibrio en la órbita circular, las dos
fuerzas que siente el electrón: la fuerza coulombiana, atractiva, por la
presencia del núcleo y la fuerza centrífuga, repulsiva por tratarse de un sistema no inercial, deben ser iguales en magnitud en toda la órbita.
Física nuclear
La física nuclear es una rama de la física que estudia las propiedades y el comportamiento de los núcleos atómicos. La física nuclear es conocida mayoritariamente por la
sociedad por el aprovechamiento de la energía nuclear en centrales nucleares y en el desarrollo de armas nucleares, tanto de fisión como de fusión nuclear. En un contexto más amplio,
se define la física nuclear y
de partículas como la rama de
la física que estudia la estructura fundamental de la materia y las
interacciones entre las partículas subatómicas.
Reacciones nucleares
Colisión inelástica
La física
nuclear incluye también el estudio de las reacciones nucleares: el uso de
proyectiles nucleares para convertir un tipo de núcleo en otro. Si, por
ejemplo, se bombardea el sodio con neutrones, parte de
los núcleos estables Na capturan estos neutrones para formar
núcleos radiactivos ²Na:
Estas reacciones
se estudian colocando muestras dentro de los reactores nucleares para producir
un flujo alto de neutrones (número elevado de neutrones por unidad de área).
Los núcleos
también pueden reaccionar entre ellos pero, si están cargados positivamente, se
repelen entre sí con gran fuerza. Los núcleos proyectiles deben tener una
energía lo bastante alta como para superar la repulsión y reaccionar con los
núcleos blanco. Los núcleos de alta energía se obtienen en los ciclotrones, en los generadores de Van de
Graaff y en otros aceleradores de
partículas.
Una reacción
nuclear típica es la que se utilizó para producir artificialmente el elemento
siguiente al uranio (238U),
que es el elemento más pesado existente en la naturaleza. El neptunio (Np) se
obtuvo bombardeando uranio con deuterones (núcleos del isótopo hidrógeno
pesado, 2H) según la
reacción:
Colisión elástica
Desintegración nuclear
Los núcleos
atómicos consisten en protones, cargados positivamente y neutrones sin carga.
El número de protones de un núcleo es su número atómico, que define al elemento químico. Todos los núcleos con
11 protones, por ejemplo, son núcleos de átomos de sodio (Na).
Un elemento puede tener varios isótopos, cuyos
núcleos tienen un número distinto de neutrones. Por ejemplo, el núcleo de sodio
estable contiene 12 neutrones, mientras que los que contienen 13 neutrones son
radiactivos. Esos isótopos se anotan como y ,
donde el subíndice indica el número atómico, y el superíndice representa el
número total de nucleones, es decir, de neutrones y protones. A cualquier
especie de núcleo designada por un cierto número atómico y de neutrones se le
llama nucleido.
Los
nucleidos radiactivos son inestables y sufren una transformación espontánea en
nucleidos de otros elementos, liberando energía en el proceso (véase Radiactividad).
Esas
transformaciones incluyen la desintegración alfa, que supone la emisión de un núcleo de helio ,
y la desintegración beta (que
puede ser β- o β+).
En la desintegración β- un neutrón se
transforma en un protón con la
emisión simultánea de un electrón de alta
energía y un antineutrino electrónico.
En la desintegración β+ un
protón se convierte en un neutrón emitiendo un positrón.
Por ejemplo,
el 24Na sufre una
desintegración β- formando
el elemento superior, el magnesio:
La radiación gamma es radiación
electromagnética de alta frecuencia (y por tanto energía). Cuando se
produce la desintegración α o β, el núcleo resultante permanece a menudo en un
estado excitado (de mayor energía), por lo que posteriormente se produce la
desexcitación emitiendo rayos gamma.
Al
representar la desintegración de un nucleido radiactivo se debe determinar
también el periodo de
semidesintegración del
nucleido. El periodo de semidesintegración del ,
es de 15 horas. Es importante determinar el tipo y energía de la radiación
emitida por el nucleido.
Fisión
Los
conceptos de fisión y fusión nuclear difieren en las características de
formación de cada uno. De esta forma se encuentra que la fisión (utilizada en
las bombas y reactores nucleares) consiste en el "bombardeo" de
partículas subatómicas al uranio (o a cualquier elemento transuránico, siempre
y cuando sus características lo permitan), trayendo como consecuencia la fisión
(de allí su nombre) del átomo y con esto la de los demás átomos adyacentes al
bombardeado en reacción en cadena. Mientras que, la fusión es la unión bajo
ciertas condiciones (altas presiones, altas temperaturas, altas cargas, etc.)
de dos o más átomos y genera mucha más energía que la fisión.
Fusión
La fusión
representa diversos problemas, ya que a nivel atómico las cargas de los átomos
se repelen entre sí impidiendo la unión de estos, por esto se recurre
generalmente a la utilización de isotópos ligeros, con menor carga eléctrica
(como el hidrógeno y sus isótopos deuterio y tritio). En ciertas condiciones,
definidas por los criterios de Lawson, se lograría la fusión de dichos átomos. Para ello
primero se les debe convertir al estado de plasma, ionizándolos,
favoreciendo a la unión. Esto se consigue mediante dos métodos básicos: el confinamiento magnético y el confinamiento inercial. Existen varias posibilidades para producir la fusión a
partir de los isótopos del hidrógeno.
La energía
de la fusión aun no se ha podido aprovechar con fines prácticos.
Representa
algunas ventajas en relación a la fisión nuclear:
1. Produce menos residuos nucleares.
2. En los diseños actuales se necesita un aporte exterior de
energía para que la reacción en cadena se mantenga.
3. Produce más energía por reacción.
También
posee desventajas:
1. La reacción más energética es deuterio+tritio, y el
tritio es un isótopo muy escaso en la Tierra.
2. Las condiciones necesarias son tan extremas que solo se
dan en el centro de las estrellas, por lo que
son muy difíciles de alcanzar y controlar.
Las técnicas
conocidas de alcanzar las condiciones impuestas por los criterios de Lawson son
dos:
§ El confinamiento inercial, mediante el uso de láseres o aceleradores de
partículas, como por ejemplo en el National Ignition Facility.
Radiactividad
La radiactividad o radioactividad1 es
un fenómeno quimico por el cual algunos cuerpos o elementos
químicos, llamados radiactivos, emitenradiaciones que
tienen la propiedad de impresionar placas radiográficas fecisterografias, ionizar gases,
producir fluorescencia,
atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, entre otros. Debido a esa
capacidad, se les suele denominar radiaciones
ionizantes (en contraste con las no
ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas,
en forma de rayos X o rayos gamma,
o bien corpusculares, como pueden ser núcleos de helio, electrones o positrones, protones u
otras. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos
elementos, inestables, que son capaces de transformarse, o decaer,
espontáneamente, en núcleos atómicos de otros elementos más estables.
La
radiactividad ioniza el
medio que atraviesa. Una excepción lo constituye el neutrón,
que no posee carga, pero ioniza la materia en
forma indirecta. En las desintegraciones radiactivas se tienen varios tipos de
radiación: alfa, beta, gamma y neutrones.
La radiactividad
es una propiedad de los isótopos que
son "inestables", es decir, que se mantienen en un estado excitado en
sus capas electrónicas o nucleares, con lo que, para alcanzar su estado fundamental, deben perder
energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas
con una determinada energía
cinética. Esto se produce variando la energía de sus
electrones (emitiendo rayos X)
o de sus nucleones (rayo
gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones, neutrones, protones o
partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo
pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el uranio que, con el
transcurrir de los siglos, acaba convirtiéndose en plomo.
La radiactividad
se aprovecha para la obtención de energía nuclear,
se usa en medicina (radioterapia y radiodiagnóstico)
y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y densidades, entre
otras).
La radiactividad
puede ser:
§
Natural: manifestada por los isótopos que se
encuentran en la naturaleza.
§
Artificial o inducida: manifestada por los
radioisótopos producidos en transformaciones artificiales.
Radiactividad natural
En 1896 Henri Becquerel descubrió
que ciertas sales de uranio emiten radiaciones espontáneamente, al observar que
velaban las placas fotográficas envueltas en papel negro. Hizo ensayos con el
mineral en caliente, en frío, pulverizado, disuelto en ácidos y la intensidad
de la misteriosa radiación era siempre la misma. Por tanto, esta nueva
propiedad de la materia, que recibió el nombre de radiactividad, no dependía de
la forma física o química en la que se encontraban los átomos del cuerpo
radiactivo, sino que era una propiedad que radicaba en el interior mismo del
átomo.
El estudio del
nuevo fenómeno y su desarrollo posterior se debe casi exclusivamente al
matrimonio de Marie y Pierre Curie,
quienes encontraron otras sustancias radiactivas: el torio, el polonio y
el radio.
La intensidad de la radiación emitida era proporcional a la cantidad de uranio presente,
por lo que Marie Curie dedujo que la radiactividad es una propiedad atómica. El
fenómeno de la radiactividad se origina exclusivamente en el núcleo de los
átomos radiactivos. Se cree que se origina debido a la interacción
neutrón-protón. Al estudiar la radiación emitida por el radio, se comprobó que
era compleja, pues al aplicarle un campo magnético parte de ella se desviaba de
su trayectoria y otra parte no.
Pronto se vio que
todas estas reacciones provienen del núcleo
atómico que describió Ernest Rutherford en 1911, quien también demostró que las
radiaciones emitidas por las sales de uranio pueden ionizar el aire y producir
la descarga de cuerpos cargados eléctricamente.
Con el uso
del neutrón,
partícula teorizada en 1920 por Ernest Rutherford, se consiguió describir la radiación beta.
En 1932, James Chadwick descubrió
la existencia del neutrón que
Rutherford había predicho en 1920, e inmediatamente
después Enrico
Fermi descubrió que ciertas radiaciones emitidas en
fenómenos no muy comunes de desintegración son en realidad neutrones.
Radiactividad artificial
La radiactividad
artificial, también llamada radiactividad inducida, se produce
cuando se bombardean ciertos núcleos estables con partículas apropiadas. Si la
energía de estas partículas tiene un valor adecuado, penetran el núcleo
bombardeado y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se
desintegra después radiactivamente. Fue descubierta por los esposos Jean Frédéric Joliot-Curie eIrène
Joliot-Curie, bombardeando núcleos de boro y de aluminio con partículas alfa.
Observaron que las sustancias bombardeadas emitían radiaciones después de
retirar el cuerpo radiactivo emisor de las partículas de bombardeo.
En 1934 Fermi se
encontraba en un experimento bombardeando núcleos de uranio con los
neutrones recién descubiertos. En 1938, en Alemania, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann verificaron
los experimentos de Fermi. En 1939 demostraron
que una parte de los productos que aparecían al llevar a cabo estos
experimentos era bario.
Muy pronto confirmaron que era resultado de la división de los núcleos de
uranio: la primera observación experimental de la fisión.
En Francia, Jean Frédéric Joliot-Curie descubrió
que, además del bario, se emiten neutrones secundarios en esa reacción, lo que
hace factible la reacción
en cadena.
También en
1932, Mark Oliphant teorizó
sobre la fusión de
núcleos ligeros (de hidrógeno),
y poco después Hans Bethe describió
el funcionamiento de las estrellas con base en este mecanismo.
El estudio de la
radiactividad permitió un mayor conocimiento de la estructura del núcleo
atómico y de las partículas
subatómicas. Se abrió la posibilidad de convertir unos
elementos en otros. Incluso se hizo realidad el ancestral sueño de los alquimistas de
crear oro a partir de
otros elementos, como por ejemplo átomos de mercurio,
aunque en términos prácticos el proceso de convertir mercurio en oro no resulta
rentable debido a que el proceso requiere demasiada energía.
Fision y Fusion Nuclear
En física nuclear, la fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se
divide en dos o más núcleos pequeños, además de algunos subproductos como neutroneslibres, fotones (generalmente rayos gamma) y
otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta
energía).
Mecanismo
La fisión de núcleos pesados es
un proceso exotérmico lo que supone que se liberan cantidades
sustanciales de energía. El
proceso genera mucha más energía que la liberada en las reacciones químicas convencionales,
en las que están implicadas las cortezas
electrónicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación
gamma como de energía cinética de los
fragmentos de la fisión, que calentarán la materia que se encuentre alrededor del espacio donde
se produzca la fisión.
La fisión se puede inducir por
varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con
una partícula de la energía correcta; la otra partícula es generalmente un
neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndolo
inestable (como una pirámide de naranjas en el supermercado llega a ser
inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la velocidad correcta). El
núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la
fisión que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con
una media de dos y medio por reacción), y algunos fotones.
Los núcleos atómicos lanzados
como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos. Los elementos que se producen
son resultado del azar, pero estadísticamente el resultado más probable es
encontrar núcleos con la mitad deprotones y neutrones del átomo fisionado original.
Los productos de la fisión son
generalmente altamente radiactivos, no son isótopos estables; estos isótopos entonces decaen,
mediante cadenas de desintegración.
Fisión fría y rotura de pares de nucleones
La mayor parte de las
investigaciones sobre fisión nuclear se basan en la distribución de masa y
energía cinética de los fragmentos de fisión. Sin embargo, esta distribución es
perturbada por la emisión de neutrones por parte de los fragmentos antes de
llegar a los detectores.
Aunque con muy baja probabilidad,
en los experimentos se han detectado eventos de fisión fría, es decir
fragmentos con tan baja energía de excitación que no emiten neutrones. Sin
embargo, aún en esos casos, se observa la rotura de pares de nucleones, la que
se manifiesta como igual probabilidad de obtener fragmentos con número par o
impar de nucleones. Los
resultados de estos experimentos permiten comprender mejor la dinámica de la
fisión nuclear hasta el punto de escisión, es decir, antes de que se desvanezca
la fuerza nuclear entre los fragmentos.
Fusión nuclear
Fusión de deuterio con tritio, por la
cual se producen helio 4, se liberan
un neutrón y se generan
17,59 MeV de
energía, como cantidad de masa apropiada convertida de la energía cinética de
los productos, según la fórmula E
= Δm c2.
En física nuclear, fusión nuclear es el proceso por el cual varios
núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado.
Simultáneamente se libera o absorbe una cantidad enorme de energía, que
permite a la materia entrar en un estado plasmático.
La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (en este
elemento y en el níquel ocurre la
mayor energía de enlace por nucleón) libera energía en general. Por el contrario,
la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía. En el proceso
inverso, la fisión nuclear,
estos fenómenos suceden en sentidos opuestos.
En el caso más simple de fusión, en el
hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción
nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y
obtener la posterior liberación de energía.
En la naturaleza ocurre fusión nuclear en las estrellas, incluido
el sol. En su
interior las temperaturas son cercanas a 15 millones de grados Celsius.1 Por ello a
las reacciones de fusión se les denomina termonucleares. En varias empresas se ha logrado también la fusión
(artificial), aunque todavía no ha sido totalmente controlada.
Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford, conducidos pocos años antes, Mark
Oliphant, en 1932, observó por vez primera la fusión
de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno).
Posteriormente, durante el resto de ese decenio, Hans Bethe estudió las
etapas del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas.
La investigación acerca de la fusión para
fines militares se inició en los años
40 del siglo XX como parte del Proyecto Manhattan, pero no tuvo buen éxito hasta 1952. La indagación
relativa a fusión controlada con fines civiles se inició en el decenio
siguiente, los 50, y
continúa hasta la fecha.
Descripción general
Requisitos
Para que pueda ocurrir la fusión
debe superarse una importante barrera de energía producida por la fuerza electrostática. A grandes distancias, dos
núcleos se repelen debido a la fuerza de repulsión electrostática entre sus
protones, cargados
positivamente.
Sin embargo, si se puede acercar
dos núcleos lo suficiente, debido a la interacción nuclear fuerte, que en
distancias cortas es mayor, se puede superar la repulsión electrostática.
Cuando un nucleón (protón o neutrón) se
añade a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a otros nucleones, pero -debido al
corto alcance de esta fuerza- principalmente a sus vecinos inmediatos. Los
nucleones del interior de un núcleo tienen más vecinos nucleones que los
existentes en la superficie.
Ya que la relación entre área de
superficie y volumen de los núcleos menores es mayor, por lo general la energía
de enlace por nucleón debido a la fuerza
nuclear aumenta
según el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente
al de un núcleo cuyo diámetro equivalga al de casi cuatro nucleones.
Por otra parte, la fuerza
electrostática es inversa al cuadrado de la distancia. Así, a un protón añadido
a un núcleo le afectará una repulsión electrostática de todos los otros protones.
Por tanto, debido a la fuerza
electrostática, cuando los núcleos se hacen más grandes, la energía
electrostática por nucleón aumenta sin límite.
En
distancias cortas la interacción nuclear fuerte (atracción) es mayor que la
fuerza electrostática (repulsión). Así, la mayor dificultad técnica para la
fusión es conseguir que los núcleos se acerquen lo suficiente para que ocurra
este fenómeno. Las
distancias no están a escala..
El resultado neto de estas
fuerzas opuestas es que generalmente la energía de enlace por nucleón aumenta
según el tamaño del núcleo, hasta llegar a los elementos hierro y níquel, y un
posterior descenso en los núcleos más pesados.
Finalmente la energía de enlace se
convierte en negativa, y los núcleos más pesados (con más de 208 nucleones,
correspondientes a un diámetro de alrededor de seis nucleones) no son estables.
Cuatro núcleos muy estrechamente
unidos, en orden decreciente de energía de enlace, son 62Ni, 58Fe, 56Fe, y 60Ni.2 A pesar de que el isótopo de níquel 62Ni es más estable, el isótopo de hierro 56Fe es una orden de
magnitudmás común. Esto se debe a mayor tasa de desintegración de 62Ni en el interior de las estrellas, impulsada
por absorción de fotones.
Una notable excepción a esta
tendencia general es el núcleo helio 4He, cuya energía de enlace es
mayor que la del litio, el
siguiente elemento por incremento de peso.
En el principio de exclusión de
Pauli se
proporciona una explicación a esta excepción: debido a que los protones y los
neutrones son fermiones, no
pueden existir en el mismo estado.
A causa de que el núcleo del 4He está integrado por dos
protones y dos neutrones, de modo que sus cuatro nucleones pueden estar en el
estado fundamental, su energía de enlace es anormalmente grande. Cualquier
nucleón adicional tendría que ubicarse en estados de energía superiores.
Tres ventajas de la fusión
nuclear son: a) en gran parte sus desechos no revisten la problemática de los
provenientes de fisión; b)abundancia -y buen precio- de materias primas,
principalmente del isótopo de hidrógeno deuterio(D); c) si una instalación dejara de funcionar se apagaría
inmediatamente, sin peligro de fusión no nuclear.
En un diseño prometedor, para
iniciar la reacción, varios rayos
láser de alta
potencia transfieren energía a una pastilla de combustible pequeña, que se calienta y se genera una implosión: desde
todos los puntos se colapsa y se comprime hasta un volumen mínimo, lo cual
provoca la fusión nuclear.
Confinamiento electrostático estable para
fusión nuclear
Como se puede apreciar en el
dibujo de arriba, se basa en circunscripción total de iones de hidrógeno, confinados electrostáticamente.
Los beneficios de este
confinamiento son múltiples:
§ La ionización del hidrógeno se genera fácilmente por el
campo eléctrico que absorbe los electrones sin disminuir la intensidad de ese
campo.
§ Se puede
obtener un campo eléctrico intenso, lo cual evitaría fuga de los iones de
hidrógeno.
§ La
energía necesaria es menor que la consumida por un reactor de fusión que genere un campo electromagnético para confinar los iones.
La fusión nuclear se logra por
medio de compresión-descompresión, aumentando o disminuyendo la intensidad del
campo eléctrico. Para ello se aumenta o se disminuye la velocidad del generador
de electricidad.
Mecanismo
La fisión de núcleos pesados es
un proceso exotérmico lo que supone que se liberan cantidades
sustanciales de energía. El
proceso genera mucha más energía que la liberada en las reacciones químicas convencionales,
en las que están implicadas las cortezas
electrónicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación
gamma como de energía cinética de los
fragmentos de la fisión, que calentarán la materia que se encuentre alrededor del espacio donde
se produzca la fisión.
La fisión se puede inducir por
varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con
una partícula de la energía correcta; la otra partícula es generalmente un
neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndolo
inestable (como una pirámide de naranjas en el supermercado llega a ser
inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la velocidad correcta). El
núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la
fisión que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con
una media de dos y medio por reacción), y algunos fotones.
Los núcleos atómicos lanzados
como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos. Los elementos que se producen
son resultado del azar, pero estadísticamente el resultado más probable es
encontrar núcleos con la mitad deprotones y neutrones del átomo fisionado original.
Los productos de la fisión son
generalmente altamente radiactivos, no son isótopos estables; estos isótopos entonces decaen,
mediante cadenas de desintegración.
Fisión fría y rotura de pares de nucleones
La mayor parte de las
investigaciones sobre fisión nuclear se basan en la distribución de masa y
energía cinética de los fragmentos de fisión. Sin embargo, esta distribución es
perturbada por la emisión de neutrones por parte de los fragmentos antes de
llegar a los detectores.
Aunque con muy baja probabilidad,
en los experimentos se han detectado eventos de fisión fría, es decir
fragmentos con tan baja energía de excitación que no emiten neutrones. Sin
embargo, aún en esos casos, se observa la rotura de pares de nucleones, la que
se manifiesta como igual probabilidad de obtener fragmentos con número par o
impar de nucleones. Los
resultados de estos experimentos permiten comprender mejor la dinámica de la
fisión nuclear hasta el punto de escisión, es decir, antes de que se desvanezca
la fuerza nuclear entre los fragmentos.
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