Química nuclear

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Índice

Inicio: ⟨Cursos⟩: ⟨Química⟩: {La materia y el átomo}: [El núcleo atómico]: (1 Introducción) (2 Ecuaciones nucleares) (3 Estabilidad de los núcleos) (4 Reacciones nucleares estandarizadas) (5 Estequiometría nuclear) (6 Radioactividad natural) (7 Transmutación nuclear) (8 Aceleradores de partículas) (9 Elementos transuránicos) (10 Fisión nuclear) (11 Fisión nuclear) (12 Radiación ) (Referencias)

Portada

(1) Introducción

La química nuclear es una rama fascinante de la química que se ocupa de los procesos y fenómenos asociados con los núcleos atómicos. A diferencia de la química convencional, que se centra en las interacciones entre electrones y átomos, la química nuclear se adentra en el núcleo mismo del átomo. Este campo de estudio abarca una variedad de fenómenos, desde la desintegración radioactiva hasta la síntesis de nuevos elementos, y tiene aplicaciones significativas en áreas como la medicina, la energía y la investigación científica. La química nuclear también explora conceptos como la radiactividad, la fisión y la fusión nuclear, proporcionando una comprensión profunda de las fuerzas que actúan dentro de los núcleos atómicos y su impacto en el mundo que nos rodea. En resumen, la química nuclear es una disciplina clave que revela los secretos y las aplicaciones de las transformaciones nucleares en la materia.

(1.1) Henry Gwyn Jeffreys Moseley

Henry Gwyn Jeffreys Moseley fue un físico británico nacido en 1887. Renombrado por sus contribuciones en la determinación de la estructura atómica, Moseley desarrolló la ley de Moseley, que ordena los elementos según su número atómico. Su trabajo fue fundamental para la comprensión moderna de la tabla periódica. Trágicamente, Moseley falleció en combate durante la Primera Guerra Mundial, a la edad de 27 años (Bernadette, 2020; Egdell & Bruton, 2020; Friedrich, n.d.).

Henry Gwyn Jeffreys Moseley Henry Gwyn Jeffreys Moseley fue un físico británico nacido en 1887. Renombrado por sus contribuciones en la determinación de la estructura atómica, Moseley desarrolló la ley de Moseley, que ordena los elementos según su número atómico. Su trabajo fue fundamental para la comprensión moderna de la tabla periódica. Trágicamente, Moseley falleció en combate durante la Primera Guerra Mundial, a la edad de 27 años (Bernadette, 2020; Egdell & Bruton, 2020; Friedrich, n.d.).

(1.1.1) Contexto social

Moseley vivió durante un periodo tumultuoso que incluyó la Primera Guerra Mundial. Cuando estalló el conflicto en 1914, Moseley, al igual que muchos de su generación, se vio afectado directamente. Optó por unirse al ejército británico y sirvió como oficial en la Royal Engineers. Trágicamente, perdió la vida en la Batalla de Gallipoli en 1915, a la joven edad de 27 años. Su muerte fue una pérdida considerable para la comunidad científica y un recordatorio de los sacrificios durante la guerra.

La Primera Guerra Mundial tuvo un impacto sustancial en la economía británica. La movilización de recursos para la guerra llevó a una reorganización significativa de la producción y una creciente deuda nacional. La guerra también generó cambios en la fuerza laboral, ya que muchos hombres jóvenes, como Moseley, se unieron al ejército, afectando la disponibilidad de mano de obra en diversos sectores económicos. La posguerra trajo consigo desafíos de reconstrucción y ajuste económico.

La sociedad británica en la época de Moseley experimentó cambios sociales sustanciales. A principios del siglo XX, surgieron movimientos feministas que buscaban la igualdad de derechos para las mujeres. La Primera Guerra Mundial también tuvo un impacto profundo en la sociedad, alterando las dinámicas familiares y comunitarias. La pérdida de vidas en la guerra dejó cicatrices duraderas en la sociedad y generó un cambio en la percepción de la guerra como un evento glorioso.

Aunque Gran Bretaña mantenía una diversidad de creencias religiosas, la influencia de la Iglesia estaba experimentando cambios. A medida que avanzaba el siglo, se observaba una disminución en la práctica religiosa y una mayor secularización de la sociedad. La guerra también planteó preguntas profundas sobre la fe y la moralidad, ya que muchos se enfrentaron a la brutalidad y la pérdida de vidas en el conflicto.

La época en que Moseley vivió fue testigo del surgimiento de la modernidad. En el ámbito cultural, se produjeron avances científicos y tecnológicos que transformaron la forma en que las personas vivían y percibían el mundo. La teoría cuántica, la relatividad de Einstein y los avances en la física nuclear estaban remodelando la comprensión científica de la realidad. La cultura estaba experimentando cambios en la literatura, el arte y la música, reflejando la ruptura con las tradiciones anteriores y la búsqueda de nuevas expresiones.

(1.1.2) Infancia

Henry Gwyn Jeffreys Moseley, nacido el 23 de noviembre de 1887 en Weymouth, Dorset, Inglaterra, tuvo una infancia marcada por la influencia de una familia cultivada y su temprano interés en la ciencia. Era el cuarto de los cinco hijos de Amabel y Henry Moseley, un renombrado profesor de anatomía y fisiología. La familia Moseley tenía una sólida posición social y educativa, lo que proporcionó a Henry un entorno propicio para su desarrollo intelectual.

Desde joven, Moseley mostró una curiosidad insaciable por el mundo que lo rodeaba. Su educación inicial tuvo lugar en el Eton College, una prestigiosa escuela secundaria británica, donde destacó por su brillantez académica y su inclinación hacia las ciencias. En este entorno educativo privilegiado, Moseley tuvo acceso a recursos excepcionales y a mentores que cultivaron su amor por el aprendizaje.

A pesar de su agudo intelecto, Henry no se limitó a la academia; también participó activamente en actividades deportivas y sociales. Destacó en deportes como cricket y rugby, mostrando una versatilidad que complementaba su excelencia académica. Estos años en Eton no solo contribuyeron a su desarrollo intelectual, sino que también forjaron habilidades sociales y liderazgo que serían valiosas en su vida adulta.

La influencia de su padre, un académico respetado, también dejó una marca indeleble en Moseley. La dedicación de su padre a la investigación y la educación sirvió como modelo a seguir, inspirando en Henry una pasión por la exploración científica. Los debates y conversaciones en la mesa de los Moseley a menudo se centraban en cuestiones científicas, alimentando aún más el creciente interés de Henry en el mundo de la física y la investigación.

El siguiente paso en su educación llevó a Moseley a la Universidad de Oxford en 1906, donde ingresó al Trinity College. En Oxford, continuó destacando en sus estudios de física y matemáticas. Su tiempo en la universidad marcó el inicio formal de su inmersión en el mundo académico y científico. Aquí, bajo la tutela de distinguidos profesores, comenzó a consolidar su comprensión de la física y a explorar áreas de investigación que más tarde lo catapultarían a la prominencia en la comunidad científica.

Así concluye la etapa inicial de la vida de Henry Gwyn Jeffreys Moseley, una infancia y adolescencia impregnadas de educación privilegiada, curiosidad intelectual y una sólida base que lo preparó para los desafíos y logros que le esperaban en el emocionante campo de la física.

(1.1.3) Logros

La educación de Henry Gwyn Jeffreys Moseley se destacó por su excelencia académica y su dedicación a la investigación científica. Después de completar sus estudios en el Eton College, ingresó a la Universidad de Oxford en 1906, donde se matriculó en el Trinity College. En Oxford, Moseley se sumergió en el estudio de la física y las matemáticas, destacando por su agudo intelecto y su habilidad para abordar problemas científicos de manera innovadora.

Su contribución más destacada fue la formulación de la Ley de Moseley, que revolucionó la comprensión de la estructura atómica. En 1913, Moseley experimentó con rayos X para estudiar la dispersión de la radiación. Descubrió que el número atómico, que él definió, determina la posición de un elemento en la tabla periódica. Esta ley corrigió inconsistencias en la disposición de los elementos y proporcionó una base más sólida para la tabla periódica, siendo un hito fundamental en la historia de la química.

Moseley realizó investigaciones pioneras en el uso de rayos X para estudiar la estructura atómica. Sus experimentos contribuyeron significativamente al desarrollo de la teoría cuántica y ayudaron a comprender la disposición de los electrones en los átomos. Moseley utilizó espectrógrafos de rayos X y otros instrumentos avanzados de su época para llevar a cabo sus investigaciones. Su habilidad para diseñar y utilizar instrumentos de vanguardia fue crucial para el éxito de sus experimentos.

Entre sus publicaciones destacadas se encuentra su trabajo sobre la Ley de Moseley, que se presentó en el artículo "The High-Frequency Spectra of the Elements" publicado en 1913 en la revista Philosophical Magazine. Este artículo detalló sus hallazgos sobre la relación entre la frecuencia de los rayos X y el número atómico de los elementos (Moseley, 1913). Aunque Moseley logró avances significativos, no estuvo exento de desafíos. En sus primeros años, cometió errores en la interpretación de ciertos aspectos de los experimentos de otros científicos, pero su capacidad para aprender de estos errores lo impulsó hacia adelante.

A pesar de su corta vida, Moseley dejó un legado duradero en la ciencia. Su trabajo sentó las bases para desarrollos futuros en la teoría atómica y la química cuántica. A lo largo de los años, su contribución ha sido ampliamente reconocida, y su nombre está asociado de manera permanente con la Ley de Moseley. La trágica muerte de Moseley en la Primera Guerra Mundial privó al mundo de la ciencia de un talento prometedor en pleno florecimiento. Sin embargo, su impacto perdura como un recordatorio de la importancia de la investigación y la innovación en la comprensión del mundo que nos rodea.

Figura 1.1. Henry Gwyn Jeffreys Moseley, prometedor físico británico, perdió la vida en la tragedia del desembarco en Gallipoli, durante la Primera Guerra Mundial en agosto de 1915. Sirviendo como teniente en el Ejército Británico, Moseley participó en la infame campaña militar en la península de Gallipoli. En el fragor de la batalla, fue alcanzado por un disparo de francotirador, una pérdida devastadora para la ciencia. Moseley, reconocido por sus contribuciones a la comprensión de la estructura atómica, quedó como un recordatorio trágico de los sacrificios de la guerra que arrebataron la brillantez y el potencial científico a una generación (Bernadette, 2020).

(1.1.4) Comunidad científica

La comunidad científica en la época de Henry Gwyn Jeffreys Moseley estaba inmersa en un periodo de efervescencia intelectual y descubrimientos revolucionarios en el campo de la física y la química. Algunos de los principales científicos y figuras de la época compartían y debatían ideas en un ambiente dinámico y colaborativo.

Moseley tuvo interacciones significativas con varios científicos prominentes de su tiempo. Entre ellos, se destaca la influencia de Sir Ernest Rutherford, conocido como el "padre de la física nuclear". Moseley trabajó como asistente de investigación de Rutherford en la Universidad de Manchester, una colaboración que influyó enormemente en sus investigaciones sobre la estructura atómica y la radiación. La conexión con Rutherford le proporcionó acceso a recursos y conocimientos clave en su camino hacia el descubrimiento de la Ley de Moseley.

Además, Moseley mantenía contactos con otros científicos destacados de la época, como William Bragg y Niels Bohr, quienes también estaban inmersos en investigaciones sobre la estructura atómica y la teoría cuántica. Estas conexiones ampliaron su perspectiva y le brindaron la oportunidad de intercambiar ideas con mentes brillantes de la época.

En el proceso de desarrollar y presentar la Ley de Moseley, Henry Moseley tuvo que enfrentarse a ciertas controversias y escepticismo. Algunos científicos contemporáneos cuestionaron inicialmente sus conclusiones, especialmente aquellos que se aferraban a las ideas antiguas sobre la disposición de los elementos en la tabla periódica. Sin embargo, la evidencia experimental sólida y la claridad de la ley propuesta eventualmente disiparon gran parte de la resistencia inicial.

No se conocen enemigos personales específicos de Moseley en el ámbito científico. Su corta vida y su enfoque apasionado en la investigación no le dieron tiempo para participar en disputas prolongadas o conflictos personales. Sin embargo, el contexto científico de la época estaba lleno de competencia y rivalidades en la búsqueda de descubrimientos fundamentales.

Aunque la carrera de Moseley fue breve, su impacto en la comunidad científica fue significativo y duradero. La Ley de Moseley proporcionó una base sólida para la organización de la tabla periódica y mejoró la comprensión de la estructura atómica. Su trabajo inspiró a futuros científicos y sirvió como catalizador para investigaciones adicionales en el campo de la física nuclear y la teoría cuántica.

La comunidad científica en la que Moseley se encontraba estaba en plena efervescencia, con debates y descubrimientos que transformaron nuestra comprensión del mundo a nivel atómico y subatómico. La colaboración y la competencia entre científicos de renombre caracterizaban este periodo, y Moseley emergió como una figura clave en esta red de mentes brillantes que buscaban desentrañar los misterios fundamentales de la materia.

(1.1.5) Reconocimientos

Durante su vida, Henry Gwyn Jeffreys Moseley recibió reconocimientos por sus contribuciones destacadas en el campo de la física. A pesar de su corta carrera, su trabajo fue rápidamente reconocido y celebrado por la comunidad científica. Moseley fue honrado con la Medalla de Smith, otorgada por la Royal Society en 1914 por su destacada investigación en el área de la física. Además de las distinciones académicas, Moseley también experimentó el reconocimiento de sus colegas y mentores. Su tiempo como asistente de investigación de Sir Ernest Rutherford en la Universidad de Manchester le brindó la oportunidad de trabajar con uno de los científicos más respetados de la época, lo que en sí mismo era un reconocimiento significativo.

La muerte prematura de Moseley en la Primera Guerra Mundial truncó una carrera científica que prometía aún más logros. Sin embargo, su legado fue postumamente reconocido y honrado por la comunidad científica y más allá. En 1916, dos años después de su fallecimiento, la Royal Society estableció la Medalla Moseley en su memoria. Esta medalla se otorga anualmente por logros destacados en la física experimental. La contribución de Moseley también se reflejó en la dedicación de elementos a su memoria. El elemento 43, el tecnecio, fue el primer elemento sintetizado artificialmente, y su nombre honra al trabajo pionero de Moseley.

A lo largo del tiempo, diversos eventos conmemorativos y homenajes han recordado y celebrado la vida y obra de Moseley. Conferencias, simposios y eventos científicos han llevado su nombre, destacando su influencia en la física y la química. Aunque no recibió títulos de nobleza durante su vida, su legado y contribuciones científicas se consideran nobles en el sentido académico. Moseley es recordado como un científico excepcional cuyo trabajo cambió fundamentalmente nuestra comprensión de la estructura atómica. Henry Gwyn Jeffreys Moseley, a pesar de su vida corta, dejó un impacto duradero en la ciencia, y los reconocimientos póstumos reflejan la profundidad de su contribución y la admiración de la comunidad científica por su genialidad y dedicación.

Dado todo lo que había logrado a una edad tan temprana, Isaac Asimov señaló que la muerte de Moseley "bien podría haber sido la muerte individual más costosa de la guerra para la humanidad en general". De hecho, debido a esto, el gobierno británico estableció una nueva política que prohibía a los científicos más destacados del país participar en servicio militar activo. Incluso en medio del ardor de la guerra, se destacó la ironía de que, a pesar de que Alemania era el enemigo en el conflicto, también lamentó la pérdida de Moseley debido a su contribución excepcional a la ciencia. La relevancia y renombre de Moseley trascendieron las fronteras de la guerra, ganándose el respeto incluso de aquellos en el bando opuesto. Este reconocimiento subraya la universalidad del impacto de Moseley en la comunidad científica y cómo su prematura muerte resonó más allá de las divisiones políticas de la época (Jacobsmeyer, n.d.; Wong, 2015)

(1.1.6) ¿Por qué él es importante?

El trabajo pionero de Henry Gwyn Jeffreys Moseley en el campo de la física, específicamente en la determinación del número atómico y la organización de la tabla periódica, tiene un impacto significativo en nuestra vida cotidiana. Aunque sus contribuciones son fundamentales en el ámbito científico y tecnológico, su influencia se refleja de manera indirecta en varios aspectos de nuestras vidas diarias. Aquí hay algunas maneras en las que el trabajo de Moseley nos afecta:

La comprensión profunda de la estructura atómica y la ubicación de los elementos en la tabla periódica ha sido esencial para el desarrollo de técnicas médicas avanzadas. Desde la radiología hasta la medicina nuclear, los principios derivados del trabajo de Moseley son cruciales para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.

La investigación en la estructura atómica ha sido fundamental para el desarrollo de dispositivos electrónicos y tecnologías de comunicación. Los avances en semiconductores y dispositivos electrónicos, que se basan en la comprensión de las propiedades de los elementos, son parte integral de nuestros teléfonos, computadoras y otros dispositivos tecnológicos.

La investigación en la tabla periódica y las propiedades atómicas ha influido en el diseño y desarrollo de nuevos materiales. Desde aleaciones más resistentes hasta materiales conductores avanzados, el trabajo de Moseley contribuye a la mejora constante de los materiales que utilizamos en la vida cotidiana.

El entendimiento de la física nuclear, facilitado por las contribuciones de Moseley, es fundamental para la generación de energía nuclear. Aunque controvertida, la energía nuclear desempeña un papel importante en la producción de electricidad en muchas partes del mundo.

La investigación científica y las aplicaciones prácticas derivadas del trabajo de Moseley continúan hoy en día. Los principios fundamentales que él estableció son la base sobre la cual se construyen nuevas teorías y se realizan investigaciones en diversas disciplinas científicas.

(1.1.7) ¿Qué debemos aprender de él?

La vida de Henry Gwyn Jeffreys Moseley, aunque truncada prematuramente, es un testimonio inspirador de cómo se puede aprovechar al máximo las oportunidades educativas y profesionales que se presentan en el camino. Desde sus primeros días en Eton College hasta su tiempo como asistente de investigación de Rutherford, Moseley demostró una habilidad única para capitalizar cada oportunidad que se le presentaba.

En Eton College, una prestigiosa escuela secundaria británica, Moseley destacó no solo por su agudo intelecto, sino también por su participación activa en diversas actividades académicas y deportivas. En este entorno, supo reconocer la importancia de la educación como un vehículo para su crecimiento y desarrollo.

Su transición a la Universidad de Oxford, donde ingresó al Trinity College en 1906, marcó otra fase en la cual Moseley continuó aprovechando las oportunidades educativas de manera excepcional. Bajo la influencia de distinguidos profesores y el entorno académico enriquecedor, desarrolló aún más su pasión por la física y las matemáticas.

El punto culminante de su habilidad para capitalizar oportunidades fue su tiempo como asistente de investigación de Sir Ernest Rutherford en la Universidad de Manchester. Trabajar junto a uno de los científicos más respetados de la época proporcionó a Moseley una plataforma única para el aprendizaje y la investigación avanzada en física nuclear y estructura atómica.

En lugar de ver los obstáculos como limitaciones insuperables, Moseley los percibió como oportunidades para crecer y contribuir al conocimiento científico. Su capacidad para capitalizar estas oportunidades lo llevó a formular la Ley de Moseley, un hito fundamental en la comprensión de la estructura atómica y la organización de la tabla periódica.

La historia de Moseley nos inspira a no subestimar el valor de las oportunidades educativas y a abrazar cada experiencia como una posibilidad para aprender, crecer y hacer contribuciones significativas. Su enfoque en capitalizar oportunidades, incluso en circunstancias desafiantes, resuena como un recordatorio atemporal de la importancia de la determinación y la visión en la búsqueda del conocimiento y el éxito.

(2) Ecuaciones nucleares

La química nuclear es el estudio de las reacciones que implican cambios en los núcleos atómicos. Esta rama de la química se inició con el descubrimiento de la radiactividad natural por Antoine Becquerel y creció gracias a investigaciones posteriores realizadas por Pierre y Marie Curie, entre otros. La química nuclear está muy presente en las noticias hoy en día. Además de sus aplicaciones en la fabricación de bombas atómicas, bombas de hidrógeno y bombas de neutrones, incluso el uso pacífico de la energía nuclear se ha vuelto controvertido, en parte debido a preocupaciones sobre la seguridad de las plantas nucleares y a problemas relacionados con la eliminación de desechos radioactivos. En este capítulo, estudiaremos las reacciones nucleares, la estabilidad del núcleo atómico, la radiactividad y los efectos de la radiación en los sistemas biológicos.

No nos sumergiremos exhaustivamente en los aspectos históricos tempranos de esta rama de la química, ya que los abordamos previamente al estudiar los modelos atómicos físicos clásicos. En lugar de eso, nos enfocaremos en aspectos más contemporáneos y exploraremos su futuro, dado que la única alternativa a largo plazo para la supervivencia de la humanidad radica en esta disciplina científica.

A medida que avanzamos en nuestra exploración, examinaremos las aplicaciones y desarrollos recientes en química nuclear, destacando su relevancia en la fabricación de dispositivos nucleares, así como en la controvertida pero necesaria área de la energía nuclear. Además, nos sumergiremos en el análisis de la estabilidad de los núcleos atómicos, la radiactividad y sus impactos, tanto en términos de desafíos como de beneficios, especialmente en el ámbito de la medicina y el tratamiento de enfermedades.

Es crucial comprender que, a medida que avanzamos en el siglo XXI, la química nuclear se encuentra en el centro de la discusión sobre la sostenibilidad y la supervivencia a largo plazo de la humanidad. Su aplicación responsable y segura es vital para abordar la creciente demanda de energía, así como para enfrentar los desafíos relacionados con la gestión de residuos radiactivos y la mitigación de riesgos asociados con el uso de tecnologías nucleares.

En última instancia, exploraremos cómo la química nuclear no solo representa un campo de investigación científica y desarrollo tecnológico, sino que también se presenta como una herramienta fundamental para abordar los desafíos que enfrentamos en la actualidad y que seguirán siendo cruciales en el futuro.

(2.1) Símbolos

Para abordar las reacciones nucleares en profundidad, es necesario comprender cómo escribir y balancear las ecuaciones. Escribir una ecuación nuclear difiere en cierta medida de escribir ecuaciones para reacciones químicas. Además de utilizar los símbolos para los diversos elementos químicos, debemos indicar explícitamente los protones, neutrones y electrones. De hecho, es necesario mostrar los números de protones y neutrones presentes en cada especie en dicha ecuación.

Comencemos considerando el símbolo estándar de un isótopo $_{Z}^{A}\textrm{X}$, donde $Z$ representa el número de protones y $A$ es el número de masa. Este símbolo se extiende más allá de las reacciones químicas convencionales para abarcar otro tipo de entidades elementales, como protones $_{1}^{1}\textrm{p}$, neutrones $_{0}^{1}\textrm{n}$, electrones $_{-1}^{0}\textrm{e}$, partículas alfa $_{2}^{4}\alpha$, partículas beta $_{-1}^{0}\beta$, entre otras. La polaridad de la carga en partículas negativas puras, como electrones y partículas beta, se asocia directamente al número Z para simplificar el equilibrio de carga en una reacción nuclear.

(2.2) Electrones, betas y positrones

Las partículas subatómicas, como los electrones $_{-1}^{0}\textrm{e}$, las partículas beta $_{-1}^{0}\beta$ y los positrones $_{1}^{0}\beta$, son elementos fundamentales en la comprensión de la estructura y dinámica de la materia a nivel subatómico. Comencemos explorando las similitudes entre estas partículas. En primer lugar, todas comparten una carga eléctrica de -1 e, lo que indica que son partículas cargadas negativamente, excepto el positrón que posee carga positiva. Esta característica fundamental influye en su comportamiento en presencia de campos eléctricos, lo que es crucial para comprender su participación en procesos físicos y químicos.

Otra similitud destacada entre los electrones y las partículas beta es su origen subatómico. Los electrones son partículas elementales que existen como constituyentes básicos de los átomos. En cambio, las partículas beta, ya sean negativas $_{-1}^{0}\beta$ o positivas $_{1}^{0}\beta$, se generan durante procesos de desintegración nuclear. Esta diferencia en el origen subatómico conlleva implicaciones significativas en términos de la dinámica de estas partículas en entornos específicos.

Una diferencia clave entre los electrones y las partículas beta es la variabilidad de la carga en estas últimas. Mientras que los electrones siempre tienen una carga de $z$ = -1, las partículas beta pueden ser negativas o positivas, lo que significa que pueden tener una carga eléctrica de $z$ = -1 o $z$ = +1, respectivamente. Este aspecto variable de las partículas beta refleja su naturaleza vinculada a procesos específicos de desintegración radiactiva. Las partículas beta negativas se forman cuando un neutrón se convierte en un protón dentro de un núcleo, liberando un electrón en el proceso. Por otro lado, las partículas beta positivas, o positrones, se producen cuando un protón se convierte en un neutrón, liberando un positrón.

En cuanto a la masa, los electrones tienen una masa de aproximadamente 9.11 x 10^-31 kg. Las partículas beta, ya sean negativas o positivas, tienen una masa comparable a la de los electrones debido a su origen común en procesos de desintegración nuclear. Esta similitud en la masa es esencial para comprender cómo estas partículas interactúan en diversos contextos físicos y químicos.

Es relevante destacar que, aunque los electrones y las partículas beta comparten ciertas propiedades, las diferencias fundamentales radican en su origen y en la variabilidad de la carga eléctrica en el caso de las partículas beta. Además, es importante subrayar que los positrones, una forma específica de partículas beta positivas, tienen una carga positiva y una serie de propiedades distintas a las de los electrones y las partículas beta negativas. En conjunto, esta comprensión detallada de las similitudes y diferencias entre estas partículas subatómicas contribuye significativamente a nuestro conocimiento de la física y la química a nivel fundamental.

(2.3) Leyes de la conservación

En ciencias, una ley de conservación es un principio fundamental que establece que ciertas propiedades o cantidades específicas de un sistema aislado permanecen constantes a lo largo del tiempo, incluso cuando se producen cambios o transformaciones internas en dicho sistema. Estas leyes reflejan la idea de que, en un sistema cerrado, la cantidad total de ciertas magnitudes importantes se mantiene constante, sin importar las transformaciones o interacciones que puedan ocurrir.

En el curso de química, hemos explorado varias leyes de conservación que desempeñan un papel crucial en la comprensión de las reacciones químicas. Dos ejemplos notables son la Ley de Conservación de la Masa y la Ley de Conservación de la Carga. La Ley de Conservación de la Masa establece que la masa total de las sustancias antes de una reacción química es igual a la masa total después de la reacción. En otras palabras, la materia no se crea ni se destruye durante una reacción química, simplemente se transforma.

La Ley de Conservación de la Carga, por otro lado, establece que la carga eléctrica total en un sistema cerrado se mantiene constante. Esto significa que la suma de las cargas eléctricas positivas y negativas antes de una reacción química es igual a la suma después de la reacción. Estas leyes de conservación son fundamentales para la formulación y el equilibrio de ecuaciones químicas, proporcionando una base teórica sólida para comprender las transformaciones que ocurren a nivel molecular.

Al explorar las reacciones nucleares, nos encontramos con formas especiales de leyes de conservación que son esenciales para comprender los fenómenos a nivel nuclear. En este contexto, las ecuaciones de reacciones nucleares también están sometidas a principios de conservación de masa y carga, pero se presentan en formas adaptadas a las características específicas de las partículas subatómicas.

(2.4) Ley de la conservación del número de masa

La Ley de Conservación del Número de Masa en una reacción nuclear establece que la suma de los números de masa de los reactantes debe ser igual a la suma de los números de masa en los productos. En otras palabras, la cantidad total de masa en un sistema cerrado se mantiene constante antes y después de una reacción nuclear. Esta ley es una extensión de la Ley de Conservación de la Masa, que se aplica a las reacciones químicas, pero en el contexto de la física nuclear, se tiene en cuenta específicamente la masa de los núcleos atómicos.

El número de masa (representado por la letra $A$ de un núcleo atómico es la suma de protones y neutrones en ese núcleo. La Ley de Conservación del Número de Masa establece que la suma de los números de masa de los núcleos iniciales (reactantes) es igual a la suma de los números de masa de los núcleos finales (productos). Matemáticamente, esto se expresa como:

\[0=\Sigma A_p-\Sigma A_r \]

Eq 2.1. Ley de la conservación del número de masa, expresada como la diferencia entre la suma de número de masa de reactantes $A_r$ y la suma del número de masa de productos $A_p$.

(2.5) Ley de la conservación del número de carga

La Ley de Conservación del Número de Carga en reacciones nucleares establece que la carga eléctrica total antes de una reacción nuclear debe ser igual a la carga eléctrica total después de la reacción. En otras palabras, la suma de las cargas positivas (protones) y negativas (electrones o positrones) en los reactantes debe ser igual a la suma de las cargas en los productos. Esta ley se deriva del principio más amplio de la conservación de la carga eléctrica en sistemas cerrados. Matemáticamente, la ley se expresa como:

\[0=\Sigma Z_p-\Sigma Z_r \]

Eq 2.2. Ley de la conservación del número de carga, expresada como la diferencia entre la suma de número de carga de reactantes $Z_r$ y la suma del número de masa de productos $Z_p$.

Donde $Z$ refleja las cargas asociadas. Por ejemplo, en el caso del electrón $_{-1}^{0}\textrm{e}$, un valor negativo de $Z$ representa de manera precisa la carga negativa elemental. Por lo tanto, en este contexto, no debemos necesariamente igualar el número de carga al número de protones. Al hacerlo, podríamos malinterpretar la naturaleza del electrón o las partículas beta, sugiriendo erróneamente la existencia de una suerte de "antiprotón negativo". Esta práctica de asignar valores negativos a las partículas negativas es una convención útil que facilita el balance de carga en las ecuaciones nucleares. Permite que la suma de los números atómicos de las partículas involucradas en la reacción sea constante, cumpliendo así con la conservación del número de carga eléctrica.

Cuando redactamos ecuaciones nucleares, es esencial aplicar las leyes de conservación para prever las partículas subatómicas emitidas en un proceso nuclear o anticipar la formación del nuevo núcleo. Además, es crucial recordar que las ecuaciones nucleares se expresan implícitamente para un único evento de reacción. Por lo tanto, los conjuntos de números de masa y carga utilizados para el balance deben ser los más pequeños posibles, siempre expresados en números enteros o sus múltiplos.

Chang 14ed. Ejemplo 191.1.a. Balancear la ecuación nuclear para la transmutación de polonio-212 en plomo-208, identificando la identidad de la partícula emitida.

Chang 14ed. Ejemplo 191.1.a. Balancear la ecuación nuclear para la transmutación de cesio-137 en bario-137, identificando la identidad de la partícula emitida.

(3) Estabilidad de los núcleos

La densidad del núcleo atómico se refiere a la concentración de masa en el núcleo de un átomo. Imagina el núcleo como una pequeña región central extremadamente densa y compacta dentro de un átomo. Este núcleo está formado por protones y neutrones, que son las partículas subatómicas que constituyen la mayor parte de la masa del átomo.

La densidad del núcleo se diferencia significativamente de la densidad del átomo en general. Mientras que la densidad del átomo considera la distribución de masa en todo el volumen del átomo, la densidad nuclear se centra específicamente en la región central donde se encuentran los protones y neutrones. Para visualizar esto de manera más clara, podríamos comparar un átomo con un estadio deportivo y el núcleo con una pequeña pelota en el centro de ese estadio. La mayor parte del estadio estaría vacía, representando la región donde los electrones orbitan alrededor del núcleo, mientras que la pequeña pelota en el centro sería el núcleo, increíblemente pequeño en comparación con el tamaño total del estadio.

Ejercicio. Como cálculo de muestra, supongamos que un núcleo tiene un radio de 5 × 10⁻³ pm y una masa de 1 × 10⁻²² g. Estas cifras corresponden aproximadamente a un núcleo que contiene 30 protones y 30 neutrones. La densidad es la masa dividida por el volumen, y podemos calcular el volumen a partir del radio conocido (el volumen de una esfera es $\frac{4}{3}\pi r^3$, donde $r$ es el radio de la esfera). Calcular la densidad del núcleo anterior.

Esta es una densidad extremadamente alta. La densidad más alta conocida para un elemento es de 22.6 g/cm³, y pertenece al osmio (Os). ¡Por lo tanto, el núcleo atómico promedio es aproximadamente 9 × 10¹² (o 9 billones) veces más denso que el elemento más denso que conocemos! La increíblemente alta densidad del núcleo nos hace preguntarnos ¿qué mantiene unidas tan fuertemente a las partículas?

(3.1) La paradoja de núcleo

La interacción electrostática, basada en la ley de Coulomb, se refiere a la fuerza que experimentan las cargas eléctricas debido a su presencia en el espacio. Esta ley establece que las cargas de signos opuestos se atraen, mientras que las cargas del mismo signo se repelen, y fue propuesta por el físico francés Charles-Augustin de Coulomb en el siglo XVIII.

Figura 3.1. Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) fue un físico e ingeniero francés, destacado por su contribución a la electrodinámica y la física de partículas. Coulomb formuló la ley de Coulomb, que describe la fuerza electrostática entre cargas eléctricas. Nacido en Angulema, Francia, trabajó en proyectos de ingeniería civil y militar antes de dedicarse a la investigación científica. Su balanza de torsión permitió experimentos precisos sobre la fuerza eléctrica. Coulomb también exploró la fricción y la magnetismo. Su trabajo sentó las bases para el desarrollo de la teoría electromagnética y sigue siendo fundamental en la comprensión de las interacciones eléctricas (Falconer, 2004).

Coulomb demostró experimentalmente la ley que lleva su nombre utilizando un dispositivo conocido como balanza de torsión, en el cual medía la fuerza entre dos esferas cargadas eléctricamente. Sus experimentos confirmaron que la fuerza entre las cargas es directamente proporcional al producto de sus magnitudes y inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. La expresión matemática de esta ley se formula como:

\[ F = k \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2} \]

Eq 3.1. Ley de Coulomb, donde $ F $ es la fuerza entre las cargas, $ k $ es la constante de Coulomb, $ q_1 $ y $ q_2 $ son las magnitudes de las cargas, y $ r $ es la distancia entre ellas.

La aplicación de la ley de Coulomb al estudio del núcleo atómico condujo a una paradoja conocida como la "catástrofe del electrón en espiral". Según las leyes de la electrodinámica clásica, los electrones en órbita alrededor del núcleo deberían irradiar energía continuamente, perdiendo velocidad y, finalmente, colapsando en el núcleo. Este escenario contradice la estabilidad observada de los átomos. La resolución de esta paradoja requirió el desarrollo posterior de la mecánica cuántica en el siglo XX.

La segunda paradoja, conocida como la "paradoja del colapso del núcleo", surge en el contexto de la fuerza eléctrica repulsiva entre protones en un núcleo atómico. A pesar de su carga positiva, los protones en el núcleo no se repelen en la práctica. Esta contradicción se destacó formalmente en la década de 1930 por el físico alemán Werner Heisenberg. La paradoja plantea interrogantes sobre la estabilidad de los núcleos y llevó a desarrollos posteriores en la teoría nuclear y la comprensión de las fuerzas fundamentales en el ámbito subatómico.

La resolución de la paradoja del electrón espiral se logró gracias a los trabajos de Planck y Bohr, quienes sentaron las bases de la mecánica cuántica. Esta teoría, aplicada a los electrones, se exploró en el capítulo dedicado a los modelos atómicos cuánticos. Ahora, nos centraremos en la segunda paradoja: el colapso del núcleo con más de un protón. Este fenómeno, conocido formalmente como la paradoja de la inestabilidad del núcleo, fue identificado por Niels Bohr en un artículo en 1936. La solución a esta paradoja involucra el concepto del neutrón como el elemento que mantiene unidos los protones en el núcleo atómico.

De cierta manera, el átomo moderno se encuentra dividido en dos aspectos fundamentales. Por un lado, están los electrones, que constituyen la periferia del átomo y cuyo comportamiento es estudiado a través de la mecánica cuántica, que incluye conceptos como orbitales y hibridaciones. Este ámbito se centra en la descripción del comportamiento de los electrones alrededor del núcleo atómico.

Por otro lado, se encuentra el átomo nuclear, donde se llevan a cabo reacciones nucleares y se exploran aplicaciones energéticas. Este aspecto se rige por principios y leyes específicas, como las propuestas por la física nuclear. Las interacciones y procesos en el núcleo atómico, incluyendo la liberación de energía en ciertas reacciones, tienen aplicaciones significativas en campos como la generación de energía y la medicina nuclear.

(3.2) La fuerza nuclear fuerte

La respuesta a la paradoja del colapso del núcleo va más allá de la simple idea de que los neutrones actúan como un pegamento; es necesario profundizar. Una explicación más sofisticada reside en la comprensión de las fuerzas que operan en el núcleo atómico. A pesar de que los protones poseen cargas positivas y, según la ley de Coulomb, deberían repelerse mutuamente, entra en juego una fuerza adicional conocida como la Fuerza Nuclear Fuerte, que contrarresta esta repulsión. Esta fuerza opera a distancias extremadamente cortas, del orden de femtómetros (10^-15 m), y es considerablemente más intensa que la fuerza electrostática repulsiva.

Dentro del núcleo, los protones experimentan dos fuerzas opuestas: la repulsión eléctrica debido a sus cargas positivas y la atracción de la Fuerza Nuclear Fuerte. Lo fascinante es que la Fuerza Nuclear Fuerte es lo suficientemente potente como para vencer la repulsión eléctrica, manteniendo así unidos a protones y neutrones en el núcleo. Esta dualidad de fuerzas en el núcleo es esencial para la estabilidad de los átomos. La repulsión electrostática, en teoría, podría desintegrar el núcleo, pero la presencia de la Fuerza Nuclear Fuerte equilibra esta tendencia, permitiendo la cohesión de los componentes nucleares.

La Fuerza Nuclear Fuerte no opera como una deformación del espacio-tiempo, como lo hace la gravedad según la teoría de la relatividad general de Einstein. La teoría que describe la Fuerza Nuclear Fuerte es la cromodinámica cuántica (QCD). Según la QCD, la Fuerza Nuclear Fuerte se origina en la interacción entre quarks, que son las partículas fundamentales que componen protones y neutrones. Estos quarks intercambian partículas llamadas gluones para transmitir la fuerza entre ellos. A diferencia de la gravedad, que se relaciona con la geometría del espacio-tiempo, la Fuerza Nuclear Fuerte se manifiesta a través de interacciones entre partículas subatómicas y no tiene una interpretación clásica en términos de deformación del espacio-tiempo. La dependencia de la distancia en la Fuerza Nuclear Fuerte se debe a la disminución rápida de la intensidad de la fuerza a medida que las partículas se alejan, pero esto se explica mediante las propiedades específicas de la interacción entre quarks y gluones, no mediante la curvatura del espacio-tiempo.

La ecuación fundamental que describe la Fuerza Nuclear Fuerte se basa en el intercambio de partículas llamadas mesones, postulada por Hideki Yukawa en 1935. La intensidad de esta fuerza disminuye rápidamente con la distancia, siendo prácticamente nula fuera del núcleo atómico. Este fenómeno es crucial para entender la estabilidad nuclear y ha sido confirmado mediante experimentos y observaciones detalladas en la física nuclear contemporánea.

(3.3) Los neutrones como pegamento nuclear

En un núcleo, los protones, al tener carga eléctrica positiva, experimentan fuerzas repulsivas entre sí debido a la repulsión electrostática. Esta repulsión tiende a separar los protones. Sin embargo, la Fuerza Nuclear Fuerte actúa entre los quarks que componen tanto protones como neutrones, y es lo suficientemente fuerte para contrarrestar esta repulsión, manteniendo cohesionados a los protones y neutrones en el núcleo. La contribución clave de los neutrones es que, a diferencia de los protones, no tienen carga eléctrica neta (son neutros). Por lo tanto, no experimentan la repulsión electrostática entre sí ni con los protones. Al no contribuir a la repulsión, los neutrones actúan como estabilizadores en el núcleo, permitiendo que la Fuerza Nuclear Fuerte prevalezca y mantenga la cohesión nuclear.

En un par de protones sin neutrones, la fuerza electrostática repulsiva entre los protones prevalecería sobre cualquier otra fuerza atractiva. Los protones, que tienen carga eléctrica positiva, experimentarían una fuerte repulsión debido a la interacción electromagnética. El helio-2, que constaría solo de dos protones, sería altamente inestable debido a esta repulsión electrostática entre los protones. La Fuerza Nuclear Fuerte, que normalmente mantiene a los protones y neutrones juntos en el núcleo, tendría que ser lo suficientemente fuerte para superar la repulsión electrostática. Sin embargo, en el caso de dos protones sin neutrones, la repulsión electromagnética sería tan intensa que no permitiría la formación de un núcleo estable. Esta es la razón por la cual el helio-2 no puede existir como un átomo estable. La necesidad de la presencia de neutrones, que no experimentan la repulsión electrostática, es esencial para equilibrar las fuerzas en el núcleo y permitir la estabilidad nuclear.

(3.4) La estabilidad

No hay una fórmula simple y única que indique cuántos protones se requieren para mantener un número dado de neutrones o viceversa en un núcleo atómico. La relación entre protones y neutrones en un núcleo varía según el elemento químico y el isótopo específico. Sin embargo, hay algunas tendencias generales:

1 Regla del valle de estabilidad: Los núcleos más estables, aquellos que tienen una cantidad equilibrada de protones y neutrones, suelen encontrarse a lo largo de la "isla de estabilidad". Esta región sugiere que, en general, a medida que aumenta el número de protones, también debe aumentar el número de neutrones para mantener la estabilidad nuclear.

Figura 3.2. Gráfico de Núclidos (Isótopos) por Energía de Enlace: El gráfico muestra los núclidos (isótopos) dispuestos según su energía de enlace, representando el valle de estabilidad. La línea diagonal corresponde a igual número de neutrones y protones. Los cuadrados de color azul oscuro representan los núclidos con la mayor energía de enlace, lo que significa que son los núclidos más estables. La energía de enlace es máxima a lo largo del fondo del valle de estabilidad. Para determinar la configuración específica de protones y neutrones para un isótopo particular, se utilizan modelos nucleares y técnicas experimentales como la espectroscopía de masas. Estas consideran factores como la energía de enlace nuclear y las interacciones nucleares para predecir la estabilidad de un núcleo en particular.

2 Regla del equilibrio: Los núcleos más estables tienen una proporción aproximada de 1:1 entre protones y neutrones. Sin embargo, esto es solo una tendencia general, y hay muchas excepciones, especialmente para núcleos más pesados.

3 Efecto del número atómico: En elementos ligeros, los núcleos pueden ser más estables con un exceso de neutrones. A medida que aumenta el número atómico, la proporción de neutrones necesaria para la estabilidad disminuye.

4 Regla de los números mágicos: Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 o 126 protones o neutrones son generalmente más estables que aquellos que no poseen estos números. Por ejemplo, el estaño (Sn), con número atómico 50, tiene 10 isótopos estables, mientras que el antimonio (Sb), con número atómico 51, tiene solo 2 isótopos estables. Los números 2, 8, 20, 50, 82 y 126 son llamados "números mágicos". La importancia de estos números para la estabilidad nuclear es similar a los números de electrones asociados con los gases nobles altamente estables (es decir, 2, 10, 18, 36, 54 y 86 electrones). Estos números mágicos indican configuraciones particulares de protones y neutrones que contribuyen a la estabilidad del núcleo.

5 Estabilidad con Números Pares: Los núcleos con números pares tanto de protones como de neutrones son generalmente más estables que aquellos con números impares de estas partículas.

6 Radioactividad en Números Atómicos Altos: Todos los isótopos de elementos con números atómicos mayores que 83 son radioactivos. Además, todos los isótopos de tecnecio (Tc, Z = 43) y de prometio (Pm, Z = 61) son radioactivos.

(4) Reacciones nucleares estandarizadas

Similar a las reacciones químicas clásicas, las reacciones nucleares buscan incrementar la estabilidad del sistema. En el caso de los decaimientos radioactivos, los núcleos inestables, que no cumplen con las reglas de estabilidad y se encuentran fuera del valle de estabilidad, experimentan procesos para alcanzar una configuración más estable. Este movimiento hacia la estabilidad implica la emisión o absorción de partículas durante el proceso. Al igual que en las reacciones químicas clásicas, las reacciones nucleares siguen procesos estandarizados, categorías denominadas "reacciones nucleares estándar". Estas categorías incluyen:

1. Decaimiento beta: Emisión de una partícula beta $_{-1}^{0}\beta$ o positrón $_{1}^{0}\beta$.

2. Decaimiento alfa: Emisión de una partícula alfa (núcleo de helio, $_{2}^{4}\textrm{He}$.

3. Captura electrónica: Absorción de un electrón desde la capa electrónica.

4. Fisión nuclear: División de un núcleo en fragmentos más pequeños.

5. Fusión nuclear: Fusión de dos núcleos para formar uno más grande.

6. Desintegración gamma: Emisión de rayos gamma para alcanzar un estado más estable.

Estas categorías representan algunos de los procesos nucleares estándar que ocurren en busca de una mayor estabilidad. Experimentos clave, como el descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel en 1896 y los modelos propuestos por Marie y Pierre Curie, han contribuido a nuestra comprensión de estos fenómenos. Además, la formulación de teorías nucleares por científicos como Ernest Rutherford, James Chadwick y Niels Bohr ha marcado hitos cruciales en el desarrollo del conocimiento nuclear. Estos avances han tenido impactos significativos en la física y la tecnología, dando lugar, por ejemplo, a aplicaciones en medicina y generación de energía.

(4.1) Decaimiento beta

En física nuclear, el decaimiento beta (β-decay) es un tipo de desintegración radioactiva en la que un núcleo atómico emite una partícula beta (un electrón rápido y energético o un positrón), transformándose en un isóbaro de ese núclido. Por ejemplo, el decaimiento beta de un neutrón lo convierte en un protón al emitir un electrón acompañado de un antineutrino $ \bar{\nu} $;

\[_{0}^{1}\textrm{n} \ \rightarrow \ _{1}^{1}\textrm{x} \ +\ _{-1}^{0}\beta \ + \ _{-0}^{0}\bar{\nu} \]

Eq 4.1. Decaimiento beta del neutrón: La partícula $x$ que acompaña a la beta generada debe poseer las propiedades del protón para mantener las leyes de conservación del número de masa ($\Sigma A = 1$) tanto en reactivos como en productos, y ($\Sigma Z = 0$) tanto en reactivos como en productos. El antineutrino posee números de masa y carga cero.

o, inversamente, un protón se convierte en un neutrón al emitir un positrón con un neutrino en lo que se llama emisión de positrones. Ni la partícula beta ni su (anti-)neutrino asociado existen dentro del núcleo antes del decaimiento, sino que se crean en el proceso de desintegración. A través de este proceso, los átomos inestables logran una proporción más estable de protones a neutrones. La probabilidad de que un núclido se desintegre debido al decaimiento beta y otras formas de desintegración está determinada por su energía de enlace nuclear. Las energías de enlace de todos los nuclidos existentes forman lo que se llama la banda nuclear o valle de estabilidad. Para los ejercicios de lápiz y papel, no consideraremos la emisión de antineutrinos a menos que se indique en el enunciado.

Ejemplo: Prediga el núcleo generado por un decaimiento beta para el carbono-14; potasio-40; y zirconio-97.

(4.2) Decaimiento alfa

En el ámbito de la física nuclear, el decaimiento alfa es un fenómeno de desintegración radioactiva en el cual un núcleo atómico emite una partícula alfa, compuesta por dos protones y dos neutrones, conocida también como núcleo de helio-4 ($_{2}^{4}\alfa$). Este proceso transforma el núcleo original en otro isóbaro, manteniendo el número de masa total del sistema. Por ejemplo, en el decaimiento alfa de un núcleo de uranio-238 ($_{92}^{238}\textrm{U}$), se libera una partícula alfa y se transforma en torio-234 ($_{90}^{234}\textrm{Th}$):

\[_{92}^{238}\textrm{U} \ \rightarrow \ \ _{90}^{234}\textrm{Th} \ +\ \ _{2}^{4}\textrm{He} \]

Eq 4.2. La partícula alfa emitida consiste en dos protones y dos neutrones, y su liberación tiene como objetivo alcanzar una configuración nuclear más estable. Este fenómeno obedece a las leyes de conservación, donde se mantiene la suma total de la carga eléctrica ($\Sigma Z$) y la masa ($\Sigma A$) en los reactivos y productos.

La desintegración alfa ocurre comúnmente en los núcleos más pesados. Teóricamente, este proceso solo puede ocurrir en núcleos un poco más pesados que el níquel (elemento 28), donde la energía de unión total por nucleón ya no es máxima y los núcleos son inestables ante procesos tipo fisión espontánea. En la práctica, este tipo de desintegración solo se ha observado en núcleos considerablemente más pesados que el níquel, siendo el emisor alfa más ligero conocido el segundo isótopo más liviano de antimonio, Sb-104. Sin embargo, de manera excepcional, el berilio-8 se desintegra en dos partículas alfa.

La desintegración alfa es, con mucho, la forma más común de desintegración por grupos, donde el átomo padre emite una colección definida de nucleones como descendencia, dejando otro producto definido. Es la forma más común debido a la combinación de una energía de unión nuclear extremadamente alta y una masa relativamente pequeña de la partícula alfa. Al igual que otras desintegraciones por grupos, la desintegración alfa es fundamentalmente un proceso de túnel cuántico. A diferencia de la desintegración beta, está gobernada por la interacción entre la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética.

Las partículas alfa tienen una energía cinética típica de 5 MeV (o ≈ 0.13% de su energía total, 110 TJ/kg) y una velocidad de aproximadamente 15 000 000 m/s, o el 5% de la velocidad de la luz. Existe una variación sorprendentemente pequeña alrededor de esta energía, debido a la fuerte dependencia del tiempo de vida medio de este proceso con la energía producida. Debido a su masa relativamente grande, carga eléctrica de $z$= 2 y velocidad relativamente baja, las partículas alfa tienen una alta probabilidad de interactuar con otros átomos, perder su energía y su movimiento puede ser detenido por unos pocos centímetros de aire.

Aproximadamente el 99% del helio producido en la Tierra es resultado de la desintegración alfa en depósitos subterráneos de minerales que contienen uranio o torio. El helio se lleva a la superficie como un subproducto de la producción de gas natural.

Ejemplo: Prediga el núcleo generado por un decaimiento alfa para el radón-226.

(4.3) Emisión de Positrones

En la física nuclear, la emisión de positrones es un tipo de desintegración radioactiva en la que un núcleo atómico libera un positrón, una partícula con carga positiva igual a la de un electrón pero con masa idéntica. Este proceso transforma el núcleo emisor en un isóbaro de ese nuclido específico. Un ejemplo de este fenómeno es cuando un protón se convierte en un neutrón al liberar un positrón junto con un neutrino. La ecuación que representa este proceso es:

\[_{1}^{1}\textrm{H} \ \rightarrow \ _{0}^{1}\textrm{n} \ +\ _{1}^{0}\beta^+ \ + \ _{0}^{0}\nu_e \]

Eq 4.3. En esta reacción, el positrón ($_{1}^{0}\beta^+$) liberado lleva las propiedades del electrón pero con carga positiva. La conservación de las leyes nucleares dicta que la suma de la masa ($\Sigma A$) debe ser constante tanto en los reactivos como en los productos, al igual que la conservación de la carga ($\Sigma Z$), que también debe mantenerse constante en ambos lados de la ecuación. El neutrino ($_{0}^{0}\nu_e$) posee masa y carga cero.

En el contexto de la notación nuclear, donde ($Z$) representa la carga y ($A$) el número másico del átomo, la carga del positrón se infiere de manera natural al especificar el valor de ($Z$) cuando ($A$)=0. Al mencionar que $_{1}^{0}\beta$ se sobreentiende que tiene una carga positiva, ya que su presencia en la ecuación implica que ($Z$) es positivo. La notación con superíndice no es necesaria para indicar la carga en este caso particular.

Ejemplo: Prediga la partícula generada si un protón emite un positrón.

(4.4) Captura de electrones

En la captura electrónica, un núcleo atómico captura un electrón de la capa electrónica interna, transformando un protón en un neutrón. Este proceso puede expresarse mediante la ecuación:

\[ _{18}^{37}\textrm{Ar} \ +\ _{-1}^{0}\textrm{e} \ \rightarrow \ _{17}^{37}\textrm{Cl} + \ _{0}^{0}\nu_e \]

Eq 4.4. Captura de electrones.

La captura electrónica es un proceso en el cual el núcleo rico en protones de un átomo eléctricamente neutro absorbe un electrón atómico interno, generalmente de las capas electrónicas K o L. Este proceso convierte un protón nuclear en un neutrón y, simultáneamente, provoca la emisión de un neutrino electrónico. La captura electrónica es un proceso en el cual el núcleo rico en protones de un átomo eléctricamente neutro absorbe un electrón atómico interno, generalmente de las capas electrónicas K o L. Este proceso convierte un protón nuclear en un neutrón y, simultáneamente, provoca la emisión de un neutrino electrónico.

Debido a que este único neutrino emitido lleva toda la energía de desintegración, tiene esta única energía característica. De manera similar, el momento de la emisión del neutrino provoca que el átomo hijo se desprenda con un único momento característico. El nuclido hijastro resultante, si se encuentra en un estado excitado, luego transita a su estado fundamental. Por lo general, se emite un rayo gamma durante esta transición, pero la desexcitación nuclear también puede tener lugar mediante la conversión interna.

Tras la captura de un electrón interno del átomo, un electrón externo reemplaza al electrón que fue capturado y se emiten uno o más fotones de rayos X característicos en este proceso. A veces, la captura electrónica también resulta en el efecto Auger, donde un electrón es eyectado de la capa electrónica del átomo debido a interacciones entre los electrones del átomo en el proceso de buscar un estado de energía más bajo.

Después de la captura electrónica, el número atómico se reduce en uno, el número de neutrones se incrementa en uno, y no hay cambio en el número de masa. La simple captura electrónica por sí sola resulta en un átomo neutro, ya que la pérdida del electrón en la capa electrónica se equilibra con una pérdida de carga nuclear positiva. Sin embargo, la emisión adicional de electrones Auger puede generar un ion atómico positivo.

La captura electrónica es un ejemplo de interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales. La captura electrónica es la principal forma de desintegración para los isótopos con una superabundancia relativa de protones en el núcleo, pero con una diferencia de energía insuficiente entre el isótopo y su posible hijastro (el isóbaro con una carga positiva menos) para que el nuclido se desintegre emitiendo un positrón. La captura electrónica siempre es un modo de desintegración alternativo para los isótopos radiactivos que sí tienen suficiente energía para desintegrarse mediante la emisión de positrones. A veces, la captura electrónica se incluye como un tipo de desintegración beta, porque el proceso nuclear básico, mediado por la fuerza débil, es el mismo. En física nuclear, la desintegración beta es un tipo de desintegración radioactiva en la cual se emite una partícula beta (un electrón rápido y energético o un positrón) y un neutrino desde un núcleo atómico. A veces, se llama a la captura electrónica como desintegración beta inversa, aunque este término suele referirse a la interacción de un antineutrino electrónico con un protón.

Si la diferencia de energía entre el átomo padre y el átomo hijo es menor a 1.022 MeV, se prohíbe la emisión de positrones, ya que no hay suficiente energía de desintegración disponible para permitirlo, y así la captura electrónica es el único modo de desintegración. Por ejemplo, el rubidio-83 (37 protones, 46 neutrones) se desintegra a kriptón-83 (36 protones, 47 neutrones) únicamente por captura electrónica (la diferencia de energía, o energía de desintegración, es de aproximadamente 0.9 MeV).

Ejemplo: Prediga el núcleo generado por captura de electrones para el argón-37 y el hierro-55.

(4.5) Decaimiento Gama

Un modo adicional de desintegración es la emisión gamma, mediante la cual se emiten rayos gamma desde un núcleo excitado. Esta emisión de radiación gamma es análoga a un átomo en estado excitado emitiendo fotones cuando el átomo regresa al estado fundamental. Muchas desintegraciones nucleares resultan en un estado excitado del núcleo, por lo que la emisión gamma a menudo ocurre junto con otros tipos de desintegración (especialmente, la desintegración beta). Un ejemplo de emisión gamma es:

\[ _{38}^{90}\textrm{Sr} \ \rightarrow \ _{39}^{90}\textrm{Y} \ + \ _{-1}^{0}\beta \ + \gamma \]

Eq 4.5. Decaimiento gama del Sr-90.

Ejemplo: Prediga el núcleo generado por decaimiento gama para el tecnecio-99.

(5) Estequiometría nuclear

La estequiometría nuclear es una rama de la química nuclear que se ocupa de las relaciones cuantitativas entre los reactantes y productos en las reacciones nucleares. A diferencia de la estequiometría química convencional, que involucra la masa y el número de moles de átomos en las reacciones químicas, la estequiometría nuclear se centra en las cantidades de partículas nucleares, como protones, neutrones y núcleos atómicos.

En el ámbito nuclear, las reacciones implican cambios en los núcleos atómicos, dando lugar a la emisión o absorción de partículas subatómicas y, en ocasiones, liberando una cantidad significativa de energía. La estequiometría nuclear se convierte así en una herramienta esencial para comprender y cuantificar estos procesos.

Los conceptos clave de la estequiometría nuclear incluyen la conservación de la carga y del número de nucleones (protones y neutrones) durante las reacciones nucleares. Además, se considera la masa y la energía liberada o absorbida en estas transformaciones nucleares.

La ecuación clave que subyace en la estequiometría nuclear es la famosa relación masa-energía propuesta por Albert Einstein, expresada a través de la famosa ecuación $E=m \cdot c^2$. Esta ecuación establece que la energía (E) es igual a la masa (m) multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado $c^2$. En el contexto de la estequiometría nuclear, esta relación se utiliza para calcular la energía liberada o absorbida durante las reacciones nucleares. La conversión de pequeñas cantidades de masa en grandes cantidades de energía es un fenómeno central en la física nuclear y ha dado lugar a avances significativos en tecnologías como la energía nuclear y la medicina nuclear. La estequiometría nuclear, fundamentada en esta ecuación, proporciona un enfoque cuantitativo para entender cómo los cambios en la masa de los núcleos atómicos se traducen en cambios correspondientes en la energía, siendo esencial para el diseño y la aplicación práctica de numerosas tecnologías nucleares.

(5.1) Energía en una reacción nuclear

El sol es una esfera gigante tan caliente que los núcleos y electrones se mueven de manera independiente. Representa el 99.86% de la masa de nuestro sistema solar y está compuesto por un 73.8% de hidrógeno, un 24.8% de helio y un 1.4% de otros elementos. La mayor parte de la energía del sol se genera en su núcleo mediante la fusión de núcleos de hidrógeno para formar núcleos de helio. Estas reacciones nucleares pueden liberar cantidades enormes de energía, mucho más que las involucradas en las reacciones químicas más energéticas. La superficie del sol libera esta energía como radiación electromagnética acompañada por una corriente de partículas cargadas llamada viento solar. Estallidos de radiación y partículas surgen continuamente desde la superficie, produciendo llamaradas solares. En esta sección, hablamos sobre los procesos involucrados en las reacciones nucleares y nuestros intentos de aprovecharlas. Al final de la sección, deberías poder: Calcular cambios en masa y energía para reacciones nucleares. Demostración: Demuestre una ecuación general para calcular la energía en una reacción nuclear para un solo evento de reacción, para una cantidad de núcleo consumido o liberado.

\[\Delta \dot{E}=\Sigma (\nu_J \cdot Ar_J^o)\cdot \Xi \cdot \dot{E}_u\]	Eq 5.1. Energía de la reacción nuclear para eventos de reacción unitarias en término de la suma de las masas relativas de las partículas involucradas, el número de eventos de reacción $\Xi$ y la constante de energía atómica $\dot{E}_u$ = 1.494×10^-10 J = 932 MeV
\[\Delta E^{o}=\Sigma (\nu_J \cdot Ar_J^o) \cdot E_u^{o}\]	Eq 5.2. Energía de la reacción nuclear estándar para 1 mol de reacción, en términos de la constante de energía molar $E^{o}$ = 8.9874×10¹³ J/mol.
\[\Delta E= \left \| \frac{n_J}{\nu_j} \right \| \cdot \Delta E^{o} \]	Eq 5.3. Energía de la reacción nuclear para una cantidad arbitraria de alguna sustancia consumida o producida $n_J$.
\[ Ar_J^o = \text{Ar}_J - N_{eJ} \cdot Ar_e \]	Eq 5.4. Masa relativa de un núcleo (J) desnudo $Ar_J^o$ en términos de la masa relativa del isótopo $Ar_J$, el número de electrones de ese núcleo J $ N_{eJ}$ y la constante de masa relativa del electrón $Ar_e$=5.4858×10⁻⁴.
\[ \dot{E}_u=m_u \cdot c^2 \]	Eq 5.5. Constante de energía atómica/masa atómica $\dot{E}_u$ = 1.494×10^-10 J = 932 MeV. Representa la relación entre energía un una sola entidad definida por la constante de masa atómica.

Para resolver estos ejercicios es importante contar con las masas relativas de partículas relevantes: constante de masa del protón $Ar_p$ = 1.007276; constante de masa del neutrón $Ar_n$ = 1.008664; constante de masa del electrón $Ar_e$ = 5.4858×10⁻⁴.

Química de Brown 15ed. Ejemplo 21.8. ¿Cuánta energía se pierde o se gana cuando 1 mol de cobalto-60 experimenta desintegración beta, ⁶⁰₂₇Co→⁶⁰₂₈Ni + β? La masa de un átomo de Co-60 es de 59.933819 u, y la de un átomo de Ni-60 es de 59.930788 u.

Los cálculos utilizando la ecuación de Einstein solo arrojan resultados significativos en términos de producción de energía cuando se aplican a reacciones nucleares estándar. En contraste, las reacciones químicas estándar, aunque implican una pérdida de masa y conversión a energía, generan valores tan insignificantes que su presencia se ve oscurecida por el redondeo

(5.2) Energía de enlace nuclear

Una medida cuantitativa de la estabilidad nuclear es la energía de enlace nuclear, que es la energía necesaria para descomponer un núcleo en sus protones y neutrones componentes. Esta cantidad representa la conversión de masa en energía que ocurre durante una reacción nuclear exotérmica y siempre es una cantidad positiva. El concepto de energía de enlace nuclear surgió a partir de investigaciones sobre las propiedades nucleares que muestran que las masas de los núcleos siempre son menores que la suma de las masas de los nucleones, un término general para referirse a los protones y neutrones en un núcleo. Demostración: A partir de la suma de los nucleones y utilizando la ecuación de Einstein que relaciona la energía y la masa, vamos a derivar una función para calcular la energía liberada durante la formación de un núcleo por núcleo, por mol o estándar y por nucleón.

\[ \dot{B}_{J} = -\left( Z(Ar_{p} + \text{{Ar}}_{e}) + (A-Z) \text{{Ar}}_{n} - \text{{Ar}}_{J} \right)\cdot \dot{E}_u \]	Eq 5.6. Energía de enlace nuclear por partícula (J) $\dot{B}_{J}$, formula en términos del número de carga $Z$, el número de masa $A$, la masa relativa del protón $Ar_p$ = 1.007276, la masa relativa del neutrón $Ar_n$=1.008664, la masa relativa del elemento $Ar_J$, y la constante de energía atómica/masa atómica $\dot{E}_u$ = 1.494×10^-10 J = 932 MeV.
\[B^\circ = \dot{B}_{J} \cdot N_A\]	Eq 5.7. Energía de enlace nuclear estándar (J/mol o kJ/mol), formula en términos de la energía de enlace nuclear por partícula y la constante de Avogadro 6.022 x 10²³ mol^-1.
\[\ddot{B}_{J} = \frac{\dot{B}_{J}}{A}\]	Eq 5.8. Energía de enlace nuclear por partícula por nucleón.

Recuerda que el $Ar_J$ no es el valor para peso atómico en la tabla periódica, ya que el que aparece allí es $\bar{Ar}_J$ es decir un valor promedio ponderado a la frecuencia de cada isótopo, mientras que $Ar_J$ será el peso atómico de un solo isótopo puro.

Ejemplo. Calcular la energía de enlace nuclear por partícula, estándar y por nucleón para la formación 1 mol de fluor-19.

La energía de enlace nuclear por partícula por nucleón nos permite comparar la estabilidad de todos los núcleos de una manera común. En la Figura 5.1 se muestra la variación de la energía de enlace nuclear por nucleón en función del número de masa. Como puedes observar, la curva aumenta bastante rápidamente. Las energías de enlace más altas por nucleón pertenecen a elementos con números de masa intermedios, entre 40 y 100, y son mayores para elementos en la región del hierro, cobalto y níquel (los elementos del Grupo 8-10) de la tabla periódica. Esto significa que las fuerzas atractivas netas entre las partículas (protones y neutrones) son mayores para los núcleos de estos elementos.

Figura 5.1. Gráfico que ilustra la relación entre la energía de enlace nuclear por nucleón y el número de masa.

Ejemplo 19.2. La masa atómica es 126.9004 uma. Calcula la energía de enlace nuclear de este núcleo y la correspondiente energía de enlace nuclear por nucleón.

(6) Radioactividad natural

Los núcleos fuera de la franja de estabilidad, así como los núcleos con más de 83 protones, tienden a ser inestables. La emisión espontánea de partículas o radiación electromagnética, o ambas, por núcleos inestables se conoce como radiactividad. Los principales tipos de radiación son partículas α (o núcleos de helio con carga doble, He²⁺), partículas β (o electrones), rayos γ, que son ondas electromagnéticas de longitud muy corta (0.1 nm a 10^-4 nm); emisión de positrones; y captura de electrones. La desintegración de un núcleo radiactivo suele ser el inicio de una serie de descomposiciones radiactivas, que es una secuencia de reacciones nucleares que finalmente resultan en la formación de un isótopo estable.

(6.1) Series de decaimiento

La Figura 5.2 muestra la serie de descomposición del uranio-238 que se encuentra naturalmente, la cual involucra 14 pasos. Este esquema de descomposición, conocido como la serie de descomposición del uranio, también muestra los periodos de semidesintegración de todos los productos intermedios.

Figura 6.1. Serie de decaimiento natural del uranio-238. En cada flecha se indica el tipo de decaimiento efectuado en cada paso.

Hay varias series de descomposición radioactiva importantes en la naturaleza. Algunas de las más destacadas incluyen:

(a) Serie de Desintegración del Uranio-235: Similar a la serie del U-238, comienza con el Uranio-235 (U-235) y finaliza en el Plomo-207 (Pb-207) a través de varios productos intermedios.

(b) Serie de Desintegración del Torio-232: Inicia con el Torio-232 (Th-232) y concluye en el Plomo-208 (Pb-208) mediante distintos elementos, como el Radón-220 (Rn-220) y el Bismuto-212 (Bi-212).

(c) Producción de Carbono-14 en la Atmósfera: La interacción de los rayos cósmicos con el nitrógeno en la atmósfera produce Carbono-14 (C-14), que luego se incorpora en la materia orgánica y puede utilizarse en la datación por radiocarbono.

(d) Desintegración del Potasio-40: El Potasio-40 (K-40) se desintegra en Argón-40 (Ar-40) por emisión de partículas beta. Es importante en la datación de rocas y minerales.

Estas series de descomposición son esenciales para comprender la evolución temporal de diferentes elementos en la Tierra y se utilizan en la datación de materiales arqueológicos, geológicos y ambientales.

(6.2) Cinética del decaimiento radioactivo

En el capítulo de cinética química, se presentan las ecuaciones que describen la cinética de reacción. Los experimentos llevados a cabo con isótopos radiactivos han sido fundamentales para validar la cinética de primer orden en el proceso de desintegración. Estos experimentos implican la observación y medición precisa de la descomposición de átomos radiactivos a lo largo del tiempo. Los resultados obtenidos han demostrado de manera consistente que la relación entre la cantidad de material radiactivo y el tiempo de desintegración sigue la denominada "ley de desintegración radiactiva".

Considerando lo expuesto, optamos por adaptar las ecuaciones fundamentales de la cinética de primer orden al contexto de las desintegraciones radioactivas. En términos prácticos, nos enfocaremos principalmente en la ecuación que describe la vida media del material radiactivo.

\[c_{i}= c_{oi} \cdot e^{-k \cdot t} \]	Eq 6.1. Ley de cinética de primer orden.
\[t_{med}=\frac{0.693}{k} \]	Eq 6.2. Ecuación de la vida media, la constante de la cinética de primer orden $k$ puede cambiar de símbolo según la fuente como $\lambda$.

Esta elección se justifica por varios motivos. En primer lugar, la cinética de primer orden se basa en la premisa de una probabilidad constante de desintegración, lo cual es inherente al proceso radiactivo. Esta probabilidad constante implica que la tasa de desintegración no está influenciada por la cantidad inicial de átomos radiactivos, simplificando el modelo y permitiendo una descripción matemáticamente manejable del fenómeno.

La cinética de primer orden en las reacciones de desintegración radioactiva tiene varias implicaciones significativas, especialmente en relación con la independencia de las condiciones fisicoquímicas. Aquí se destacan algunas de estas implicaciones y su relevancia, especialmente en el contexto de utilizar estos procesos como marcadores de tiempo:

(6.3) Independencia de las condiciones fisicoquímicas:

La cinética de primer orden implica que la tasa de desintegración es independiente de las condiciones externas, como la temperatura, la presión y la concentración inicial del material radiactivo. Esta propiedad es crucial para la aplicación de los isótopos radiactivos como marcadores de tiempo, ya que permite una medida más precisa y constante del tiempo transcurrido.

(a) Uniformidad en la desintegración a lo largo del tiempo: La independencia de las condiciones fisicoquímicas significa que la tasa de desintegración se mantiene constante a lo largo del tiempo. Esto conduce a una disminución exponencial predecible en la cantidad de material radiactivo, lo que facilita la determinación precisa del tiempo transcurrido y la estimación de la vida media del isótopo.

(b) Aplicaciones en datación y cronología: Dado que las reacciones de desintegración radioactiva son independientes de las condiciones externas, los isótopos radiactivos se utilizan comúnmente en la datación de materiales arqueológicos, geológicos y paleontológicos. La constancia en la velocidad de descomposición permite establecer correlaciones temporales fiables y determinar la antigüedad de muestras con precisión.

(c) Marcadores en procesos biológicos y médicos: La cinética de primer orden también se aplica en procesos biológicos, como la utilización de isótopos radiactivos en medicina nuclear. La independencia de las condiciones permite que estos isótopos sirvan como marcadores temporales en procesos biológicos, como la absorción y eliminación de sustancias, facilitando la monitorización y el diagnóstico médico.

(d) Estabilidad en entornos cambiantes: La independencia de las condiciones físicas y químicas hace que los isótopos radiactivos sean estables como marcadores temporales incluso en entornos cambiantes. Esta estabilidad es esencial para su aplicación en diversas disciplinas, desde la investigación científica hasta la medicina y la datación histórica.

(e) Métodos de datación radiométrica: https://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2023/05/geologia.html#6

(7) Transmutación nuclear

La transmutación nuclear es la transformación de un elemento químico o de un isótopo en otro elemento químico. La transmutación nuclear ocurre en cualquier proceso en el que el número de protones o neutrones en el núcleo de un átomo cambia. Una transmutación puede lograrse ya sea mediante reacciones nucleares (en las que una partícula externa reacciona con un núcleo) o mediante la descomposición radiactiva, donde no se necesita una causa externa.

(7.1) La alquimia

El término "transmutación" tiene sus raíces en la alquimia. Los alquimistas buscaban la piedra filosofal, capaz de realizar la "crisopeya", que es la transformación de metales comunes en oro. Aunque los alquimistas a menudo entendían la crisopeya como una metáfora de un proceso místico o religioso, algunos practicantes adoptaron una interpretación literal e intentaron crear oro mediante experimentos físicos. La imposibilidad de la transmutación metálica fue objeto de debate entre alquimistas, filósofos y científicos desde la Edad Media. La transmutación alquímica falsa fue prohibida y ridiculizada públicamente a partir del siglo XIV. Alquimistas como Michael Maier y Heinrich Khunrath escribieron documentos exponiendo afirmaciones fraudulentas sobre la creación de oro. Para la década de 1720, ya no había figuras respetables que buscaran la transmutación física de sustancias en oro. Antoine Lavoisier, en el siglo XVIII, reemplazó la teoría alquímica de los elementos con la teoría moderna de los elementos químicos, y John Dalton desarrolló aún más la noción de átomos (a partir de la teoría alquímica de corpúsculos) para explicar varios procesos químicos. La desintegración de los átomos es un proceso distinto que implica energías mucho mayores de las que podrían lograr los alquimistas (Chalupa & Nesměrák, 2021; Eliade & Ledesma, 1974; Hedesan, 2014; Newman & Principe, 1998).

(7.2) Física moderna

La palabra "transmutación" se aplicó por primera vez conscientemente a la física moderna por Frederick Soddy cuando, junto con Ernest Rutherford en 1901, descubrieron que el torio radiactivo se estaba convirtiendo en radio. En el momento de darse cuenta, Soddy recordó más tarde que gritó: "¡Rutherford, esto es transmutación!" Rutherford respondió de inmediato: "Por el amor de Dios, Soddy, no lo llames transmutación. Nos cortarán la cabeza como a alquimistas". Rutherford y Soddy estaban observando la transmutación natural como parte de la descomposición radiactiva del tipo de desintegración alfa. La primera transmutación artificial se logró en 1925 por Patrick Blackett, un investigador que trabajaba bajo la dirección de Rutherford, con la transmutación de nitrógeno en oxígeno, utilizando partículas alfa dirigidas hacia el nitrógeno (Asprem, 2011; Badash, 1966; Ragai, 1992).

Cuando bombardeó una muestra de nitrógeno con partículas alfa, ocurrió la siguiente reacción $ _{7}^{14}\textrm{N} + _{2}^{4} \alpha \ \rightarrow \ _{8}^{17}\textrm{O} \ + \ _{1}^{1}\textrm{p} $ se produjo un isótopo de oxígeno-17 con la emisión de un protón. Esta reacción demostró por primera vez que era posible convertir un elemento en otro mediante el proceso de transmutación nuclear. La transmutación nuclear difiere de la descomposición radioactiva en que la primera se produce por la colisión de dos partículas. La reacción anterior puede abreviarse así $ _{7}^{14}\textrm{N} ( \alpha, \ \textrm{p}) _{8}^{17}\textrm{O} $. Observa que en los paréntesis se escribe primero la partícula que impacta y luego la partícula expulsada .

Química de Chang 14ed. Ejemplo 19.3. Escribe la ecuación balanceada para la reacción nuclear donde ⁵⁶₂₆Fe(d, α)⁵⁴₂₅Mn, donde d representa el núcleo de deuterio ²₁H.

En 1919, Rutherford demostró que un protón (lo llamó un átomo de hidrógeno) era emitido en experimentos de bombardeo alfa, pero no tenía información sobre el núcleo residual. Los experimentos de Blackett de 1921 a 1924 proporcionaron la primera evidencia experimental de una reacción artificial de transmutación nuclear. Blackett identificó correctamente el proceso de integración subyacente y la identidad del núcleo residual. En 1932, los colegas de Rutherford, John Cockcroft y Ernest Walton, lograron una reacción nuclear y transmutación nuclear completamente artificial, utilizando protones artificialmente acelerados contra litio-7 para dividir el núcleo en dos partículas alfa. El logro fue conocido popularmente como "dividir el átomo", aunque no fue la reacción moderna de fisión nuclear descubierta en 1938 por Otto Hahn, Lise Meitner y su asistente Fritz Strassmann en elementos pesados. En 1941, Rubby Sherr, Kenneth Bainbridge y Herbert Lawrence Anderson informaron sobre la transmutación nuclear de mercurio a oro (Sherr, Bainbridge, & Anderson, 1941).

Más tarde, en el siglo XX, se elaboró la transmutación de elementos dentro de las estrellas, explicando la abundancia relativa de elementos más pesados en el universo. A excepción de los primeros cinco elementos, que se produjeron en el Big Bang y otros procesos de rayos cósmicos, la nucleosíntesis estelar explicó la abundancia de todos los elementos más pesados que el boro. En su artículo de 1957 "Síntesis de los Elementos en las Estrellas", William Alfred Fowler, Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge y Fred Hoyle explicaron cómo las abundancias de prácticamente todos los elementos químicos, excepto los más ligeros, podían explicarse mediante el proceso de nucleosíntesis en las estrellas (Burbidge, Burbidge, Fowler, & Hoyle, 1957).

(7.3) Crisopeya moderna

La síntesis de metales preciosos implica el uso de reactores nucleares o aceleradores de partículas para producir estos elementos. El rutenio y el rodio son metales preciosos que se generan como un pequeño porcentaje de los productos de fisión resultantes de la fisión nuclear del uranio. Las semividas más largas de los radioisótopos de estos elementos generados por la fisión nuclear son de 373.59 días para el rutenio y 45 días para el rodio. Esto permite la extracción del isótopo no radioactivo del combustible nuclear gastado después de unos pocos años de almacenamiento, aunque se debe verificar la radioactividad del extracto debido a cantidades mínimas de otros elementos antes de su uso.

La crisopeya, la producción artificial de oro, es la meta tradicional de la alquimia. Tal transmutación es posible en aceleradores de partículas o reactores nucleares, aunque el costo de producción es actualmente muchas veces el precio de mercado del oro. Dado que solo existe un isótopo estable de oro, el 197Au, las reacciones nucleares deben crear este isótopo para producir oro utilizable.

En 1941, se sintetizó oro a partir de mercurio mediante bombardeo de neutrones, pero los isótopos de oro producidos eran todos radioactivos (Sherr et al., 1941). En 1924, un científico alemán, Adolf Miethe, informó haber logrado la misma hazaña, pero después de varios intentos de replicación en todo el mundo, se consideró un error experimental (Miethe, 1924).

En 1980, Glenn Seaborg transmutó varios miles de átomos de bismuto en oro en el Laboratorio Lawrence Berkeley. Su técnica experimental pudo quitar protones y neutrones de los átomos de bismuto. La técnica de Seaborg era demasiado cara para permitir la fabricación rutinaria de oro, pero su trabajo es el más cercano hasta ahora a emular un aspecto de la mítica Piedra Filosofal (Aleklett, Morrissey, Loveland, McGaughey, & Seaborg, 1981).

(7.4) Transmutaciones naturales

Se piensa que el Big Bang es el origen del hidrógeno (incluyendo todo el deuterio) y el helio en el universo. El hidrógeno y el helio juntos representan el 98% de la masa de la materia ordinaria en el universo, mientras que el otro 2% conforma todo lo demás. El Big Bang también produjo pequeñas cantidades de litio, berilio y tal vez boro. Más litio, berilio y boro se produjeron más tarde en una reacción nuclear natural llamada espoliación de rayos cósmicos (Johnson, Fields, & Thompson, 2020; Trimble, 2020; Vangioni & Cassé, 2017).

La nucleosíntesis estelar es responsable de todos los demás elementos que ocurren naturalmente en el universo como isótopos estables y nucléidos primordiales, desde el carbono hasta el uranio. Estos se formaron después del Big Bang, durante la formación de estrellas. Algunos elementos más ligeros, desde el carbono hasta el hierro, se formaron en estrellas y fueron liberados al espacio por estrellas de rama gigante asintótica (AGB, por sus siglas en inglés). Estas son un tipo de gigante roja que "suelta" su atmósfera externa, que contiene algunos elementos desde el carbono hasta el níquel y el hierro. Los nucléidos con un número de masa mayor que 64 son producidos principalmente por procesos de captura de neutrones, como el proceso s y el proceso r, en explosiones de supernovas y fusiones de estrellas de neutrones (Johnson et al., 2020; Trimble, 2020; Vangioni & Cassé, 2017).

Se cree que el Sistema Solar se condensó aproximadamente hace 4.6 mil millones de años a partir de una nube de hidrógeno y helio que contenía elementos más pesados en granos de polvo formados previamente por una gran cantidad de estrellas. Estos granos contenían los elementos más pesados formados por transmutación en las etapas iniciales del universo (O’D. Alexander, Boss, & Carlson, 2001; Palme & Jones, 2003; Prantzos, Abia, Cristallo, Limongi, & Chieffi, 2020).

Todos estos procesos naturales de transmutación en estrellas continúan hoy, tanto en nuestra propia galaxia como en otras. Las estrellas fusionan hidrógeno y helio en elementos cada vez más pesados (hasta llegar al hierro), produciendo energía. Por ejemplo, las curvas de luz observadas de estrellas de supernovas como SN 1987A muestran cómo expulsan grandes cantidades (comparables a la masa de la Tierra) de níquel y cobalto radioactivos al espacio. Sin embargo, poco de este material llega a la Tierra. La mayoría de la transmutación natural en la Tierra hoy en día es mediada por rayos cósmicos (como la producción de carbono-14) y por la descomposición radiactiva de nucléidos primordiales radioactivos que quedaron después de la formación inicial del Sistema Solar (como el potasio-40, uranio y torio), además de la descomposición radiactiva de los productos de estos nucléidos (radio, radón, polonio, etc.) (Draganic & Adloff, 2020; Lieser, 2013; Pertsov, 1967; Samuelsson, 1994; Thu, Van Thang, Loan, & Van Dong, 2019).

(8) Aceleradores de partículas

Un acelerador de partículas es una máquina que utiliza campos electromagnéticos para impulsar partículas cargadas a velocidades y energías muy altas, y para contenerlas en haces bien definidos (Belyaev, Ross, Belyaev, & Ross, 2021; Burkhardt, 2021; Shiltsev & Lebedev, 2014). Los aceleradores grandes se utilizan para investigaciones fundamentales en física de partículas. El acelerador más grande actualmente en funcionamiento es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cerca de Ginebra, Suiza, operado por CERN . Es un acelerador de colisiones, capaz de acelerar dos haces de protones a una energía de 6.5 TeV y hacer que colisionen frontalmente, creando energías de centro de masa de 13 TeV. Otros aceleradores potentes son el RHIC en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York y, anteriormente, el Tevatron en Fermilab, Batavia, Illinois (Wilson, 1977). Los aceleradores también se utilizan como fuentes de luz de sincrotrón para el estudio de la física de la materia condensada. Aceleradores de partículas más pequeños se emplean en una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo la terapia de partículas para fines oncológicos, la producción de radioisótopos para diagnósticos médicos, implantes de iones para la fabricación de semiconductores y espectrómetros de masas de aceleradores para mediciones de isótopos raros como el radiocarbono. Actualmente, hay más de 30 000 aceleradores en funcionamiento en todo el mundo.

Existen dos clases básicas de aceleradores: los electrostáticos y los electrodinámicos (o electromagnéticos). Los aceleradores de partículas electrostáticos utilizan campos eléctricos estáticos para acelerar partículas. Los tipos más comunes son el generador de Cockcroft-Walton y el generador de Van de Graaff. Un ejemplo a pequeña escala de esta categoría es el tubo de rayos catódicos en un televisor antiguo. La energía cinética alcanzable para las partículas en estos dispositivos está determinada por el voltaje de aceleración, que está limitado por la ruptura eléctrica.

Por otro lado, los aceleradores electrodinámicos o electromagnéticos utilizan campos electromagnéticos cambiantes (ya sea inducción magnética o campos de radiofrecuencia oscilantes) para acelerar partículas. Dado que en estos tipos las partículas pueden pasar a través del mismo campo de aceleración varias veces, la energía de salida no está limitada por la fuerza del campo de aceleración. Esta categoría, que se desarrolló por primera vez en la década de 1920, es la base de la mayoría de los aceleradores modernos a gran escala. Rolf Widerøe, Gustav Ising, Leó Szilárd, Max Steenbeck y Ernest Lawrence son considerados pioneros en este campo, ya que concibieron y construyeron el primer acelerador lineal de partículas operativo, el betatrón, y el ciclotrón.

Debido a que el objetivo de los haces de partículas de los primeros aceleradores solía ser los átomos de una muestra de materia, con el propósito de provocar colisiones con sus núcleos para investigar la estructura nuclear, en el siglo XX, los aceleradores eran comúnmente llamados "aplastadores de átomos". El término persiste a pesar de que muchos aceleradores modernos provocan colisiones entre dos partículas subatómicas en lugar de una partícula y un núcleo atómico.

Muchos isótopos sintéticos se preparan utilizando neutrones como proyectiles. Este enfoque es especialmente conveniente porque los neutrones no llevan cargas y, por lo tanto, no son repelidos por los objetivos, es decir, los núcleos. En cambio, cuando los proyectiles son partículas cargadas positivamente (por ejemplo, protones o partículas α), deben tener una considerable energía cinética para superar la repulsión electrostática entre ellos y los núcleos del objetivo. La síntesis de fósforo a partir de aluminio es un ejemplo de esto: reacción $ _{13}^{27}\textrm{Al} + _{2}^{4} \alpha \ \rightarrow \ _{15}^{30}\textrm{P} \ + \ _{0}^{1}\textrm{n} $.

Figura 8.1. Diagrama esquemático de un acelerador de partículas tipo ciclotrón. La partícula (un ión) que se va a acelerar comienza en el centro y se ve obligada a moverse en una trayectoria en espiral debido a la influencia de campos eléctricos y magnéticos hasta que emerge a alta velocidad. Los campos magnéticos son perpendiculares al plano de los "dees" (llamados así por su forma), que son huecos y sirven como electrodos.

Un acelerador de partículas utiliza campos eléctricos y magnéticos para aumentar la energía cinética de especies cargadas, de manera que ocurra una reacción (Figura 8.1). Alternar la polaridad (es decir, + y -) en placas especialmente construidas hace que las partículas se aceleren a lo largo de una trayectoria en espiral. Cuando tienen la energía necesaria para iniciar la reacción nuclear deseada, son guiadas fuera del acelerador hacia una colisión con una sustancia objetivo.

Figura 8.2. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha estado en las noticias desde su concepción en 1984. A lo largo de los años, nos ha brindado un tesoro de descubrimientos en el mundo de la física. Es verdaderamente un logro de la ingeniería que nos ha ayudado y sigue ayudándonos a comprender las reglas fundamentales del Universo a un ritmo asombroso.

Se han desarrollado varios diseños de aceleradores de partículas, uno de los cuales acelera partículas a lo largo de un camino lineal de aproximadamente 3 km (Figura 8.2). Ahora es posible acelerar partículas a una velocidad bien superior al 90 por ciento de la velocidad de la luz. (Según la teoría de la relatividad de Einstein, es imposible que una partícula se mueva a la velocidad de la luz. La única excepción es el fotón, que tiene una masa en reposo de cero.) Las partículas extremadamente energéticas producidas en aceleradores son utilizadas por los físicos para colisionar núcleos atómicos y estudiar los fragmentos resultantes. El estudio de los restos de tales desintegraciones proporciona información valiosa sobre la estructura nuclear y las fuerzas de unión.

El acelerador más grande del mundo es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), ubicado a 300 pies bajo tierra a lo largo de la frontera entre Francia y Suiza. Se encuentra dentro de un túnel circular de 17 millas de longitud. En 2012, los científicos en el LHC anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs. Se necesitan alrededor de 1 billón de colisiones de protones para producir un evento de bosón de Higgs. Aunque la existencia de esta partícula subatómica fue predicha en 1964, tomó casi 50 años demostrar su existencia.

(9) Elementos transuránicos

Los aceleradores de partículas hicieron posible sintetizar los llamados elementos transuránicos, que son elementos con números atómicos mayores a 92. El neptunio (Z = 93) fue preparado por primera vez en 1940. Desde entonces, se han sintetizado 25 elementos transuránicos adicionales. Todos los isótopos de estos elementos son radioactivos (Clark & Hobart, 2019).

De los elementos con números atómicos del 1 al 92, la mayoría se encuentran en la naturaleza, ya sea con isótopos estables (como el hidrógeno) o radioisótopos de vida muy larga (como el uranio), o como productos comunes de descomposición del uranio y el torio (como el radón). Las excepciones son los elementos 43, 61, 85 y 87; los cuatro ocurren en la naturaleza, pero solo en ramas muy pequeñas de las cadenas de descomposición del uranio y el torio, y por lo tanto, todos, excepto el elemento 87, fueron descubiertos por primera vez mediante síntesis en el laboratorio en lugar de encontrarse en la naturaleza (y incluso el elemento 87 fue descubierto a partir de muestras purificadas de su progenitor, no directamente de la naturaleza).

Todos los elementos con números atómicos más altos fueron descubiertos por primera vez en el laboratorio, y más tarde, el neptunio y el plutonio también fueron descubiertos en la naturaleza. Todos son radioactivos, con una vida media mucho más corta que la edad de la Tierra, por lo que cualquier átomo primordial de estos elementos, si alguna vez estuvieron presentes en la formación de la Tierra, se ha descompuesto desde hace mucho tiempo. Pequeñas cantidades de neptunio y plutonio se forman en algunas rocas ricas en uranio, y pequeñas cantidades se producen durante las pruebas atmosféricas de armas nucleares. Estos dos elementos se generan mediante la captura de neutrones en menas de uranio con subsiguientes descomposiciones beta (por ejemplo, ²³⁸U + n → ²³⁹U → ²³⁹Np → ²³⁹Pu).

Todos los elementos más pesados que el plutonio son completamente sintéticos; se crean en reactores nucleares o aceleradores de partículas. Las vidas medias de estos elementos muestran una tendencia general a disminuir a medida que aumentan los números atómicos. Sin embargo, hay excepciones, incluyendo varios isótopos de curio y dubnio. Se cree que algunos elementos más pesados en esta serie, alrededor de los números atómicos 110-114, rompen la tendencia y demuestran una mayor estabilidad nuclear, formando la teórica isla de estabilidad (K. Chapman, 2020, 2021; Ghosh, 2021; Hofmann, 2019).

Los elementos transuránicos pesados son difíciles y costosos de producir, y sus precios aumentan rápidamente con el número atómico. Hasta 2008, el costo del plutonio de calidad armamentística era de alrededor de $4 000/gramo, y el californio superaba los $60 000 000/gramo. El einstenio es el elemento más pesado que se ha producido en cantidades macroscópicas. Los elementos transuránicos que aún no se han descubierto, o se han descubierto pero aún no tienen nombres oficiales, utilizan los nombres sistemáticos de elementos de la IUPAC. La denominación de los elementos transuránicos puede ser motivo de controversia.

(9.1) Transuránicos naturales

La presencia de plutonio y neptunio en la naturaleza es muy escasa en la Tierra. En primer lugar, hay trazas de plutonio-244 que datan de los primeros momentos de la formación terrestre. Con una vida media de 80 millones de años, prácticamente no queda plutonio-244 desde ese período inicial. El plutonio-244 experimenta una desintegración alfa, transformándose en uranio-240, que a su vez se descompone mediante desintegración beta para convertirse en neptunio-240 y, finalmente, en plutonio-240 (K. Chapman, 2020, 2021; Hofmann, 2019).

En segundo lugar, la fisión espontánea en depósitos de uranio libera neutrones, que ocasionalmente transforman el uranio-238 en uranio-239. Este último isótopo experimenta desintegración para dar lugar a neptunio-239 y, posteriormente, a plutonio-239. Finalmente, el uranio-238, en eventos muy raros, somete a una doble desintegración beta, resultando en la formación de plutonio-238. Estos procesos, que ocurren a lo largo de extensos períodos de tiempo, contribuyen a la presencia limitada de plutonio y neptunio en nuestro entorno natural.

(9.2) La isla de estabilidad

La última síntesis del elemento 117 en 2010 completó la tabla periódica hasta el ya creado elemento 118. Los científicos nucleares creen que algunos elementos más pesados pueden ocupar una "isla de estabilidad" en la que los átomos tienen vidas medias más largas. De manera análoga a la estructura electrónica de los átomos, los núcleos atómicos pueden considerarse como capas concéntricas de protones y neutrones. Los núcleos más estables ocurren cuando las capas más externas están llenas. Algunas teorías predicen que esto sucederá con 184 neutrones y 114, 120 o 126 protones, el presunto centro de la isla de estabilidad. A pesar de las considerables dificultades técnicas, los científicos tienen la esperanza de que algún día se sinteticen los elementos 119 y 120, y más allá. Los isótopos de estos elementos pueden tener vidas medias de segundos, días o incluso años. (En contraste, los superelementos pesados fabricados hasta ahora tienen vidas medias de fracciones de segundo). Es probable que encuentren aplicaciones en la industria y la medicina. La pregunta intrigante para los científicos es la siguiente: ¿La tabla periódica tiene un fin y, en ese caso, dónde termina? (K. Chapman, 2020)

(10) Fisión nuclear

La fisión nuclear es una reacción en la que el núcleo de un átomo se divide en dos o más núcleos más pequeños. El proceso de fisión a menudo produce fotones gamma y libera una cantidad muy grande de energía, incluso según los estándares energéticos de la desintegración radioactiva (Adamson, 2021; Bender et al., 2020; Bulgac, Jin, & Stetcu, 2020; Cameron, 2012; Schunck & Regnier, 2022; Srivastava, Pathak, & Perween, 2020; Vandenbosch, 2012).

(10.1) Historia

La historia de la fisión nuclear es una narrativa fascinante que se remonta a las primeras investigaciones sobre la radiactividad y las transmutaciones nucleares. En el inicio del siglo XX, la física nuclear estaba dando sus primeros pasos, y los científicos estaban ansiosos por entender los misterios del átomo. Uno de los primeros hitos en este viaje fue la investigación del científico británico Ernest Rutherford en 1919. En sus experimentos, Rutherford bombardeó átomos de nitrógeno con partículas alfa y observó una reacción peculiar: un isótopo de oxígeno, el oxígeno-17, se formó con la emisión de un protón. Este fenómeno marcó un precedente importante al demostrar la posibilidad de transformar un elemento en otro mediante la transmutación nuclear.

Estos descubrimientos iniciales allanaron el camino para la investigación más profunda sobre las reacciones nucleares. En la década de 1930, los científicos continuaron experimentando con la radiactividad y la transmutación de elementos. El químico italiano Enrico Fermi llevó a cabo estudios pioneros sobre la transmutación de elementos utilizando neutrones. En 1934, Fermi bombardeó átomos de uranio con neutrones y observó la formación de elementos más pesados. Este experimento allanó el camino para lo que sería conocido como fisión nuclear. La verdadera revelación llegó en 1938, cuando los físicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann, junto con la física austriaca Lise Meitner, realizaron experimentos con uranio y observaron que los núcleos de uranio se dividían en elementos más ligeros cuando eran bombardeados con neutrones. Este fenómeno, denominado fisión nuclear, marcó un punto de inflexión en la comprensión de la estructura atómica y abrió la puerta a un nuevo campo de investigación.

Figura 10.1. Otto Hahn (1879-1968) fue un destacado químico y físico alemán, nacido en Fráncfort. Pionero en la investigación nuclear, Hahn realizó contribuciones significativas en la fisión nuclear. En colaboración con Fritz Strassmann y Lise Meitner, descubrió la fisión del uranio en 1938. Este hallazgo crucial allanó el camino para el desarrollo de armas nucleares y la energía nuclear. Hahn recibió el Premio Nobel de Química en 1944 por el descubrimiento de la fisión nuclear. Después de la Segunda Guerra Mundial, abogó por el uso pacífico de la energía atómica y contribuyó al establecimiento de la Agencia Internacional de Energía Atómica.

El término "fisión nuclear" fue acuñado por los físicos Otto Frisch y Rudolf Peierls en 1939, quienes también proporcionaron una explicación teórica detallada del proceso. La fisión no solo liberaba una gran cantidad de energía, sino que también generaba neutrones adicionales, lo que sugería la posibilidad de una reacción en cadena. Estos descubrimientos suscitaron un interés significativo en la comunidad científica y llevaron a la exploración de las posibles aplicaciones prácticas de la fisión. Sin embargo, en ese momento, el mundo estaba al borde de la Segunda Guerra Mundial, y el conocimiento sobre la fisión nuclear se convirtió en un tema de gran importancia estratégica.

(10.2) Mecanismo físicos

La fusión nuclear es un fenómeno fascinante que ocurre cuando dos núcleos atómicos se combinan para formar un núcleo más grande, liberando una gran cantidad de energía en el proceso. Este fenómeno es el motor que impulsa el sol y otras estrellas, y también es objeto de investigación para aplicaciones en la Tierra, como la generación de energía mediante fusión nuclear controlada. El proceso de fusión nuclear se inicia mediante el bombardeo de núcleos atómicos ligeros con una gran cantidad de energía, típicamente en forma de temperatura extremadamente alta. A estas altas temperaturas, los átomos se ionizan y los electrones se separan de los núcleos, formando un plasma caliente. Este plasma, que consiste en iones y electrones libres, permite que los núcleos se muevan con gran velocidad y se acerquen lo suficiente para superar la repulsión electrostática entre sus cargas positivas.

El proceso de bombardeo en la fusión nuclear se asemeja a la colisión de bolas de billar en una mesa, pero a una escala subatómica. Las partículas, impulsadas por la alta temperatura y la presión en el interior de una estrella o en una instalación de fusión controlada en la Tierra, adquieren suficiente energía cinética para superar las fuerzas repulsivas y acercarse lo suficiente para la fusión. Uno de los procesos de fusión más estudiados y buscados en la Tierra involucra la fusión de isótopos de hidrógeno para formar helio, liberando energía en el proceso. En particular, la fusión de deuterio (un isótopo del hidrógeno con un protón y un neutrón) y tritio (un isótopo del hidrógeno con un protón y dos neutrones) es una reacción nuclear clave. Durante esta fusión, los núcleos de deuterio y tritio colisionan, fusionándose para formar un núcleo de helio, un neutrón y liberando una cantidad considerable de energía.

Figura 10.2. La fisión del uranio-235 puede manifestarse en diversas formas, y la reacción que presentamos aquí es iniciada por la entrada de un neutrón. En este proceso, tres neutrones son liberados, desencadenando una reacción en cadena. En cada ciclo de esta reacción en cadena, se generan tres neutrones adicionales, lo que contribuye a la aceleración de la fisión. Este fenómeno permite la liberación de cantidades exponenciales de energía, marcando la base para la eficiencia y potencia de la fisión nuclear.

Sin embargo, la fusión nuclear en la Tierra presenta desafíos significativos debido a las altas temperaturas y presiones necesarias para iniciar y mantener el proceso. Los científicos e ingenieros han desarrollado diversas estrategias para alcanzar estas condiciones extremas, siendo el enfoque principal el uso de dispositivos llamados tokamaks y láseres de alta potencia. En un tokamak, los científicos confinan el plasma caliente en una configuración magnética en forma de anillo. El fuerte campo magnético generado por el tokamak mantiene el plasma alejado de las paredes del contenedor, evitando la pérdida de calor y permitiendo que las reacciones de fusión ocurran en su interior. Este enfoque se basa en el control de la temperatura y la densidad del plasma para alcanzar las condiciones necesarias para la fusión.

Otra técnica para inducir la fusión nuclear es el uso de láseres de alta potencia. En instalaciones como el National Ignition Facility (NIF) en los Estados Unidos, se enfocan potentes haces láser en pequeñas cápsulas que contienen deuterio y tritio. Los láseres generan una enorme cantidad de energía en un instante, comprimiendo y calentando la cápsula de manera extremadamente rápida y logrando las condiciones necesarias para la fusión. Una vez que se inicia la fusión nuclear, se produce una liberación masiva de energía en forma de radiación y partículas cargadas. Este proceso de liberación de energía puede ser utilizado para generar electricidad de manera controlada, pero hasta ahora, la fusión nuclear en la Tierra no ha alcanzado la viabilidad comercial debido a los desafíos tecnológicos y de ingeniería involucrados.

Además, es importante mencionar la posibilidad de una reacción en cadena en el contexto de la fusión nuclear. En algunos casos, la liberación de neutrones durante la fusión puede inducir la fusión de otros núcleos cercanos, generando una reacción en cadena. Este fenómeno es esencial para mantener las altas temperaturas y presiones necesarias para la fusión en estrellas como el sol.

(10.3) La pérdida de neutrones

Los cálculos realizados para un único evento de reacción nuclear no siempre proporcionarán resultados precisos al estimar las energías estándar o molares. Esta discrepancia se debe a que los neutrones emitidos en los diferentes pasos de la cadena no activan toda la masa teórica disponible. En la realidad, una cantidad significativa de neutrones se pierde en el proceso, conocidos como neutrones no efectivos, lo que implica que no toda la masa reactiva participa en la reacción. Esta pérdida de neutrones no efectivos contribuye a que las energías estándar calculadas sean mayores que las energías estándar realmente medibles, dado que la totalidad de la masa teóricamente reactiva no reacciona como se predice en condiciones ideales. Es crucial considerar estas pérdidas y no efectividades al interpretar los resultados de los cálculos, reconociendo que la eficiencia real de una reacción nuclear puede diferir significativamente de las estimaciones teóricas.

(10.4) Masa crítica

En promedio, se producen 2.4 neutrones por cada fisión de un núcleo de uranio-235 ya que las dos reacciones de fisión suceden. Si una fisión produce dos neutrones, esos dos neutrones pueden causar dos fisones adicionales, cada uno produciendo dos neutrones. Los cuatro neutrones liberados de esta manera pueden provocar cuatro fisones, y así sucesivamente, como se muestra en la Figura 10.3. El número de fisones y la energía liberada aumentan rápidamente, y si el proceso no se controla, el resultado es una explosión violenta. Las reacciones que se multiplican de esta manera se llaman reacciones en cadena.

Figura 10.3. Masa subcrítica: en este estado, se pierden los neutrones excedentes, lo que resulta en la extinción de la reacción. Masa crítica: en este punto, la reacción se mantiene en un equilibrio a una tasa de 1:1, aunque esto ocurre solo a nivel microscópico. Masa supercrítica: en este caso, los neutrones no se pierden y contribuyen al crecimiento continuo de la reacción. En un arma nuclear dos masas subcríticas se mantienen separadas, cuando el arma se activa, las dos se unen para formar una masa supercrítica.

Para que ocurra una reacción en cadena de fisión, la muestra de material fisil debe tener una masa mínima. De lo contrario, los neutrones escapan de la muestra antes de tener la oportunidad de golpear otros núcleos y causar fisión adicional. La cantidad de material fisil lo suficientemente grande como para mantener una reacción en cadena con una tasa constante de fisión se llama masa crítica. Cuando hay una masa crítica de material presente, un neutrón en promedio de cada fisión es efectivo posteriormente para producir otra fisión y la fisión continúa a una tasa constante y controlable. La masa crítica de uranio-235 es de aproximadamente 50 kg para una esfera desnuda del metal.

La masa crítica de uranio-235 es de aproximadamente 50 kg para una esfera desnuda del metal.* Si hay más material fisil del necesario para alcanzar la masa crítica, muy pocos neutrones escapan. La reacción en cadena, por lo tanto, multiplica el número de fisones, lo que puede llevar a una explosión nuclear. Una masa que excede la masa crítica se denomina masa supercrítica. El efecto de la masa en una reacción de fisión se ilustra en la Figura 10.3.

La Figura 10.3 muestra un diagrama esquemático de la primera bomba atómica utilizada en la guerra, la bomba llamada "Little Boy", que fue lanzada sobre Hiroshima, Japón, el 6 de agosto de 1945. La bomba contenía alrededor de 64 kg de uranio-235, que había sido separado del uranio-238 no fisionable principalmente mediante difusión gaseosa de hexafluoruro de uranio, UF₆. Para iniciar la reacción de fisión, se hicieron chocar dos masas subcríticas de uranio-235 mediante explosivos químicos. Las masas combinadas del uranio formaron una masa supercrítica, lo que llevó a una reacción en cadena rápida e incontrolada y, en última instancia, a una explosión nuclear. La energía liberada por la bomba lanzada sobre Hiroshima fue equivalente a la de 16000 toneladas de TNT (por lo tanto, se le llama una bomba de 16 kilotones). Desafortunadamente, el diseño básico de una bomba atómica basada en fisión es bastante simple, y los materiales fisibles están potencialmente disponibles para cualquier nación con un reactor nuclear. La combinación de la simplicidad del diseño y la disponibilidad de materiales ha generado preocupaciones internacionales sobre la proliferación de armas atómicas.

(10.5) Dispositivos militares

La historia de la fisión nuclear, que se inicia justo después de la primera fisión del uranio-235 en la Alemania nazi, y se enfoca en la etapa militar, abarca un periodo extenso y complejo marcado por desarrollos científicos, tensiones geopolíticas y eventos históricos que transformaron el curso de la humanidad. Esta narrativa nos lleva a través de décadas de investigaciones, descubrimientos, aplicaciones militares y la evolución de la tecnología nuclear.

En las primeras décadas del siglo XX, la física nuclear emergió como un campo de rápido crecimiento. Los fundamentos teóricos establecidos por Thomson, Rutherford y Einstein sentaron las bases para la comprensión de la estructura atómica, preparando el terreno para futuras investigaciones en fisión nuclear.

El descubrimiento de la fisión nuclear en 1938 en Alemania desencadenó la atención mundial. Bajo el régimen nazi, se inició un programa nuclear, aunque desafíos técnicos y la fuga de científicos judíos obstaculizaron su progreso. A pesar de los esfuerzos, Alemania no logró desarrollar armas nucleares antes del final de la Segunda Guerra Mundial.

Ante la preocupación de que la Alemania nazi pudiera obtener armas nucleares, Estados Unidos lanzó el Proyecto Manhattan en 1942. Dirigido por Oppenheimer, el proyecto reunió a científicos e ingenieros para desarrollar la primera bomba atómica. La exitosa prueba de "Trinity" en 1945 marcó un hito histórico y validó la viabilidad de la fisión nuclear con fines militares.

En agosto de 1945, Estados Unidos tomó la decisión de utilizar las bombas atómicas "Little Boy" y "Fat Man" en Hiroshima y Nagasaki. Estos bombardeos tuvieron consecuencias devastadoras y llevaron a la rendición de Japón, marcando el único uso militar de armas nucleares hasta la fecha.

Figura 10.4. El bombardeo nuclear de Nagasaki en 1945 plantea profundas implicaciones morales al atacar un asentamiento civil. Este acto extremo de violencia provocó sufrimiento inmenso y pérdida de vidas inocentes, generando cuestionamientos éticos sobre la justificación de utilizar armas nucleares. La tragedia resalta la urgente necesidad de buscar alternativas pacíficas y diplomáticas en conflictos, además de recordarnos la responsabilidad de proteger a la población civil y preservar la humanidad en medio de la guerra. Este evento sigue siendo un recordatorio sombrío de las consecuencias devastadoras de la guerra y la importancia de evitar el uso indiscriminado de armas nucleares.

El fin de la guerra marcó el inicio de la Guerra Fría entre Estados Unidos y la Unión Soviética. Ambas superpotencias se enfrascaron en una intensa carrera armamentista nuclear, construyendo arsenales considerables de armas nucleares. Con avances tecnológicos, las bombas de fisión fueron reemplazadas por armas termonucleares, o bombas de hidrógeno, que eran significativamente más potentes. Este desarrollo expandió la capacidad destructiva y estableció una nueva fase en la evolución de las armas nucleares.

A lo largo del tiempo, surgió la preocupación sobre las "bombas nucleares sucias", diseñadas para dispersar material radiactivo con el objetivo de contaminar áreas extensas. Aunque no se han utilizado en conflictos reales, su potencial impacto prolongado ha generado debate y preocupación a nivel global. En desarrollos más recientes, se diseñaron dispositivos nucleares más pequeños y tácticos, adaptados para aplicaciones específicas en el campo de batalla. Estos avances ofrecen flexibilidad en términos de alcance y eficacia en entornos militares (Basu, Miroshnik, Basu, & Miroshnik, 2019; HOROWITZ, 2023; Kipkorir, 2022).

(10.6) Dispositivos civiles

La historia de los dispositivos fisionables civiles es una crónica fascinante que se extiende a lo largo del tiempo, desde los primeros experimentos hasta las tecnologías más avanzadas de la actualidad. Este relato abarca la evolución de las plantas nucleares, su diversificación en términos de combustibles utilizados y los esfuerzos continuos por mejorar la eficiencia y seguridad de la energía nuclear (Bulgac et al., 2020; Dittmar, 2009; Freemantle, 2004; Pioro & Duffey, 2019; Poullikkas, 2013; Van Goethem, 2011). El uso pacífico de la energía nuclear comenzó con el desarrollo de plantas nucleares para generar electricidad. La década de 1950 marcó el surgimiento de las primeras centrales nucleares comerciales, utilizando principalmente la fisión del uranio-235. Estas primeras plantas eran prototipos que abrían el camino hacia una nueva era en la producción de energía.

Durante las siguientes décadas, los reactores de agua ligera se convirtieron en el estándar para la generación de energía nuclear civil. Estos reactores utilizan uranio enriquecido y agua ligera como moderador y refrigerante. A pesar de su eficacia, surgieron preocupaciones sobre la seguridad y la gestión de desechos nucleares. A medida que la tecnología avanzaba, surgieron esfuerzos para diversificar los combustibles nucleares y superar limitaciones inherentes. Se exploraron alternativas como el torio y el plutonio. El torio, en particular, capturó la atención debido a su abundancia y la promesa de producir menos desechos radiactivos.

Los reactores de neutrones rápidos representaron una evolución importante en la tecnología nuclear civil. Utilizan neutrones rápidos sin moderación, permitiendo la fisión de materiales que no podrían ser utilizados en reactores de agua ligera convencionales. Esto incluye el uso eficiente de plutonio, un subproducto de los reactores de agua ligera. Otra innovación destacada fue la introducción de los reactores de lecho de partículas. Estos sistemas emplean pequeñas partículas esféricas que contienen combustibles nucleares, mejorando la eficiencia y permitiendo la operación a altas temperaturas. La flexibilidad de los reactores de lecho de partículas ha inspirado investigaciones sobre nuevos diseños y combustibles.

A lo largo de las décadas, los avances tecnológicos también se centraron en mejorar la seguridad de las plantas nucleares. Diseños de reactores más seguros, sistemas de refrigeración avanzados y protocolos de gestión de desechos radiactivos evolucionaron para minimizar riesgos y mitigar impactos ambientales. La modernización de la energía nuclear civil dio paso a la conceptualización de los reactores de cuarta generación. Estos diseños buscan mejorar la eficiencia, reducir la generación de desechos y ser inherentemente seguros. La investigación se ha centrado en la optimización de materiales, técnicas de refrigeración innovadoras y la utilización eficiente de combustibles nucleares.

Mientras que el uranio-235 ha sido el combustible predominante en la historia de la energía nuclear civil, los combustibles alternativos han ganado atención. El torio, en particular, ha sido objeto de investigación intensiva debido a su mayor disponibilidad y la capacidad de producir menos residuos radiactivos. Los reactores de torio ofrecen perspectivas para un futuro más sostenible y seguro.

En los últimos años, la investigación se ha centrado en optimizar la eficiencia de los reactores nucleares y reducir aún más los desechos radiactivos. La inteligencia artificial se ha incorporado en el diseño y control de reactores, mejorando la seguridad y la capacidad de respuesta. La industria nuclear civil actual se encuentra en un momento de transformación. Se están explorando nuevos diseños de reactores, como los reactores de sal fundida y los reactores modulares pequeños, que prometen mayor flexibilidad y modularidad. Además, la perspectiva de reactores de fusión nuclear, que busca replicar el proceso que alimenta al sol, ha generado un renovado interés en la búsqueda de una fuente de energía prácticamente inagotable.

Figura 10.5. Un dispositivo nuclear civil se compone esencialmente de un circuito de agua que desempeña un papel central en la generación controlada de energía. En su funcionamiento, el reactor libera energía mediante la fisión de barras de uranio u otro combustible nuclear, posiblemente enriquecido. El objetivo primordial es generar calor mientras se aíslan las partículas fisionadas que podrían contaminar el agua. Este calor resultante provoca que el agua se caliente y se convierta en vapor, el cual impulsa una turbina. Esencialmente, aprovechamos el poder cósmico para activar un motor de vapor. La turbina, a su vez, impulsa un dinamo que convierte el movimiento en electricidad. El vapor se libera a través de torretas, pero una parte del agua, aún caliente, necesita enfriarse mediante conductos subterráneos para evitar la contaminación de cuerpos de agua al privarlos de oxígeno.

A pesar de los avances y logros, persisten desafíos y preguntas en la trayectoria de la energía nuclear civil. La seguridad sigue siendo una prioridad crucial, y los esfuerzos se centran en diseñar reactores que minimicen riesgos inherentes y gestionar de manera efectiva los desechos radiactivos.

La búsqueda de combustibles más eficientes y sostenibles también está en curso. El torio ha ganado atención como una alternativa prometedora, con la ventaja de ser más abundante y generar menos residuos radiactivos que el uranio. Investigaciones continuas buscan optimizar la utilización de torio y otros combustibles alternativos.

En paralelo, los reactores modulares pequeños (SMRs) representan una tendencia emergente. Estos reactores más pequeños ofrecen flexibilidad en términos de implementación y pueden adaptarse a diversas necesidades, desde suministrar energía a comunidades remotas hasta respaldar la infraestructura de grandes centros urbanos.

La inteligencia artificial (IA) ha entrado en juego para mejorar la eficiencia operativa y la seguridad de las plantas nucleares. Los sistemas de IA monitorean y controlan los procesos en tiempo real, mejorando la capacidad de respuesta y reduciendo la probabilidad de incidentes.

Figura 10.6. En la fisión nuclear, la producción de electricidad constante funciona generando calor al dividir los núcleos de los átomos radiactivos. El “combustible nuclear” más común es el uranio-235 el cual representa menos del 1% del elemento en su forma natural. Es por eso que no puede utilizarse directamente como combustible nuclear cuando se extrae, sino que se enriquece para aumentar su contenido (de U-235), luego se pulveriza y se prensa en pastillas. Estas pastillas de uranio se cargan en tubos metálicos cerrados para ser utilizadas en los reactores nucleares. Pero existe un detalle que no todo el mundo conoce y es muy importante: el humo que sale de las centrales nucleares no es tóxico, no es radiactivo. Se trata simplemente de vapor de agua producido por la refrigeración del agua del sistema. NO es radiactivo, ya que no tiene contacto con la radiactividad, ni es humo, ya que no procede de una combustión como en los casos del gasoil, fuel (densa fracción del petróleo natural), gas natural o carbón. Es por eso que las centrales nucleares son productoras de electricidad sin emisiones de gases de efecto invernadero. El combustible nuclear agotado permanece en el interior del reactor en forma sólida, y se sustituye a intervalos de unos cinco años.

Además, la exploración de la fusión nuclear como fuente de energía sigue siendo un área de investigación crucial. Aunque la fusión ha sido desafiante de lograr debido a las altas temperaturas y presiones requeridas, los avances en esta dirección podrían ofrecer una fuente de energía más limpia y segura en el futuro.

En el panorama actual, la industria nuclear civil se enfrenta a la necesidad de abordar las preocupaciones públicas y fomentar la aceptación de la energía nuclear. La transparencia, la participación comunitaria y la educación son elementos esenciales para construir la confianza en torno a esta forma de generación de energía.

(10.7) Combustible nuclear un enriquecimiento

El combustible nuclear es un componente clave en la producción de energía en plantas nucleares. Su complejidad y variedad son fundamentales para entender cómo se generan y utilizan las fuentes de energía nuclear en todo el mundo. Desde el enriquecimiento hasta el empobrecimiento, y desde las aplicaciones energéticas hasta los desafíos ambientales, este artículo explora a fondo el fascinante mundo del combustible nuclear (Krass, Boskma, Elzen, & Smit, 2020; Olander, 2009).

El combustible nuclear utilizado en las centrales nucleares generalmente se compone de isótopos de uranio y plutonio. El uranio-235, un isótopo del uranio, es el principal componente en la mayoría de los combustibles nucleares. Sin embargo, el uranio natural, que se extrae de las minas, consiste principalmente en uranio-238, un isótopo no fisionable. Para hacerlo utilizable en reactores nucleares, el uranio natural debe someterse a un proceso de enriquecimiento. El plutonio-239, producido artificialmente, también es un componente esencial del combustible nuclear. Se genera mediante la irradiación de uranio-238 en reactores nucleares. El plutonio-239 es altamente fisionable y puede utilizarse como combustible en reactores nucleares, contribuyendo a la sostenibilidad y eficiencia del ciclo del combustible nuclear.

(10.7.1) Enriquecimiento Nuclear

El enriquecimiento es el proceso de aumentar la proporción de uranio-235 en comparación con el uranio-238. En la naturaleza, el uranio-235 constituye solo alrededor del 0.7% del uranio total. Para que un reactor nuclear funcione eficientemente, esta proporción debe aumentar, a menudo hasta al menos el 3-5%.

El método más común de enriquecimiento es la centrifugación. Este proceso implica hacer girar rápidamente cilindros de hexafluoruro de uranio en centrífugas especiales. Debido a las pequeñas diferencias de masa entre los isótopos de uranio, los más ligeros (uranio-235) tienden a moverse hacia el centro de las centrífugas, lo que permite la recolección de un producto más enriquecido.

(10.7.2) Empobrecimiento Nuclear:

El empobrecimiento, en cambio, se refiere al proceso de reducir la proporción de uranio-235 en el combustible nuclear. Este proceso puede tener varias aplicaciones, siendo una de las más importantes la producción de uranio empobrecido, que se utiliza en aplicaciones militares y como contrapeso en aeronaves y proyectiles.

El uranio empobrecido es aquel en el cual la proporción de uranio-235 ha sido disminuida deliberadamente, generalmente por debajo del 0.7%. Aunque ya no es apto para la mayoría de los reactores nucleares, su alto peso específico y su capacidad para absorber neutrones lo hacen valioso en aplicaciones militares, como la fabricación de municiones perforadoras de blindajes.

(10.8) Usos de los Combustibles Nucleares:

El uso más común del combustible nuclear es la generación de energía en plantas nucleares. Los reactores nucleares emplean procesos de fisión nuclear controlada para liberar grandes cantidades de energía. El uranio enriquecido o el plutonio actúan como combustible, liberando energía térmica que se utiliza para producir vapor y, finalmente, electricidad.

La ventaja de la energía nuclear es su alta densidad energética y su baja emisión de gases de efecto invernadero durante la generación de electricidad. Sin embargo, los desafíos asociados con la gestión segura de los residuos nucleares y los riesgos inherentes a los accidentes nucleares han llevado a debates y precauciones considerables.

(10.8.1) Aplicaciones Médicas:

Los radioisótopos derivados del combustible nuclear tienen aplicaciones cruciales en medicina. El tecnecio-99m, producido a partir del molibdeno-98 en reactores nucleares, se utiliza ampliamente en medicina nuclear para diagnósticos por imágenes. Este radioisótopo emite radiación gamma y es valioso para explorar el funcionamiento de órganos y tejidos en el cuerpo humano.

(10.8.2) Investigación Científica:

Los combustibles nucleares también son esenciales en la investigación científica y la producción de radioisótopos para diversos fines. Los reactores nucleares se utilizan para irradiar materiales y crear radioisótopos para estudios en física, química y biología. Además, la fisión nuclear en reactores es una fuente importante de neutrones para la investigación científica.

(10.8.3) Propulsión Espacial:

En el campo de la propulsión espacial, el combustible nuclear desempeña un papel clave en la exploración del espacio profundo. Los motores nucleares, como los motores de propulsión nuclear térmica, utilizan la energía liberada por la fisión nuclear para calentar un propulsor, generalmente hidrógeno líquido, que luego se expulsa a alta velocidad para generar empuje. Este tipo de propulsión ofrece una eficiencia significativamente mayor en comparación con los propulsores químicos convencionales y puede permitir misiones espaciales de largo alcance.

(10.8.4) Desafíos y Controversias:

A pesar de los beneficios asociados con el combustible nuclear, existen desafíos y controversias significativos. La gestión segura de los residuos nucleares, que son materiales altamente radiactivos, es un tema crítico. La preocupación por la proliferación nuclear, donde el enriquecimiento de uranio puede ser desviado con fines militares, también es una preocupación global.

Además, la seguridad de las instalaciones nucleares es fundamental para evitar accidentes, como el desastre de Chernobyl en 1986 y el accidente de Fukushima en 2011. Estos incidentes han destacado los riesgos asociados con la generación de energía nuclear y han llevado a una mayor atención en la implementación de medidas de seguridad.

(10.8.5) Perspectivas Futuras:

A medida que avanzamos hacia un futuro centrado en la sostenibilidad y la mitigación del cambio climático, la energía nuclear está siendo reconsiderada como una fuente de energía limpia y eficiente. Las nuevas tecnologías, como los reactores nucleares de generación IV y los reactores de fusión, están siendo investigadas para abordar los desafíos actuales y mejorar la seguridad y eficiencia de la energía nuclear.

En paralelo, el uso de combustibles nucleares en medicina y exploración espacial continuará evolucionando, aprovechando la versatilidad de los radioisótopos y la alta densidad energética de la fisión nuclear.

(10.9) Basura nuclear

Los productos de fisión que se acumulan mientras un reactor está en funcionamiento disminuyen la eficiencia del reactor al capturar neutrones. Por esta razón, los reactores comerciales deben detenerse periódicamente para reemplazar o reprocesar el combustible nuclear. Cuando se retiran los elementos de combustible del reactor, inicialmente son muy radiactivos. La idea original era almacenarlos durante varios meses en piscinas en el sitio del reactor para permitir la descomposición de núcleos radiactivos de corta vida. Luego se transportarían en contenedores blindados a plantas de reprocesamiento, donde se separaría el combustible sin quemar de los productos de fisión. Sin embargo, las plantas de reprocesamiento han enfrentado dificultades operativas, y hay una fuerte oposición en algunos países al transporte de desechos nucleares en carreteras y ferrocarriles nacionales. No obstante, en Francia, Rusia, el Reino Unido, India y Japón, se lleva a cabo el reprocesamiento del combustible gastado (N. A. Chapman & Mc Kinley, 1987; Ewing, Weber, & Clinard Jr, 1995; Fernández-Arias, Vergara, & Antón-Sancho, 2023; Ojovan, Lee, & Kalmykov, 2019; Stefanovsky, Yudintsev, Gieré, & Lumpkin, 2004).

El almacenamiento del combustible nuclear gastado plantea un problema importante porque los productos de fisión son extremadamente radiactivos. Se estima que se requieren 10 vidas medias para que su radioactividad alcance niveles aceptables para la exposición biológica. Basándonos en la vida media de 28.8 años del estroncio-90, uno de los productos más duraderos y peligrosos, los desechos deben almacenarse durante casi 300 años. El plutonio-239 es uno de los subproductos presentes en los elementos de combustible gastados. Se forma por la absorción de un neutrón por parte del uranio-238, seguido de dos emisiones beta sucesivas. (Recuerda que la mayor parte del uranio en los elementos de combustible es uranio-238). Si los elementos se reprocesan, el plutonio-239 se recupera en gran medida porque puede utilizarse como combustible nuclear. Sin embargo, si el plutonio no se elimina, los elementos gastados deben almacenarse durante mucho tiempo, ya que el plutonio-239 tiene una vida media de 24000 años.

Figura 10.7. Yucca Mountain Nuclear Waste Repository, designada por la Ley de Política de Residuos Nucleares de 1987, es un depósito geológico profundo propuesto para almacenar residuos nucleares de alto nivel en Yucca Mountain, Nevada. Aprobado en 2002, el Congreso 112 suspendió los fondos en 2011, enfrentando oposición pública y política. Sin almacenamiento designado, EE. UU. carece de un lugar a largo plazo para desechos radioactivos de centrales nucleares. Bajo Obama, se buscaron alternativas, pero Nevada se opuso. Trump detuvo investigaciones no relacionadas con Yucca. En 2021, Granholm confirmó que el plan no figura en los planes del gobierno de Biden para la eliminación de desechos nucleares.

Un reactor reproductor rápido ofrece una forma de obtener más energía de las fuentes de uranio existentes y potencialmente reducir los desechos radiactivos. Este tipo de reactor recibe su nombre porque crea ("reproduce") más material fisible del que consume. El reactor opera sin un moderador, lo que significa que los neutrones utilizados no se ralentizan. Para capturar los neutrones rápidos, el combustible debe estar altamente enriquecido con uranio-235 y plutonio-239. No se puede utilizar agua como refrigerante principal porque moderaría los neutrones, por lo que se utiliza un metal líquido, generalmente sodio. El núcleo está rodeado por una manta de uranio-238 que captura neutrones que escapan del núcleo, produciendo plutonio-239 en el proceso. El plutonio puede separarse posteriormente mediante reprocesamiento y utilizarse como combustible en un ciclo futuro.

Debido a que los neutrones rápidos son más efectivos para descomponer muchos nuclidos radiactivos, el material separado del uranio y el plutonio durante el reprocesamiento es menos radiactivo que los desechos de otros reactores. Sin embargo, la generación de niveles relativamente altos de plutonio junto con la necesidad de reprocesamiento es problemática en términos de no proliferación nuclear. Así, los factores políticos junto con mayores preocupaciones de seguridad y costos operativos más altos hacen que los reactores reproductores rápidos sean bastante raros.

Se está dedicando una cantidad considerable de investigación a la eliminación de desechos radiactivos. En la actualidad, las posibilidades más atractivas parecen ser la formación de vidrio, cerámica o roca sintética a partir de los desechos como medio para inmovilizarlos. Estos materiales sólidos se colocarían luego en contenedores de alta resistencia a la corrosión y durabilidad, y se enterrarían profundamente bajo tierra. El proceso de selección de repositorios profundos adecuados para desechos de alto nivel y combustible gastado está en marcha en varios países.

A pesar de estas dificultades, la energía nuclear está experimentando un modesto resurgimiento como fuente de energía. Las preocupaciones sobre el cambio climático causado por los crecientes niveles atmosféricos de CO2 han aumentado el apoyo a la energía nuclear como una fuente importante en el futuro. La creciente demanda de energía en países en desarrollo, especialmente en China, ha impulsado la construcción de nuevas plantas nucleares en esas partes del mundo.

(10.10) Geopolítica

La fusión nuclear, además de su complejidad científica y técnica, también se ve influida por factores geopolíticos debido a la necesidad de materiales fusionables, que a menudo son raros y se encuentran en determinadas naciones del mundo. Esta dependencia ha dado lugar al desarrollo de relaciones geopolíticas, en muchos casos, asimétricas. Un ejemplo paradigmático de esta dinámica es la relación neocolonial que Francia mantuvo con varios países del Sahel africano, a los cuales les imponía un mercado exclusivo del uranio necesario para alimentar las plantas nucleares francesas (Basu & Miroshnik, 2019; Burke, 2017; Eidemüller, 2021; Frost, 2020; Hore-Lacy, 2010).

Figura 10.8. En realidad, el uranio es un recurso muy abundante en la naturaleza —2.8 partes por millón en la corteza terrestre, tanto casi como el estaño o el cobalto—. El problema es que su concentración acostumbra a ser muy baja y su extracción en extrañas ocasiones resulta rentable, a lo que hay que sumar las reticencias en torno a la gestión de los desechos radiactivos y un ciclo de bajos precios que ha desincentivado la inversión en exploración y el desarrollo de nueva tecnología.

Esta conexión entre la fusión nuclear y la geopolítica destaca la importancia estratégica de los recursos necesarios para la investigación y aplicación de tecnologías de fusión. Las naciones que poseen estos recursos pueden ejercer una influencia significativa en el panorama energético global, planteando desafíos y oportunidades en términos de equidad y colaboración internacional en el ámbito de la energía de fusión.

(10.11) El accidente nuclear

Un "accidente nuclear" engloba eventos no deseados relacionados con la liberación de materiales radiactivos, ya sea debido a fallos en reactores nucleares, instalaciones de procesamiento de combustible nuclear o dispositivos nucleares. Un "derretimiento nuclear" específicamente se refiere a la fusión del núcleo de un reactor, donde las barras de combustible se calientan a temperaturas extremas, provocando la liberación de sustancias radioactivas al entorno, es decir, al circuito de agua, que como vimos, está abierto al entorno. Históricamente, los desastres nucleares más notorios incluyen Chernobyl (1986), con consecuencias devastadoras en Ucrania, y Fukushima (2011), donde un terremoto y tsunami dañaron la planta de energía nuclear en Japón, resultando en fusiones parciales de núcleos y liberaciones radiactivas (Amiard, 2020; Gale, 1987; Gioia, 2012; Högberg, 2013; Sihver & Yasuda, 2018).

Figura 10.9. El desastre de Chernobyl, ocurrido en 1986 en Ucrania, resultó de la explosión de un reactor nuclear, liberando grandes cantidades de material radiactivo. Para contener la contaminación, se construyó un sarcófago de emergencia, pero debido a su deterioro con el tiempo, se erigió el Nuevo Confinamiento Seguro (NSC), también conocido como "Arca de Chernobyl". Completado en 2016, este domo de contención radioactiva es una estructura masiva que cubre el antiguo sarcófago. Su propósito es prevenir la filtración de radiación y facilitar la desmantelación segura del reactor, protegiendo a la población y el medio ambiente de los riesgos continuos asociados con el desastre nuclear.

La persistencia de los estragos en un accidente nuclear se debe a varias razones fundamentales. La vida media extremadamente larga de los radionúclidos, como el cesio-137 y el plutonio-239, significa que la radiación perdura durante períodos significativos, afectando no solo al entorno, sino también a las generaciones futuras. La contaminación del suelo y el agua es otra consecuencia permanente. Los radionúclidos pueden infiltrarse, contaminando fuentes de agua y afectando la cadena alimentaria. Este impacto en la salud de los organismos se traduce en problemas de salud a largo plazo y riesgos genéticos transmitidos a través de generaciones.

Además, la exposición a la radiación tiene efectos directos en la salud humana, causando cáncer, daño al sistema inmunológico y otros problemas. Los accidentes nucleares a menudo resultan en evacuaciones masivas y el desplazamiento de poblaciones, generando interrupciones significativas en la vida cotidiana. A nivel económico y social, los daños a la infraestructura local y la pérdida de hogares son considerables. A pesar de los esfuerzos internacionales para prevenir y mitigar estos desastres, la realidad es que los impactos de un accidente nuclear grave son extremadamente difíciles de revertir.

Se han implementado medidas de prevención y mitigación, como mejoras en el diseño de reactores, supervisión regulatoria más estricta y planes detallados de evacuación. La transición hacia fuentes de energía renovable también busca reducir la dependencia de la energía nuclear y disminuir los riesgos asociados.

(11) Fusión nuclear

La fusión nuclear es un proceso en el cual dos o más núcleos atómicos, generalmente de deuterio ²₁H y tritio ³₁H (variantes de hidrógeno), se combinan para formar uno o más núcleos atómicos y partículas subatómicas (neutrones o protones). La diferencia en masa entre los reactantes y los productos se manifiesta como la liberación o absorción de energía. Este cambio en la masa se debe a la diferencia en la energía de unión nuclear entre los núcleos atómicos antes y después de la reacción. La fusión nuclear es el proceso que alimenta a las estrellas activas o en secuencia principal y a otras estrellas de alta magnitud, donde se libera gran cantidad de energía (Bromberg, 1982; Charpak & Garwin, 2002; Hamacher & Bradshaw, 2001; McCracken & Stott, 2012; Parisi & Ball, 2019; Turrell, 2021).

Este fenómeno cósmico ejerce una influencia vital en la sostenibilidad de la vida en nuestro planeta. Si observamos cómo los antiguos humanos rendían reverencia al poder divino en los cielos, podemos percibir que lo que ahora entendemos como fusión nuclear es, sin duda, la expresión más cercana de este poder cósmico en el ámbito científico. La convergencia de fuerzas nucleares que ocurre en este proceso es la fuerza que impulsa la vida tal como la conocemos.

Este concepto trasciende la mera comprensión teórica y se manifiesta en la película "El Hombre Araña 3", donde el Dr. Octavius persigue el objetivo de desatar la fusión nuclear como una forma de tener el "poder del cosmos en la palma de una mano humana" (Kozhura, 2023). Esta representación cinematográfica destaca la idea de que la fusión nuclear encapsula en sí misma una fuerza equiparable a la deidades celestiales, llevando consigo un potencial impresionante que puede dar forma y sostener la existencia misma.

Figura 11.1. La fusión nuclear en nuestro sol es un proceso termonuclear en el que núcleos de hidrógeno se combinan para formar helio, liberando una enorme cantidad de energía en el proceso. Este fenómeno ocurre en el núcleo solar, donde las altas temperaturas y presiones permiten que los protones colisionen y superen sus repulsiones eléctricas, fusionándose para crear helio y liberando energía en forma de radiación electromagnética. Esta constante reacción de fusión nuclear es la fuente primaria de la energía que irradia desde el sol, proporcionando luz y calor a nuestro sistema solar.

Así, la fusión nuclear se erige como un testimonio de la capacidad humana para comprender y manipular las fuerzas fundamentales del universo. Este fenómeno no solo se revela como un hito científico, sino también como una conexión intrínseca entre la antigua veneración por los dioses y la búsqueda contemporánea de dominar el poder cósmico. En última instancia, la fusión nuclear se presenta como la encarnación moderna de la capacidad humana para tocar y canalizar la esencia misma del cosmos, llevando consigo la promesa de un futuro donde la energía cósmica se convierte en una herramienta para moldear el destino de la humanidad.

Un proceso de fusión nuclear que produce núcleos atómicos más ligeros que el hierro-56 o níquel-62 generalmente liberará energía. Estos elementos tienen una masa relativamente pequeña y una energía de unión por nucleón relativamente grande. La fusión de núcleos más ligeros que estos libera energía (un proceso exotérmico), mientras que la fusión de núcleos más pesados resulta en energía retenida por los nucleones del producto, y la reacción resultante es endotérmica. Lo opuesto es cierto para el proceso inverso, llamado fisión nuclear. La fusión nuclear utiliza elementos más ligeros, como el hidrógeno y el helio, que son generalmente más fusibles; mientras que los elementos más pesados, como el uranio, el torio y el plutonio, son más fisibles. El evento astrofísico extremo de una supernova puede producir suficiente energía para fusionar núcleos en elementos más pesados que el hierro.

(11.1) Diversidad en la fusión

Aunque la descripción inicial puede sugerir que la fusión de deuterio y tritio es el único proceso que ocurre, la realidad es un tanto más compleja. Cuando se alcanzan las condiciones necesarias para la fusión, puede ocurrir una variedad de reacciones de fusión. Entre estas, tenemos:

(a) Fusión Deuterio-Deuterio (D-D): Esta reacción involucra la fusión de dos núcleos de deuterio para formar helio-3 y un neutrón. Aunque es menos común que la fusión de deuterio y tritio puede tener lugar en ciertas condiciones.

(b) Fusión Deuterio-Helio-3 (D-He3): En esta reacción, un núcleo de deuterio se combina con un núcleo de helio-3, produciendo helio-4 y liberando un protón. Esta variante es menos frecuente, pero puede ser relevante en contextos específicos.

(c) Fusión Puro Deuterio (D-D): La fusión entre dos núcleos de deuterio, sin tritio, puede ocurrir en ciertas circunstancias. Sin embargo, esta ruta de fusión es menos eficiente en términos de liberación de energía.

(c) Fusión Helio-3-Helio-3 (He3-He3): Esta es otra posible reacción de fusión donde dos núcleos de helio-3 se combinan para formar helio-4 y liberar dos protones.

Figura 11.2. Ecuaciones nucleares para algunos procesos de fusión.

La elección del proceso de fusión depende de diversos factores, como la temperatura y la densidad del plasma en el que se lleva a cabo la fusión. Cada reacción de fusión tiene sus propias características y desafíos asociados. La investigación en fusión nuclear busca comprender y controlar estas diversas reacciones para lograr una forma sostenible y controlada de generación de energía, similar a la que se produce en el núcleo de las estrellas.

(11.2) Historia

El químico estadounidense William Draper Harkins fue el primero en proponer el concepto de fusión nuclear en 1915 (Barbarino, 2020; Monti, 1992). Luego, en 1921, Arthur Eddington sugirió que la fusión hidrógeno-helio podría ser la principal fuente de energía estelar. El túnel cuántico fue descubierto por Friedrich Hund en 1927, y poco después Robert Atkinson y Fritz Houtermans utilizaron las masas medidas de elementos ligeros para demostrar que grandes cantidades de energía podrían liberarse fusionando núcleos pequeños. Basándose en los primeros experimentos de transmutación nuclear artificial de Patrick Blackett, Mark Oliphant logró la fusión de isótopos de hidrógeno en el laboratorio en 1932. Durante el resto de esa década, Hans Bethe trabajó en la teoría del ciclo principal de fusión nuclear en las estrellas. La investigación sobre la fusión con fines militares comenzó a principios de la década de 1940 como parte del Proyecto Manhattan. La fusión nuclear autosostenida se llevó a cabo por primera vez el 1 de noviembre de 1952, en la prueba de la bomba de hidrógeno Ivy Mike.

Aunque se logró la fusión en la operación de la bomba de hidrógeno (bomba H), la reacción debe controlarse y mantenerse para que sea una fuente de energía útil. La investigación para desarrollar la fusión controlada dentro de reactores de fusión ha estado en curso desde la década de 1930, pero la tecnología aún se encuentra en fase de desarrollo.

Figura 11.3. William Draper Harkins (1873-1951) fue un destacado químico estadounidense conocido por sus contribuciones en la investigación de la física y química de los elementos. Nacido en Ohio, Harkins obtuvo su doctorado en la Universidad de Gotinga bajo la supervisión de Wilhelm Ostwald. A lo largo de su carrera, trabajó en diversas instituciones académicas, incluida la Universidad de Chicago. Sus investigaciones abarcaron temas como la teoría de la estructura atómica, la clasificación de los elementos y la termodinámica química. Harkins fue miembro de la Academia Nacional de Ciencias y dejó un legado duradero en la comprensión de la química de los elementos.

La Instalación Nacional de Ignición de Estados Unidos, que utiliza fusión por confinamiento inercial impulsada por láser, fue diseñada con el objetivo de lograr la fusión de equilibrio; los primeros experimentos a gran escala con objetivos láser se llevaron a cabo en junio de 2009 y los experimentos de ignición comenzaron a principios de 2011. El 13 de diciembre de 2022, el Departamento de Energía de Estados Unidos anunció que el 5 de diciembre de 2022 lograron con éxito la fusión de equilibrio, "entregando 2.05 megajulios (MJ) de energía al objetivo, lo que resultó en 3.15 MJ de salida de energía de fusión".

Antes de este avance, las reacciones de fusión controlada no habían logrado producir una fusión de equilibrio (autosostenida). Los dos enfoques más avanzados para ello son el confinamiento magnético (diseños de toroides) y el confinamiento inercial (diseños láser). Se están desarrollando diseños operativos para un reactor toroidal que teóricamente entregará diez veces más energía de fusión de la necesaria para calentar el plasma a las temperaturas requeridas (ver ITER). Se espera que la instalación ITER finalice su fase de construcción en 2025. Iniciará la puesta en marcha del reactor ese mismo año e iniciará experimentos con plasma en 2025, pero no se espera que comience la fusión de deuterio-tritio completa hasta 2035.

Empresas privadas que buscan la comercialización de la fusión nuclear recibieron $2.6 mil millones en financiamiento privado solo en 2021, yendo a muchas empresas nuevas notables, incluyendo, entre otras, Commonwealth Fusion Systems, Helion Energy Inc., General Fusion, TAE Technologies Inc. y Zap Energy Inc.

(11.3) ¿Por qué es tan difícil crear dispositivos de fusión civil?

Para responder a esta pregunta, primero debemos entender el principio básico de los dispositivos militares. El principio básico de la configuración Teller-Ulam es la idea de que diferentes partes de una bomba termonuclear pueden estar encadenadas en "etapas", y la detonación de cada etapa proporciona la energía para encender la siguiente. En términos más simples, esto implica una sección primaria que consta de una bomba de fisión tipo implosión (un "iniciador") y una sección secundaria que consta de combustible de fusión.

La energía liberada por la sección primaria comprime la secundaria a través del proceso de implosión por radiación, momento en el cual se calienta y experimenta la fusión nuclear. Este proceso podría continuar, con la energía de la secundaria encendiendo una tercera etapa de fusión; se piensa que la bomba AN602 " Bomba Tsar" de la Unión Soviética fue un dispositivo de tres etapas de fisión-fusión-fusión. Teóricamente, al continuar este proceso, podrían construirse bombas termonucleares con rendimientos arbitrariamente altos. Esto contrasta con las armas de fisión, que están limitadas en rendimiento porque solo se puede acumular una cierta cantidad de combustible de fisión en un lugar antes de que el peligro de que se vuelva accidentalmente supercrítico sea demasiado grande.

Figura 11.4. Aunque la fusión nuclear militar, como se evidencia en las bombas, puede parecer más limpia en comparación con la fisión, sus detonaciones generan campos envenenados radioactivamente. Tras la explosión, se liberan isótopos radiactivos que contaminan el entorno, afectando el aire, suelo y agua. Además, la detonación masiva puede desencadenar un fenómeno conocido como "invierno nuclear". Las partículas lanzadas a la atmósfera bloquean la luz solar, provocando un descenso drástico de las temperaturas globales. Este efecto cascada afecta los ecosistemas, la agricultura y la salud humana, subrayando que, aunque la fusión nuclear pueda parecer más eficiente en términos de energía, sus consecuencias son devastadoras y de larga duración.

Dada la información proporcionada, es correcto afirmar que la fisión nuclear es esencial para iniciar y sostener el proceso de fusión en el contexto de las armas termonucleares y en algunos reactores nucleares de fusión controlada. En el caso de las bombas termonucleares, la sección primaria consiste en una bomba de fisión que libera una gran cantidad de energía mediante la división nuclear de átomos. Esta energía se dirige hacia la sección secundaria, que contiene material de fusión, generando las condiciones necesarias de temperatura y presión para la fusión nuclear.

Sin embargo, al considerar los reactores nucleares convencionales destinados a la generación sostenible de energía a través de la fusión, también se hace uso de la fisión nuclear para iniciar y mantener el proceso de fusión. En estos reactores, se emplean combustibles de fusión como el deuterio y el tritio, y la liberación controlada de energía proveniente de la fisión nuclear proporciona el entorno adecuado para facilitar la fusión de núcleos atómicos.

En relación con la estabilidad de los materiales en estado sólido ante las elevadas temperaturas y presiones necesarias para desencadenar la fusión nuclear, se presenta un desafío significativo. Los reactores de fusión controlada requieren materiales capaces de resistir condiciones extremas, como altas temperaturas y presiones. Investigadores están trabajando activamente para desarrollar materiales avanzados que puedan cumplir con estos requisitos, asegurando la estabilidad estructural y funcionalidad a lo largo del tiempo de operación del reactor.

Este campo de investigación se centra en encontrar aleaciones y compuestos que mantengan su fase sólida a temperaturas extremadamente elevadas, así como en diseñar estructuras resistentes a las tensiones y radiaciones presentes durante el proceso de fusión nuclear. A pesar de los desafíos, los avances continuos en la ciencia de materiales y la ingeniería están contribuyendo al desarrollo de tecnologías más seguras y eficientes para la fusión nuclear controlada, lo que representa un paso crucial hacia la obtención de una fuente de energía limpia y sostenible para el futuro.

(11.4) Fusión en campos magnéticos

Una estrategia innovadora para controlar y mantener el plasma a las condiciones extremas necesarias para la fusión nuclear es el confinamiento magnético. Este enfoque aprovecha la capacidad de los iones en el plasma para responder a campos magnéticos, lo que permite su confinamiento y manipulación sin necesidad de estructuras físicas. Entre las variantes de dispositivos de confinamiento magnético destacan el tokamak y el stellarator, cada uno con sus propias configuraciones y desafíos técnicos específicos (Boozer, 2021; Helander et al., 2012; Menard et al., 2011; Xu, 2016).

El tokamak, por ejemplo, utiliza campos magnéticos toroidales para mantener el plasma en una configuración circular, mientras que el stellarator emplea campos magnéticos más complejos. Estos dispositivos representan la vanguardia de la investigación en fusión controlada y han sido objeto de experimentos clave, como el Tokamak de Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor), un proyecto de colaboración internacional en construcción en Francia.

Figura 11.5. El núcleo del reactor Tokamak opera mediante la fusión nuclear controlada para generar energía. En su interior, se confina un plasma caliente compuesto principalmente de isótopos de hidrógeno, como deuterio y tritio, en un campo magnético toroidal (con forma de dona). El plasma se calienta a temperaturas extremas, alcanzando condiciones similares a las del núcleo solar. La elevada temperatura y presión permiten que los átomos de hidrógeno se fusionen, liberando una gran cantidad de energía. El campo magnético evita que el plasma toque las paredes del reactor, manteniendo la estabilidad del proceso. Este diseño busca reproducir las condiciones termonucleares para la producción de energía de manera controlada y sostenible.

En relación con el "gatillo" para iniciar el proceso de fusión, comúnmente se recurre a la fusión estándar, que implica el uso de láseres o sistemas de calentamiento intensivos. Este paso crucial puede generar productos de fisión y otros subproductos radiactivos, lo que plantea desafíos en términos de seguridad y control de desechos.

Para abordar este aspecto, se exploran métodos que implican la creación de un segundo núcleo aislante, diseñado para evitar la fuga de desechos radioactivos y mantener un entorno seguro en el reactor. Este enfoque busca minimizar la interacción del plasma con las paredes del reactor, reduciendo así la contaminación radiactiva.

(11.5) Disrupción

En un reactor de fusión, mantener los campos magnéticos de manera precisa es crucial para evitar fallos que podrían tener consecuencias adversas. En el contexto de dispositivos como tokamaks y stellarators, un fallo en el confinamiento magnético podría dar lugar a la pérdida de control del plasma y a fenómenos potencialmente destructivos.

Figura 11.6. El núcleo del reactor Stellarator, al igual que el Tokamak, busca lograr la fusión nuclear controlada para la producción de energía. A diferencia del Tokamak, el Stellarator utiliza una configuración magnética tridimensional más compleja y sin corrientes de plasma toroidales. Su diseño elimina la necesidad de corrientes de plasma y permite mantener el equilibrio magnético sin la necesidad de corrientes externas significativas. Esto simplifica la ingeniería y reduce las pérdidas de energía asociadas con las corrientes. Aunque más difícil de construir, el Stellarator ofrece ventajas en términos de estabilidad y eficiencia a largo plazo, representando una alternativa atractiva en la búsqueda de la fusión nuclear controlada.

Si los campos magnéticos no se mantienen adecuadamente, existe el riesgo de que el plasma se desestabilice y entre en contacto con las paredes del reactor. Esto podría dar lugar a eventos como interrupciones o pérdida de confinamiento, donde la energía liberada repentinamente podría generar condiciones extremas en el plasma, incluyendo temperaturas y presiones fuera de control. En algunos casos, esto podría manifestarse como un fenómeno conocido como "disrupción", que involucra la liberación brusca de energía y la pérdida de estabilidad del plasma.

En una disrupción, el plasma puede experimentar movimientos violentos y liberar energía en forma de radiación electromagnética y chorros de partículas cargadas. Si bien es poco probable que ocurra una explosión en el sentido convencional, el impacto de una disrupción podría dañar las estructuras del reactor y afectar su rendimiento.

Es importante señalar que la investigación y el diseño de sistemas de confinamiento magnético se centran en minimizar estos riesgos. Los científicos e ingenieros trabajan en mejorar la estabilidad del plasma y desarrollar medidas de seguridad para mitigar los efectos de posibles fallos. La comprensión y el control precisos de los campos magnéticos son esenciales para garantizar la viabilidad y seguridad de los reactores de fusión controlada.

(11.6) Erupción Solar

De hecho, existe una analogía interesante entre los procesos que ocurren en un reactor de fusión y las erupciones solares. Tanto en el sol como en un reactor de fusión, se maneja plasma a temperaturas extremadamente altas, y los campos magnéticos desempeñan un papel crucial en el control y la contención de este plasma.

Las erupciones solares son eventos explosivos en la superficie del sol que involucran la liberación repentina de energía almacenada en campos magnéticos. Del mismo modo, en un reactor de fusión, especialmente en casos de disrupciones, podría haber liberaciones de energía bruscas y fenómenos similares, aunque en una escala mucho menor.

Figura 11.7. Una erupción solar es un fenómeno violento en la atmósfera del Sol donde grandes cantidades de energía, en forma de luz y partículas cargadas, son expulsadas al espacio. Estas explosiones pueden liberar enormes cantidades de energía, superando en magnitudes astronómicas la potencia de cualquier evento en la Tierra. La masa y escala de una erupción solar son cósmicamente vastas en comparación con nuestro planeta. Las eyecciones de masa coronal pueden expulsar billones de toneladas de materia solar a velocidades impresionantes. Aunque estas erupciones pueden afectar las comunicaciones y redes eléctricas terrestres, resaltan la inmensidad y fuerza titánica de las fuerzas solares en el cosmos.

Las similitudes entre estos procesos no son solo superficiales. De hecho, los científicos a menudo estudian el comportamiento del plasma en el sol para obtener información valiosa sobre cómo manejar el plasma en reactores de fusión controlada. La investigación en fusión nuclear a menudo se beneficia de la comprensión de los fenómenos naturales que involucran plasma y campos magnéticos, como los que se observan en el sol.

Esta conexión entre la fusión nuclear y los fenómenos solares destaca la complejidad y la fascinante interacción entre la física del plasma, los campos magnéticos y la liberación de energía en ambos contextos. La naturaleza de estos procesos proporciona valiosas lecciones que contribuyen al desarrollo seguro y efectivo de la fusión nuclear como fuente de energía.

(11.7) Inteligencia artificial

La esfericidad del sol se debe fundamentalmente a su abrumadora fuerza gravitatoria, una colosal manifestación de su propia masa. A diferencia de un campo magnético, esta influencia gravitatoria se presenta como un factor de estabilidad más robusto y duradero. No obstante, incluso en el caso del sol, se observan fenómenos como las erupciones solares, provocadas por irregularidades en su campo magnético. Esta analogía destaca la complejidad de trabajar con campos magnéticos, factor clave en la fusión nuclear controlada.

En dispositivos terrestres de fusión, como los tokamaks y stellarators, donde la gravedad no es tan masiva como en el sol, se recurre al confinamiento magnético para mantener el plasma necesario para la fusión. No obstante, la estabilidad de este plasma requiere una atención constante, ya que variaciones en los campos magnéticos pueden llevar a eventos no deseados.

Es en este punto donde la integración de inteligencias artificiales (IA) se vislumbra como esencial. Las IA, capaces de realizar cálculos dinámicos y reajustar los campos magnéticos en tiempo real, podrían proporcionar una solución dinámica y adaptativa a los desafíos del confinamiento magnético. Este enfoque no solo implica el análisis de constantes físicas y experimentos clave, como el Tokamak de Iter, sino también la capacidad de aprender y mejorar continuamente.

Zhao, H. J., Guo, Z. H., Wu, X. Y., & Xiao, Y. Machine Learning to Classify Electrostatic Plasma Turbulence in Tokamaks.

(11.8) Geopolítica

Además de fomentar la cooperación global en torno a la energía nuclear, la fusión nuclear es otro aspecto de la competencia entre Estados Unidos y China que tiene enormes implicaciones para la lucha por la supremacía en el siglo XXI. El profesor Peng Xianjue de la Academia China de Física de Ingeniería ha afirmado: "La ignición de fusión es la joya de la corona de la ciencia y la tecnología en el mundo de hoy", lo que indica el nivel de interés que China tiene en la fusión nuclear. La contaminación del aire causada por las plantas de carbón ha contribuido al deseo de China de invertir en energía nuclear. En septiembre de este año, el gobierno chino anunció que aprobaron la construcción de la planta de pulso de mayor tamaño del mundo en la provincia de Sichuan, con planes para generar fusión nuclear para el 2028.

En total, China está superando a Estados Unidos en lo que respecta a la energía nuclear. En el caso de Estados Unidos, desde 2009, el Departamento de Energía (DOE) "ha otorgado menos de 900 millones de dólares para mejorar la infraestructura y la resistencia nucleares". La gran mayoría de la inversión en fusión nuclear proviene del sector privado, con solo 117 millones de dólares de una industria de 4.8 mil millones provenientes de fondos públicos hasta el 2022. Sin embargo, la Ley de Reducción de Inflación, aprobada en septiembre de 2022, promete 280 millones de dólares para "proyectos de construcción de ciencia de energía de fusión y artículos importantes de equipos". En contraste, según informes, China planea gastar 440 mil millones de dólares para construir más de 150 nuevas estaciones de energía nuclear en los próximos 15 años y está dedicando gran parte de sus recursos a nuevas pruebas de fusión.

Figura 11.8. En la actualidad, China está utilizando el reactor EAST para probar la tecnología de un reactor tokamak aún más grande que se está construyendo en Francia. En una colaboración entre 35 países, el Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER) será el reactor nuclear más grande del mundo. Estados Unidos, Reino Unido, China, India y todos los estados de la Unión Europea participan en el proyecto, según informa Live Science. Se espera que el reactor, que empezará a funcionar en 2025, tenga también el campo magnético más potente del mundo, que es 280000 veces más fuerte que el de la Tierra.

El reciente proyecto del "sol artificial" de China, parte de su reactor Tokamak de Superconductividad Avanzada Experimental (EAST), rompió récords mundiales a principios de 2022 al mantener una reacción de fusión nuclear durante más de 17 minutos. Durante el experimento, el plasma supercalentado alcanzó los 126 millones de grados Fahrenheit, sentando una "sólida base científica y experimental para el funcionamiento de un reactor de fusión", según Gong Xianzu, un investigador del Instituto de Física de Plasma de la Academia China de Ciencias. El proceso no requiere combustibles fósiles, no deja residuos radioactivos, es una alternativa más segura a la fisión y promete un futuro de energía más limpio y verde para China.

Con China a la vanguardia de la innovación en fusión, es necesario prestar más atención a las implicaciones geopolíticas de que China logre la fusión nuclear antes que Estados Unidos. Especialmente después de la invasión de Ucrania por parte de Putin en febrero de 2022, que ha provocado un aumento en los precios de la energía y la escasez de energía en toda Europa, el interés en la fusión nuclear como alternativa ha aumentado. Si China logra acaparar el mercado de una alternativa de energía ilimitada, económica y limpia, tendrá un enorme poder al controlar efectivamente el sector de la energía nuclear. La tecnología comercial de energía de fusión tiene el potencial de combatir la crisis climática, satisfacer las necesidades eléctricas del resto del mundo y revolucionar la industria energética en su conjunto, convirtiendo la ventaja del primer movimiento en un premio por ganar. La energía ha moldeado durante mucho tiempo el sistema internacional, determinando alianzas, rivalidades e incluso los resultados de las guerras. Con los rápidos cambios en el sector energético en los últimos años, sería prudente que Estados Unidos refuerce aún más su inversión en fusión nuclear y comience a rivalizar adecuadamente con los demás titanes de la energía nuclear, incluida China.

(12) La radiación

La radiactividad es la liberación de energía producto de la descomposición de los núcleos de ciertos tipos de átomos e isótopos. Los núcleos atómicos están formados por protones y neutrones unidos en pequeños paquetes en el centro de los átomos. Los núcleos radiactivos son inestables y se descomponen emitiendo partículas energéticas como fotones, electrones, neutrinos, protones, neutrones o alfas (dos protones y dos neutrones unidos). Algunas de estas partículas se conocen como partículas ionizantes, capaces de desprender electrones de átomos o moléculas debido a su energía. La intensidad de la radiactividad depende de la fracción de núcleos inestables y su frecuencia de descomposición.

El efecto de la radiactividad también varía según el tipo y la energía de las partículas producidas durante la descomposición nuclear. Por ejemplo, los neutrinos atraviesan constantemente la Tierra, mientras que las partículas alfa son bloqueadas por una hoja de papel. La radiactividad puede causar daño en materiales y en tejidos de plantas, animales y seres humanos. Científicos e ingenieros utilizan la radiactividad como fuente de calor para satélites, en imágenes médicas, tratamientos contra el cáncer, datación radiométrica e investigación sobre las leyes de la naturaleza y el origen de la materia.

Somos constantemente bombardeados por radiación de fuentes tanto naturales como artificiales. Estamos expuestos a radiación infrarroja, ultravioleta y visible del Sol; ondas de radio de estaciones de radio y televisión; microondas de hornos de microondas; rayos X de procedimientos médicos; y radioactividad de materiales naturales. Comprender las diferentes energías de estos tipos de radiación es necesario para comprender sus diversos efectos en la materia.

(12.1) Radiación ionizante

Cuando la materia absorbe radiación, la energía radiante puede excitar o ionizar los átomos en la materia. En general, la radiación que causa ionización, llamada radiación ionizante, es mucho más perjudicial para los sistemas biológicos que la radiación que no causa ionización. Esta última, denominada radiación no ionizante, suele tener menos energía, como la radiación electromagnética de radiofrecuencia o neutrones de movimiento lento. La mayoría de los tejidos vivos contienen al menos un 70% de agua en masa. Cuando se irradia tejido vivo, las moléculas de agua absorben la mayor parte de la energía de la radiación. Por lo tanto, es común definir la radiación ionizante como aquella que puede ionizar el agua, un proceso que requiere una energía mínima de 1216 kJ/mol. Los rayos alfa, beta y gamma (así como los rayos X y la radiación ultravioleta de mayor energía) poseen energías superiores a esta cantidad y, por lo tanto, son formas de radiación ionizante. Cuando la radiación ionizante atraviesa tejido vivo, los electrones se eliminan de las moléculas de agua, formando iones H₂O⁺ altamente reactivos. Un ion H²O⁺ puede reaccionar con otra molécula de agua para formar un ion H₃O⁺ y una molécula neutra de OH^-.

La molécula OH^- inestable y altamente reactiva es un radical libre, una sustancia con uno o más electrones desapareados, como se muestra en la estructura de Lewis en el margen. También se llama radical hidroxilo, y la presencia del electrón desapareado se destaca a menudo al escribir la especie con un solo punto, ∙OH. En células y tejidos, los radicales hidroxilo pueden atacar biomoléculas para producir nuevos radicales libres, que a su vez atacan otras biomoléculas. Así, la formación de un solo radical hidroxilo puede iniciar una gran cantidad de reacciones químicas que, en última instancia, pueden perturbar las operaciones normales de las células.

Figura 12.1. Habilidades relativas de penetración de la radiación alfa (núcleos de helio ionizados), beta (electrones de alta velocidad libres) y gamma (radiación electromagnética de ultra alta energía).

El daño producido por la radiación depende de la actividad y energía de la radiación, la duración de la exposición y si la fuente está dentro o fuera del cuerpo. Los rayos gamma son particularmente dañinos fuera del cuerpo porque penetran eficazmente en el tejido humano, al igual que los rayos X. En consecuencia, su daño no se limita a la piel. En cambio, la mayoría de los rayos alfa son detenidos por la piel, y los rayos beta solo pueden penetrar aproximadamente 1 cm más allá de la superficie de la piel. Por lo tanto, ni los rayos alfa ni los beta son tan peligrosos como los rayos gamma, a menos que la fuente de radiación de alguna manera ingrese al cuerpo. Dentro del cuerpo, los rayos alfa son particularmente peligrosos porque transfieren su energía de manera eficiente al tejido circundante, causando un daño considerable.

En general, los tejidos más afectados por la radiación son aquellos que se reproducen rápidamente, como la médula ósea, los tejidos formadores de sangre y los ganglios linfáticos. El principal efecto de la exposición prolongada a dosis bajas de radiación es provocar cáncer. El cáncer se produce por daño al mecanismo de regulación del crecimiento celular, induciendo a las células a reproducirse de manera incontrolada. La leucemia, caracterizada por un crecimiento excesivo de glóbulos blancos, es probablemente el principal tipo de cáncer causado por la radiación.

Figura 12.2. Fuentes de la exposición anual promedio a radiación de alta energía en los Estados Unidos. La exposición anual promedio total es de 3.6 mSv. Datos de "Exposición a la Radiación Ionizante de la Población de los Estados Unidos", Informe 93, 1987, e Informe 160, 2009, Consejo Nacional de Protección contra la Radiación.

Dada la naturaleza de los efectos biológicos de la radiación, es importante determinar si algún nivel de exposición es seguro. Desafortunadamente, nuestras tentativas de establecer estándares realistas se ven obstaculizadas porque no comprendemos completamente los efectos de la exposición a largo plazo. Los científicos encargados de establecer estándares de salud han utilizado la hipótesis de que los efectos de la radiación son proporcionales a la exposición. Se asume que cualquier cantidad de radiación causa algún riesgo finito de lesión, y los efectos de tasas de dosis altas se extrapolan a las de dosis más bajas. Sin embargo, otros científicos creen que hay un umbral por debajo del cual no existen riesgos de radiación. Hasta que la evidencia científica nos permita resolver el asunto con cierta confianza, es más seguro suponer que incluso niveles bajos de radiación presentan cierto peligro, y que sus efectos son acumulativos.

(12.2) Dosis

Dos unidades se utilizan comúnmente para medir la exposición a la radiación. El gray (Gy), la unidad del Sistema Internacional de dosis absorbida, corresponde a la absorción de 1 J de energía sobre kilogramo de tejido. El rad (dosis absorbida de radiación) corresponde a la absorción de 1 x 10^-2 J de energía sobre kilogramo de tejido. Así, 1 Gy = 100 rad. El rad es la unidad más utilizada en medicina.

No todas las formas de radiación dañan los materiales biológicos en la misma medida, incluso al mismo nivel de exposición. Por ejemplo, 1 rad de radiación alfa puede causar más daño que 1 rad de radiación beta. Para corregir estas diferencias, la dosis de radiación se multiplica por un factor que mide el daño relativo causado por la radiación. Este factor de multiplicación se conoce como la efectividad biológica relativa, RBE. El RBE es aproximadamente 1 para la radiación gamma y beta, y 10 para la radiación alfa.

El valor exacto del RBE varía con la tasa de dosis, la dosis total y el tipo de tejido afectado. El producto de la dosis de radiación en rads y el RBE de la radiación proporciona la dosis efectiva en rem (equivalente roentgen para el ser humano).

La unidad del Sistema Internacional para la dosis efectiva es el sievert (Sv), obtenido al multiplicar el RBE por la unidad del SI para la dosis de radiación, el gray. Dado que un gray es 100 veces mayor que un rad, 1 Sv = 100 rem. El rem es la unidad de daño por radiación comúnmente utilizada en medicina.

Tabla 12.1. Efectos de exposiciones a corto plazo de radiación en sieverts.

Efectos de exposiciones a corto plazo en humanos de radiación en sieverts	Rangos
Ningún efecto observable	0 a 0.25 Sv
Dolor de cabeza y fatiga	0.25 a 0.50 Sv
Náuseas y vómitos	0.50 a 1.00 Sv
Daño temporal en las células	1.00 a 2.00 Sv
Daño celular grave y riesgo de muerte	2.00 a 5.00 Sv

Los efectos de la exposición a corto plazo a la radiación se muestran en la Tabla 21.9. Una exposición de 6 Sv es fatal para la mayoría de los seres humanos. Para poner este número en perspectiva, una radiografía dental típica implica una exposición de aproximadamente 5 mSv. La exposición promedio de una persona en 1 año debido a todas las fuentes naturales de radiación ionizante (llamada radiación de fondo) es de alrededor de 3.6 mSv.

(12.3) Usos en alimentos

Si consumes alimentos procesados, es probable que hayas ingerido ingredientes expuestos a rayos radioactivos. En los Estados Unidos, hasta el 10 por ciento de hierbas y especias se someten a irradiación para controlar el moho, siendo expuestas a rayos X en una dosis equivalente a 60 millones de radiografías de tórax. Aunque la irradiación de alimentos se ha utilizado de alguna manera durante más de 50 años, enfrenta un futuro incierto en este país. En 1953, el Ejército de EE. UU. inició un programa experimental de irradiación de alimentos para que las tropas desplegadas tuvieran alimentos frescos sin necesidad de refrigeración. El procedimiento es sencillo: se expone la comida a niveles elevados de radiación para eliminar insectos y bacterias dañinas, luego se empaqueta en envases herméticos, donde puede almacenarse durante meses sin deterioro.

Las fuentes de radiación más comunes para la conservación de alimentos son el cobalto-60 y el cesio-137, ambos emisores de rayos gamma, aunque los rayos X y los haces de electrones también pueden utilizarse para irradiar alimentos. Los beneficios de la irradiación de alimentos son evidentes: reduce la demanda de energía al eliminar la necesidad de refrigeración y prolonga la vida útil de diversos alimentos, lo cual es vital para países con recursos limitados. Sin embargo, hay una considerable oposición a este procedimiento. En primer lugar, existe el temor de que los alimentos irradiados puedan volverse radioactivos, aunque no se ha encontrado evidencia de esto. Una objeción más seria es que la irradiación puede destruir nutrientes como las vitaminas y los aminoácidos. Además, la radiación ionizante produce especies reactivas, como el radical hidroxilo, que luego reaccionan con las moléculas orgánicas para producir sustancias potencialmente dañinas. Curiosamente, los mismos efectos se producen cuando los alimentos se cocinan mediante calor.

(12.4) Radioterapia

Cada año, más de medio millón de personas en el mundo son diagnosticadas con tumores cerebrales y alrededor de 2000 fallecen a causa de la enfermedad. El tratamiento de un tumor cerebral es uno de los más desafiantes en casos de cáncer debido a la ubicación del crecimiento maligno, lo que dificulta y a menudo hace imposible su extirpación quirúrgica. De manera similar, la terapia de radiación convencional utilizando rayos X o rayos gamma desde fuera del cráneo rara vez es efectiva.

Una aproximación ingeniosa a este problema se llama terapia de captura de neutrones de boro (BNCT, por sus siglas en inglés). Esta técnica combina dos componentes, cada uno de los cuales por separado tiene efectos perjudiciales mínimos en las células. El primer componente utiliza un compuesto que contiene un isótopo estable de boro (¹⁰B) que puede concentrarse en las células tumorales. El segundo componente es un haz de neutrones de baja energía. Al capturar un neutrón, se produce la siguiente reacción nuclear:

\[ _{5}^{10}\text{B} +_{0}^{1}\text{n} \rightarrow _{5}^{7}\text{Li} + _{2}^{4}\alpha \]

Eq 12.1. Captura de neutrones por boro.

La partícula α que retrocede y el núcleo de litio juntos transportan aproximadamente 3.8 × 10^-13 J de energía. Debido a que estas partículas de alta energía están confinadas a solo unos micrómetros (aproximadamente el diámetro de una célula), pueden destruir selectivamente las células tumorales sin dañar los tejidos circundantes. El boro-10 tiene una gran sección eficaz de absorción de neutrones y, por lo tanto, es especialmente adecuado para esta aplicación. La radiación ionizante, como los rayos X, requiere oxígeno para producir radicales hidroxilo y superóxido reactivos que aumentan su eficacia biológica. Sin embargo, un tumor en expansión rápida a menudo agota su suministro sanguíneo y, por lo tanto, también el contenido de oxígeno. La terapia de captura de neutrones de boro (BNCT) no requiere oxígeno y, por lo tanto, no sufre esta limitación. Actualmente, BNCT es un área activa de investigación que involucra la colaboración de químicos, físicos nucleares y médicos.

(12.5) Trazadores metabólicos

Las reacciones nucleares y los radioisótopos han demostrado ser herramientas valiosas en el estudio del metabolismo, proporcionando una visión única de los procesos biológicos fundamentales. Este enfoque, conocido como trazado isotópico, ha influido significativamente en la biología pura, la investigación en salud, la agricultura y la medicina. En esta descripción, exploraremos cómo las reacciones nucleares y los radioisótopos se han convertido en instrumentos esenciales en la comprensión de la vida a nivel molecular y en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.

(12.5.1) Biología Pura:

En el ámbito de la biología pura, el uso de trazadores isotópicos ha revolucionado la investigación. Un ejemplo destacado es el estudio del ciclo del carbono en las plantas. Al incorporar carbono radiactivo, como el carbono-14, en el dióxido de carbono atmosférico, los científicos pueden rastrear cómo las plantas fotosintéticas convierten este carbono en compuestos orgánicos. Este método ha revelado detalles cruciales sobre la dinámica de las plantas y ha permitido comprender mejor la fotosíntesis.

Además, en investigaciones sobre la reproducción celular, se han utilizado trazadores isotópicos para seguir el destino de moléculas específicas. Por ejemplo, en la replicación del ADN, la incorporación de timidina marcada con tritio permite seguir visualmente la síntesis de nuevas cadenas de ADN. Estos estudios proporcionan información valiosa sobre los mecanismos de duplicación genética y la regulación del ciclo celular.

(12.5.2) Investigación Agrícola:

En la agricultura, los trazadores isotópicos han contribuido al desarrollo de prácticas agrícolas más eficientes. Un ejemplo es el uso de nitratos radiactivos en el estudio de la absorción de nutrientes por las plantas. La aplicación de nitratos marcados permite a los investigadores determinar cómo los cultivos toman y utilizan los nutrientes del suelo, lo que lleva a estrategias de fertilización más precisas y sostenibles.

Además, en la mejora genética de cultivos, se han utilizado radioisótopos para inducir mutaciones específicas en el material genético de las plantas, acelerando así el proceso de obtención de nuevas variedades resistentes a enfermedades o más productivas.

(12.5.3) Medicina:

La aplicación de reacciones nucleares y radioisótopos en medicina es una de las áreas más destacadas y transformadoras. La tomografía por emisión de positrones (PET) es un ejemplo paradigmático. En esta técnica, se utilizan radiofármacos que emiten positrones, como el flúor-18, para visualizar la actividad metabólica en tejidos. La capacidad de observar la distribución de estos radiofármacos en el cuerpo ha mejorado enormemente el diagnóstico y la monitorización de enfermedades como el cáncer.

Figura 12.3. El tomógrafo por emisión de positrones (PET) es un avanzado dispositivo médico que utiliza radiofármacos para visualizar procesos metabólicos en el cuerpo. En este equipo, un paciente recibe una pequeña cantidad de un radioisótopo emisor de positrones, como el flúor-18. Cuando estos positrones se aniquilan con electrones en el cuerpo, se emiten fotones gamma detectados por el escáner PET. La computadora transforma esta información en imágenes tridimensionales de alta resolución, revelando patrones metabólicos y localizando áreas con actividad anormal, crucial en la detección temprana y seguimiento de enfermedades como el cáncer.

En el ámbito de la medicina nuclear, se emplean radioisótopos para tratamientos terapéuticos. El yodo-131, por ejemplo, se utiliza para tratar el hipertiroidismo y ciertos tipos de cáncer de tiroides. Los radioisótopos emisores de partículas alfa, como el polonio-210, se han aplicado en el tratamiento de tumores específicos.

(12.5.4) Investigación en Salud:

En la investigación sobre la salud humana, los trazadores isotópicos han sido esenciales para comprender el metabolismo y la dinámica de nutrientes en el cuerpo. La ingestión de compuestos marcados con isótopos estables o radiactivos ha permitido rastrear la absorción, distribución, metabolismo y excreción de nutrientes esenciales.

Un caso de estudio notable es el uso de calcio-47 para investigar el metabolismo óseo. La administración de este radioisótopo permite monitorear la incorporación de calcio en el tejido óseo, proporcionando información valiosa sobre la formación y resorción ósea.

(12.6) Venenos

El uso de isotopos y reacciones nucleares con fines tácticos ha estado presente en diversas instancias históricas, incluyendo el ámbito militar y espionaje. Durante la Guerra Fría, la KGB, la agencia de inteligencia soviética, exploró métodos de asesinato utilizando sustancias radiactivas, como el polonio-210, para envenenar a disidentes y agentes enemigos. Un ejemplo notable fue el caso de Alexander Litvinenko, exagente del FSB ruso, envenenado en 2006 con polonio-210 en Londres.

Figura 12.4. Alexander Litvinenko, exagente del FSB ruso y crítico del gobierno de Putin, fue envenenado con polonio-210 en Londres en 2006. Este incidente reveló tácticas letales de la KGB, la agencia de inteligencia rusa. Litvinenko, tras beber té contaminado, experimentó una agonía prolongada antes de fallecer. La investigación británica concluyó que la operación fue probablemente aprobada por el Kremlin. Este caso aumentó la preocupación internacional sobre el uso de sustancias radiactivas con fines políticos y desató tensiones diplomáticas. El asesinato de Litvinenko puso de manifiesto la sofisticación y peligrosidad de las tácticas empleadas por los servicios de inteligencia rusos.

En términos de tratamiento para paliar los efectos de la radiación, se han desarrollado protocolos médicos específicos. La quelación con agentes como el dimercaprol o el succímero puede ayudar a eliminar metales pesados radiactivos del cuerpo. Además, se han estudiado compuestos como el Prussian Blue para absorber cesio radiactivo. Estos enfoques buscan mitigar los impactos adversos de la exposición a materiales radiactivos en situaciones tácticas o de emergencia. Es crucial señalar que el uso de sustancias radiactivas con fines hostiles va en contra de normas éticas y legales internacionales.

(12.7) Detección

Las alarmas de humo domésticas del tipo 'ionización' contienen una pequeña cantidad de material radiactivo (generalmente Am-241). Este material ioniza el aire en una cámara en la alarma, permitiendo que circule una pequeña corriente. Si hay humo presente, esto interrumpe el flujo de iones, lo que activa una alarma sonora. Este es solo un dispositivo común en el que se encuentran radionúclidos. Para garantizar que estos dispositivos sean seguros en el hogar, la cantidad de radiación que emiten se regula cuidadosamente. En esta sección, exploraremos las formas de cuantificar la radiación.

La detección de radiación peligrosa es fundamental para salvaguardar la salud y el medio ambiente. Entre los dispositivos utilizados con este fin, el contador Geiger-Müller (GM) se destaca por su eficacia y versatilidad. Funciona según el principio de ionización gaseosa, empleando un tubo lleno de gas a baja presión con un electrodo central y un cilindro externo conectados a una fuente de voltaje. Cuando la radiación ionizante atraviesa el tubo, genera pares de electrones y iones positivos, creando un cortocircuito detectado como una corriente eléctrica amplificada y registrada como un pulso audible o visible.

(12.7.1) Placa fotográfica

Se han ideado diversas métodos para detectar emisiones de sustancias radiactivas. Henri Becquerel descubrió la radioactividad porque la radiación causaba opacidad en placas fotográficas, y desde entonces, se han utilizado placas fotográficas y películas para detectar la radioactividad. La radiación afecta la película fotográfica de manera similar a como lo hacen los rayos X. Cuanto mayor sea la exposición a la radiación, más oscuro será el área del negativo revelado. Las personas que trabajan con sustancias radiactivas llevan distintivos de película para registrar la magnitud de su exposición a la radiación.)

(12.7.2) Contador Geiger

Este contador es sensible a diversas formas de radiación, incluyendo partículas alfa, beta y gamma, lo que lo hace versátil en la detección de diferentes tipos de radiación ionizante. Su respuesta rápida lo hace adecuado para situaciones de peligro inminente. Su diseño compacto facilita su transporte, permitiendo su uso en una variedad de entornos, desde instalaciones industriales hasta equipos de respuesta a emergencias.

El contador Geiger-Müller se utiliza ampliamente en aplicaciones que requieren monitoreo constante de radiación, como la industria nuclear, medicina, investigación y control ambiental. Su eficacia se aprecia en el control de la radiación en instalaciones nucleares, durante la manipulación de materiales radiactivos, en procedimientos médicos con isótopos radiactivos, en laboratorios de investigación y en situaciones de emergencia nuclear para evaluar rápidamente la exposición a la radiación.

A pesar de sus beneficios, el contador Geiger-Müller presenta limitaciones, ya que no proporciona información detallada sobre la energía de la radiación detectada y puede saturarse en entornos de alta radiación. A pesar de estas limitaciones, su amplio uso y su papel clave en diversas aplicaciones demuestran su importancia en la detección y monitorización de la radiación peligrosa.

(12.7.3) Trazadores lumínicos

Algunas sustancias, llamadas fósforos, emiten luz cuando la radiación las golpea o las atraviesa. La radioactividad excita a los átomos, iones o moléculas del fósforo a un estado de energía más alto, y liberan esta energía en forma de luz al regresar a sus estados fundamentales. Por ejemplo, el ZnS responde de esta manera a la radiación alfa. Un instrumento llamado contador de centelleo detecta y cuenta los destellos de luz producidos cuando la radiación golpea el fósforo. Los destellos de luz se amplifican electrónicamente y se cuentan para medir la cantidad de radiación.

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\[\Delta \dot{E}=\Sigma (\nu_J \cdot Ar_J^o)\cdot \Xi \cdot \dot{E}_u\]	Eq 5.1. Energía de la reacción nuclear para eventos de reacción unitarias en término de la suma de las masas relativas de las partículas involucradas, el número de eventos de reacción \(\Xi\) y la constante de energía atómica \(\dot{E}_u\) = 1.494×10^-10 J = 932 MeV
\[\Delta E^{o}=\Sigma (\nu_J \cdot Ar_J^o) \cdot E_u^{o}\]	Eq 5.2. Energía de la reacción nuclear estándar para 1 mol de reacción, en términos de la constante de energía molar \(E^{o}\) = 8.9874×10¹³ J/mol.
\[\Delta E= \left \| \frac{n_J}{\nu_j} \right \| \cdot \Delta E^{o} \]	Eq 5.3. Energía de la reacción nuclear para una cantidad arbitraria de alguna sustancia consumida o producida \(n_J\).
\[ Ar_J^o = \text{Ar}_J - N_{eJ} \cdot Ar_e \]	Eq 5.4. Masa relativa de un núcleo (J) desnudo \(Ar_J^o\) en términos de la masa relativa del isótopo \(Ar_J\), el número de electrones de ese núcleo J \( N_{eJ}\) y la constante de masa relativa del electrón \(Ar_e\)=5.4858×10⁻⁴.
\[ \dot{E}_u=m_u \cdot c^2 \]	Eq 5.5. Constante de energía atómica/masa atómica \(\dot{E}_u\) = 1.494×10^-10 J = 932 MeV. Representa la relación entre energía un una sola entidad definida por la constante de masa atómica.

sábado, 7 de octubre de 2023