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Descubrimiento[editar]

Artículo principal: Física nuclear

La vasta mayoría de los fenómenos naturales más comunes de la Tierra ocurren en el contexto de la gravedad y del electromagnetismo y no de las reacciones nucleares. Esto se debe a que los átomos de los núcleos se mantienen separados porque contienen cargas eléctricas positivas, y por lo tanto se repelen entre sí.

En 1896, Henri Becquerel estaba investigando la fosforescencia en sales de uranio cuando él descubrió un nuevo fenómeno al que denominó radiactividad.1 Él, Pierre Curie y Marie Curie comenzaron a investigar el fenómeno. En el proceso, ellos aislaron el elemento radio, que es altamente radiactivo. Ellos descubrieron que los materiales radiactivos producen intensos y penetrantes rayos de tres distintas clases, a los cuales denominaron alfa, beta y gama por las tres primeras letras del alfabeto griego. Algunos de estos podían pasar a través de la materia ordinaria y todos ellos podían ser dañinos para la salud en grandes cantidades. Todos los primeros investigadores recibieron quemaduras por radiación, parecidas a las causadas por quemaduras solares y no se preocupaban mucho al respecto.

El nuevo fenómeno de la radiactividad fue tomado por los fabricantes de medicinas falsas (como antes lo habían hecho también con la electricidad y el magnetismo) y se crearon una gran cantidad de medicinas falsas y tratamientos que usaban la radiactividad.

Gradualmente, se dieron cuenta que la radiación producida por el decaimiento radiactivo era radiación por ionización y que incluso cantidades demasiado pequeñas para causar quemaduras tenían severa peligrosidad a largo plazo. Muchos de los científicos que trabajaron con radiactividad murieron de cáncer como un resultado de su exposición a esta. Los primeros tratamientos y medicinas que usaban radiactividad desaparecieron pero otras aplicaciones de los materiales radiactivos persistieron, tales como el uso de sales de radio para producir diales autoiluminados en relojes y otros instrumentos.

A la medida que el átomo se comprendía mejor, la naturaleza de la radiactividad se conoció más claramente. Algunos grandes núcleos atómicos eran inestables y por lo tanto también su tasa de decaimiento (liberación de materia o energía) a intervalos aleatorios. Las tres formas de radiación que Becquerel y los Curies descubrieron se comprendió de mejor manera. La desintegración o decaimiento Alfa es cuando un núcleo libera una partícula alfa, que es cuando dos protones y dos neutrones, equivalente a un núcleo de helio. La desintegración Beta es la liberación de una partícula beta, un electrón de alta energía. La desintegración Gamma libera rayos gamma, que a diferencia de las radiaciones alfa y beta no es materia sino que es radiación electromagnética de muy alta frecuencia, y por lo tanto energía. Este tipo de radiación es la más peligrosa y es la más difícil de bloquear. Estos tres tipos de radiación ocurren naturalmente en algunos elementos específicos.

Se ha llegado a la conclusión que la fuente original de la mayor parte de la energía de origen terrestre es nuclear, ya sea a través de la radiación del Sol que es causada por reacciones termonucleares estelares o por el decaimiento radiactivo del uranio dentro de la Tierra, la principal fuente de la energía geotermal.

Fisión[editar]

Artículo principal: Fisión nuclear

En la radiación nuclear natural, los subproductos son muy pequeños cuando se comparan a los núcleos de los cuales se originan. La fisión nuclear es el proceso de dividir un núcleo en dos partes aproximadamente similares, proceso que libera energía y neutrones. Si estos neutrones son capturados por otro núcleo inestable, estos también pueden fisionarse, lo que puede llevar a una reacción en cadena. La cantidad promedio de neutrones liberados por núcleos que influyen en la fisión de otro núcleo se llama k. Los valores de k más grandes que 1 significa que la reacción de fisión está liberando más neutrones de los que absorbe, y por lo tanto se le llama como una reacción en cadena auto sostenible. Una masa de material fisible lo suficientemente grande (y en una configuración adecuada) para inducir una reacción en cadena auto sostenible es llamada una masa crítica.

Cuando un neutrón es capturado por un núcleo adecuado, la fisión puede ocurrir de inmediato, o el núcleo puede persistir en un estado inestable por un corto tiempo. Si existen los suficientes decaimientos inmediatos para soporta la cadena en reacción, se dice sobre esa masa que es inmediatamente crítica, y la energía liberada crecerá rápida e incontrolablemente, lo que usualmente lleva a una explosión.

Cuando se descubrió al principio de la Segunda Guerra Mundial, esta idea llevó a varios países a comenzar programas que investigaran la posibilidad de construir una bomba atómica — un arma que utilizara las reacciones de fisión para generar lejos mucho más energía de lo que era posible lograr con explosivos químicos. El Proyecto Manhattan, llevado a cabo por Estados Unidos con la ayuda del Reino Unido y de Canadá, desarrolló varias armas de fisión que fueron usadas contra Japón en 1945. Durante el proyecto, también se desarrollaron los primeros reactores de fisión, aunque ellos fueron usados principalmente para la fabricación de armas y no para generar electricidad.

Sin embargo, si la masa es crítica sólo cuando los neutrones retrasados están incluidos, la reacción puede ser controlada, por ejemplo mediante la introducción o remoción de materiales que absorben los neutrones. Esto es lo que permite que se puedan construir reactores nucleares. Los neutrones rápidos no son capturadas fácilmente por el núcleo, así su velocidad debe ser disminuida (neutrones lentos), generalmente mediante la colisión con el núcleo de un moderador de neutrones, antes de que puedan ser capturados con mayor facilidad. Actualmente, este tipo de fisión es comúnmente usada para generar electricidad.

Fusión[editar]

Artículo principal: Fusión nuclear

Véase también: Línea cronológica de la fusión nuclear

Si los núcleos son forzados a colisionar, ellos pueden producir lo que se conoce como fusión nuclear. Este proceso puede liberar o absorber energía. Cuando el núcleo resultante es más ligero que el del hierro, normalmente se libera energía; cuando el núcleo es más pesado que el del hierro, generalmente se absorbe energía. Este proceso de fusión ocurre en las estrellas, que derivan su energía del hidrógeno y del helio. Ellos forman, a través de la nucleosíntesis estelar, elementos ligeros (litio a calcio) así como algunos de los elementos más pesados (más allá del hierro y el níquel, a través del proceso-S). Los restantes elementos pesados, del níquel al uranio y más allá, es debido a la nucleosíntesis de supernovas, el proceso-R.

Por supuesto, estos procesos naturales de astrofísica no son ejemplos de la "tecnología" nuclear. Debido a la muy fuerte repulsión de los núcleos, la fusión es difícil de lograr de una forma controlada. La bomba de hidrógeno obtiene su enorme poder destructivo de la fusión, pero su energía no puede ser controlada. La fusión controlada es lograda en aceleradores de partículas; es de esta forma como se producen muchos elementos sintéticos. Un fusor también puede producir fusión controlada y es una útil fuente de neutrones. Sin embargo, ambos dispositivos funcionan con una pérdida neta de energía. Una fuente de energía de fusión controlable, viable ha probado ser elusiva, a pesar del ocasional engaño de la fusión fría. Las dificultades técnicas y teóricas han estorbado el desarrollo de tecnología de fusión de uso civil que funcione, aunque la investigación continúa actualmente en muchas partes en el mundo.

Inicialmente la fusión nuclear fue investigada sólo teoréticamente durante la Segunda Guerra Mundial, cuando los científicos del Proyecto Manhattan (liderados por Edward Teller) la investigaron como un método para construir una bomba. El proyecto fue abandonado después de concluir que se requeriría de una reacción de fisión para detonarla. Recién en el año 1952 la primera bomba de hidrógeno pudo ser detonada, llamada así debido a que usa las reacciones entre el deuterio y el tritio. las reacciones de fusión son mucho más energéticas por unidad de masa de combustible nuclear que las reacciones de fisión, pero comenzar una reacción en cadena de fusión es mucho más difícil.

Armas nucleares[editar]

Artículo principal: Arma nuclear

Un arma nuclear es un dispositivo explosivo que deriva su fuerza destructiva de las reacciones nucleares, ya sea por fisión o una combinación de fisión y fusión. Ambos tipos de reacciones liberan enormes cantidades de energía a partir de relativamente pequeñas cantidades de materia. Incluso dispositivos nucleares pequeños pueden devastar a una ciudad por la onda de choque, fuego y radiación. Las armas nucleares son consideradas como armas de destrucción masiva y su uso y control han sido un aspecto principal de la política internacional desde su debut.

El diseño de armas nucleares es más complicado de lo que parece ser. Un arma de este tipo debe contener una o más masas fisibles subcríticas lo suficientemente estables para ser desplegadas, para luego inducir o crear una masa crítica para poder detonarla. También es muy difícil asegurar que la reacción en cadena consuma una fracción significativa del combustible antes de que el dispositivo vuele en pedazos.

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