Física Nuclear

Introducción

La física es la ciencia que estudia la naturaleza en su sentido más amplio, pero la física no es una ciencia exacta ésta trata de acercarse a una explicación de los fenómenos de la naturaleza de la manera más precisa y simple posible. El campo de la física es mucho más amplio, ya que se utiliza, por ejemplo, en la explicación de la aparición de propiedades emergentes, más típicas de otras ciencias como Sociología y Biología. Esto hace que la física y sus métodos se puedan aplicar y utilizar en otros campos de la ciencia y se utilicen para cualquier tipo de investigación científica, por ejemplo, la física nuclear la cual ha sido una importante herramienta que estudia las propiedades y el comportamiento de los núcleos atómicos. La física nuclear abarca un campo muy amplio en lo que a la aplicación de métodos en la medicina y en armamento nuclear se refiere.

Física nuclear

Es la rama de la Física que estudia la estructura de los núcleos atómicos, que contienen la práctica totalidad de la masa de la materia y donde se producen reacciones que hacen brillar las estrellas o producen energía. Los protones y neutrones que forman el núcleo del átomo se encuentran unidos por la interacción nuclear, de corto alcance. El balance entre la repulsión entre protones y la atracción nuclear de protones y neutrones da lugar a todos los núcleos conocidos.

Para saber cómo aparecen los distintos elementos hemos de conocer cómo se crearon todos los núcleos a partir del hidrógeno primordial que se creó durante el origen del Universo. En el origen, sólo se creó hidrógeno y algunos núcleos ligeros como el helio. Los núcleos más grandes se crearon en el interior de las estrellas o en fenómenos cataclísmicos como las explosiones de supernovas. Los procesos de creación de núcleos más pesados que el hierro son complejos, ya que estos núcleos no pueden crearse por la mera fusión del combustible nuclear de las estrellas.

Para estudiar estos procesos y determinar el porqué de las abundancias observadas de los elementos, es preciso recrear en el laboratorio condiciones de temperatura y presión extremas, para poder reproducir las reacciones de creación de núcleos pesados. Estos experimentos se llevan a cabo en instalaciones como ISOLDE en el CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas), o en FAIR, que se está construyendo en el GSI en Alemania.

Fuerzas nucleares

Una fuerza nuclear es aquella fuerza que tiene origen exclusivamente en el interior de los núcleos atómicos. Existen dos fuerzas nucleares, la fuerza fuerte que actúa sobre los nucleones y la fuerza débil que actúa en el interior de los mismos.

Existen dos tipos de fuerzas nucleares de entre las cuatro fuerzas de la naturaleza, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. En los últimos años se ha conseguido unificar la fuerza nuclear débil con la fuerza electromagnética, originando así la fuerza conocida como fuerza electrodébil. Estas cuatro fuerzas pueden explicarse mediante la mecánica cuántica a diferencia de la fuerza gravitatoria que solo puede explicarse mediante la teoría de la relatividad general.

Fuerza nuclear fuerte

Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protones y neutrones) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.

Los efectos de esta fuerza sólo se aprecian a distancias muy pequeñas, del tamaño de los núcleos atómicos, y no se perciben a distancias mayores a 1 fm.

Fuerza nuclear débil

Es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. En el modelo estándar de la física de partículas, ésta se debe al intercambio de los bosones W y Z, que son muy masivos. El efecto más familiar es el decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad. La palabra "débil" deriva del hecho que un campo de fuerzas es de 1013 veces menor que la interacción nuclear fuerte; aun así esta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias.

Física médica

La Física Nuclear no sólo nos permite responder preguntas sobre cómo está formada la materia o cómo ha evolucionado el Universo, sino que recientemente ha permitido el desarrollo de aplicaciones que van desde las terapias y diagnóstico médicos mediante técnicas como la tomografía por emisión de positrones (PET) o la hadronterapia, hasta la generación de energía o el análisis de obras de arte. En la actualidad, más de la mitad de los aceleradores de partículas repartidos por el mundo están en hospitales para usarse en Medicina.

Es la aplicación de los conceptos, leyes, modelos, técnicas y métodos de la física para la prevención, diagnóstico y tratamiento de enfermedades. La física médica ha tenido más participación en áreas como la radioterapia, el radiodiagnóstico, la resonancia magnética, medicina nuclear y la protección radiológica.

Fisión y fusión nuclear

La fusión nuclear es una reacción en la que se unen dos núcleos ligeros para formar uno más pesado. Este proceso desprende energía porque el peso del núcleo pesado es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros. Este defecto de masa se transforma en energía, se relaciona mediante la fórmula E=mc2, aunque el defecto de masa es muy pequeño y la ganancia por átomo es muy pequeña, se ha de tener en cuenta que es una energía muy concentrada, en un gramo de materia hay millones de átomos, con lo que poca cantidad de combustible da mucha energía.

La fisión nuclear consiste en la división del núcleo de un átomo pesado en otros elementos más ligeros, de forma que en esta reacción se libera gran cantidad de energía. A pesar de ser altamente productiva (enérgicamente hablando), es también muy difícil de controlar, como podemos ver en las bombas de Nagasaki e Hiroshima.

Leyes de desplazamiento radioactivo

1ª.- Cuando un núcleo radiactivo emite una partícula Alfa, el elemento resultante se desplaza dos lugares a la izquierda en el sistema

...