Física nuclear: radiactividad, fisión, fusión y otras formas de energía
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El núcleo del átomo es diminuto, pero guarda una cantidad enorme de energía. La física nuclear estudia cómo se transforma: en la radiactividad, en las centrales nucleares y en el corazón del Sol.
El descubrimiento de la radiactividad
- Henri Becquerel (1896) notó que unas sales de uranio velaban placas fotográficas aunque estuvieran a oscuras: emitían radiación por sí mismas.
- Marie y Pierre Curie descubrieron otros elementos radiactivos, como el polonio y el radio. Marie Curie ganó dos premios Nobel, en Física y en Química.
La radiactividad es la emisión espontánea de radiación por núcleos inestables, que se transforman en núcleos de otros elementos.
Tipos de radiación (decaimiento radiactivo)
| Radiación | Qué es | Carga | Poder de penetración | Se detiene con |
|---|---|---|---|---|
| Alfa () | Núcleo de helio (2 protones y 2 neutrones) | Bajo | Una hoja de papel o la piel | |
| Beta () | Electrón emitido por el núcleo | Medio | Una lámina de aluminio | |
| Gamma () | Onda electromagnética de muy alta energía | 0 | Alto | Varios centímetros de plomo o concreto |
Al emitir una partícula alfa, el núcleo pierde 2 protones y se convierte en otro elemento; por ejemplo, el uranio-238 se transforma en torio-234.
Vida media
Es el tiempo en que se desintegra la mitad de los núcleos de una muestra radiactiva. Después de cada vida media queda la mitad de lo que había.
Ejemplo: una muestra de 80 g tiene una vida media de 5 años. Después de 15 años (tres vidas medias) quedan g.
- masa restante (g)
El carbono-14, con una vida media de unos 5 730 años, se usa para fechar fósiles y restos arqueológicos.
Detectores de radiación
- Contador Geiger: la radiación ioniza el gas dentro de un tubo y produce pulsos eléctricos que se escuchan como chasquidos.
- Cámara de niebla: muestra las trayectorias de las partículas como rastros de gotitas.
- Dosímetros: placas que usa el personal de hospitales para medir la radiación que recibe.
Fisión y fusión nuclear
La energía nuclear proviene de la equivalencia entre masa y energía de Einstein:
Una pequeña cantidad de masa se convierte en muchísima energía: un gramo de masa equivale a J.
| Fisión | Fusión | |
|---|---|---|
| Qué ocurre | Un núcleo pesado (uranio-235, plutonio) se divide en dos más ligeros al ser golpeado por un neutrón | Dos núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno) se unen para formar uno más pesado (helio) |
| Dónde ocurre | Centrales nucleares, bombas atómicas | Las estrellas, como el Sol; bombas de hidrógeno |
| Particularidad | Libera neutrones que provocan una reacción en cadena | Necesita temperaturas de millones de grados; aún no se controla para producir electricidad |
| Residuos | Radiactivos de larga duración | Muy pocos |
Aplicaciones de la radiactividad y la energía nuclear
- Medicina: radioterapia contra el cáncer, diagnóstico con radioisótopos, esterilización de material quirúrgico.
- Energía: las centrales nucleares, como Laguna Verde en Veracruz, generan electricidad sin emitir dióxido de carbono.
- Industria y agricultura: detección de fallas en soldaduras, conservación de alimentos, control de plagas.
- Arqueología y geología: fechamiento con carbono-14 y otros isótopos.
Otras formas de energía
| Fuente | Origen | Renovable |
|---|---|---|
| Fósil (petróleo, carbón, gas) | Restos de seres vivos de hace millones de años | No |
| Nuclear | Fisión del uranio | No (el uranio es limitado) |
| Solar | Luz del Sol (celdas fotovoltaicas, calentadores) | Sí |
| Eólica | Viento que mueve aerogeneradores | Sí |
| Hidráulica | Agua de las presas que mueve turbinas | Sí |
| Geotérmica | Calor del interior de la Tierra | Sí |
| Biomasa | Materia orgánica (leña, biogás) | Sí |
En todas, la ley de la conservación de la energía se cumple: la energía no se crea, solo se transforma.
Comprueba lo aprendido
1. ¿Qué radiación es la más penetrante?
La gamma: se necesitan varios centímetros de plomo para detenerla.
2. ¿Qué proceso nuclear produce la energía del Sol?
La fusión de núcleos de hidrógeno para formar helio.
Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:
Ejercicios resueltos de física contemporánea
Referencias
- Hewitt, P. G. (2007). Física conceptual (10.ª ed.). Pearson Educación.
- Serway, R. A., Moses, C. J. y Moyer, C. A. (2006). Física moderna (3.ª ed.). Cengage Learning.
- Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).
