FISICA NUCLEAR Introducción El descubrimiento de la

FISICA NUCLEAR
Introducción
El descubrimiento de la radiactividad en un mineral de uranio por el físico francés Henri
Becquerel, en 1896, puede considerarse como el comienzo de lo que hoy conocemos
como Física Nuclear. Dos años más tarde, Pierre y Marie Curie descubrieron dos nuevos
elementos radiactivos: el polonio y el radio. Nació así la Física Nuclear, es decir, la Física
que estudia el comportamiento de los núcleos atómicos. En las dos Unidades anteriores
hemos desarrollado los elementos de la Física Relativista y de la Física Cuántica; aquí
vamos a tratar los fenómenos relacionados con los núcleos de los átomos. Completamos
así lo que se denomina Física moderna. Vamos a contestar a preguntas como ¿Por qué
unos núcleos atómicos son estables y otros no lo son? ¿Qué es la radiactividad? ¿Son
realmente peligrosas las radiaciones debidas a la radiactividad? ¿Cómo se genera la
energía nuclear? ¿Tienen aplicaciones los isótopos radiactivos? ¿Cuáles son las partículas
fundamentales de la Naturaleza? Veremos por qué la Física Nuclear ha interesado no
sólo a los físicos, sino también a los ciudadanos de todo el mundo. Términos como
energía nuclear, contaminación radiactiva, armas nucleares o reactores nucleares
forman parte del lenguaje habitual de los pueblos desarrollados del mundo.
Ernest Rutherford (1871-1937) propuso el primer modelo atómico nuclear, en 1911.
Según Rutherford, el átomo está compuesto por un pequeño núcleo en el que se
encuentra casi toda la masa del átomo y toda su carga positiva, con los electrones
girando a cierta distancia del núcleo. Esta teoría nuclear era la consecuencia de los
resultados obtenidos por Rutherford y sus colaboradores H. Geiger (1882-1945) y E.
Marsden (1889-1970) al bombardear láminas metálicas delgadas con partículas alfa
(núcleos de helio) procedentes de elementos radiactivos.
En el núcleo existen dos tipos de partículas, llamadas nucleones: protones y neutrones.
El protón tiene la misma carga eléctrica que el electrón, pero positiva, e igual a 1,6 · 10 –
19 C, y una masa de 1,673 · 10–27 kg, que es 1 836 veces mayor que la masa del
electrón. El neutrón no tiene carga eléctrica y su masa es de 1,675 · 10 –27 kg,
ligeramente mayor que la del protón, y 1839 veces mayor que la masa del electrón. Al
número de protones existentes en el núcleo de un elemento, que coincide con el número
de electrones, se le denomina número atómico y se representa por Z. Al número total de
nucleones existentes en el núcleo de un átomo se le denomina número másico y se
representa por A. En consecuencia, el número de neutrones N es N = A – Z
El número atómico se indica en la parte inferior izquierda del símbolo del átomo y el
número másico en la parte superior izquierda. Por ejemplo 7 3Li, es un núcleo de litio
formado por tres protones y cuatro neutrones. Se llama núclido a cada especie nuclear,
es decir, al conjunto de núcleos iguales entre sí que tienen el mismo número atómico Z
y el mismo número másico A. Los átomos de un mismo elemento químico poseen el
mismo número de protones y, por tanto, de electrones, pero pueden diferir en el
número de neutrones. Se denominan isótopos los átomos de un mismo elemento
químico que, teniendo lógicamente el mismo número de protones y de electrones, tienen
distinto número de neutrones. Los isótopos tienen igual número atómico y distinto
número másico. Por ejemplo, existen tres isótopos de hidrógeno: 1 1 H 2 1 H 3 1 H
Hidrógeno o protio Deuterio Tritio.
Estabilidad de los núcleos.
Energía de enlace En el núcleo de los átomos, los nucleones se agrupan de tal modo
que la distancia entre ellos es del orden de 10–15 m (1 fermi o femtómetro). A esta
distancia tan pequeña, la fuerza eléctrica de repulsión entre los protones viene dada por
la Ley de Coulomb y es muy grande. La fuerza gravitatoria atractiva entre los mismos
protones es despreciable frente a la fuerza eléctrica, pues es unas 1036 veces más
pequeña. En consecuencia, para que los núcleos sean estables, debe existir una tercera
fuerza, muy intensa, de corto alcance y atractiva que supere las fuerzas eléctricas de
repulsión y mantenga unido al núcleo. Esta fuerza se denomina interacción nuclear
fuerte. Es una fuerza que sólo se manifiesta en el interior del núcleo y su valor parece
ser el mismo, entre dos protones, dos neutrones o entre un protón y un neutrón.
Defecto de masa y energía de enlace
Al determinar con precisión las masas de los núcleos de los átomos, con un aparato
denominado espectrógrafo de masas, se obtuvo un resultado sorprendente. El valor
obtenido es siempre inferior a la suma de las masas de los nucleones que lo forman. Es
decir, la masa real del núcleo es inferior a la suma de las masas de sus protones y
neutrones. Esta diferencia se denomina defecto de masa y se calcula mediante la
expresión:
∆m = Z mp + (A – Z)mn – M siendo mp la masa del protón, mn la masa del
neutrón y M la masa del núcleo. De acuerdo con la fórmula de Einstein, la energía
equivalente a este defecto de masa es: E = ∆m c2 Esta energía se denomina energía de
enlace o energía de ligadura del núcleo y es la energía que se libera al formarse el
núcleo a partir de los nucleones que lo constituyen. Coincide con la energía que hay que
proporcionar al núcleo para separar los nucleones que lo forman.
Las energías de enlace de los núcleos son enormemente grandes. Para los núcleos
estables está comprendida entre 2,2 MeV para el deuterio 2 1 H y 1 640 MeV para el
Un dato muy importante acerca de la estabilidad del núcleo es la energía de
enlace por nucleón, que se obtiene dividiendo la energía de enlace del núcleo entre el
número de nucleones que contiene Cuanto mayor sea la energía de enlace por nucleón,
más estable es el núcleo. Las mayores energías de enlace por nucleón se presentan para
números másicos comprendidos entre 40 y 100, aproximadamente El núcleo más
estable es el del hierro-56, al que corresponde una energía de enlace por nucleón de 8,8
MeV/nucleón. Si un núcleo pesado se divide en dos núcleos más ligeros (fisión nuclear),
209
83Bi.
o si dos núcleos ligeros se unen para formar uno más pesado (fusión nuclear), se
obtienen núcleos más estables, con mayor energía de enlace por nucleón y se libera
energía. Esta es la clave de la producción de energía en el Universo.
Radiactividad.
Hay más de 250 núclidos estables, pero se conocen muchos más que son inestables. Los
núcleos inestables se transforman espontáneamente en otros y emiten radiaciones.
Cuando la radiación de una muestra se somete a la acción de un campo magnético, se
comprueba que existen tres tipos de radiaciones: radiación α, formada por partículas
con carga positiva; radiación β, formada por partículas con carga negativa, y otra
radiación que no se ve afectada por el campo magnético puesto que no tiene carga
eléctrica, denominada radiación γ. Las partículas a son núcleos de helio, es decir, están
formadas por dos protones y dos neutrones. Suelen emitirlas los núcleos demasiado
grandes para ser estables, tales como los de uranio, torio, radio o plutonio. La fuerza
que mantiene unidos a los nucleones (interacción nuclear fuerte) actúa sólo a distancias
muy pequeñas, atrayendo solamente a los nucleones vecinos más cercanos. En los
núcleos mayores que el 209 83Bi, la repulsión eléctrica entre los protones hace inestable al
núcleo y éstos se transforman espontáneamente en núcleos más pequeños por emisión
a. Por ejemplo:
226
88Ra
→
222
86Rn
+
4
2He
En esta reacción, como en todas las reacciones nucleares, se conserva la carga total y el
número total de nucleones. En efecto, el número de protones es el mismo en ambos
miembros de la reacción
(88 = 86 + 2), y lo mismo ocurre con el número másico
(226 = 222 + 4). Debido a una masa relativamente elevada, a su carga eléctrica y a
que son emitidas a velocidades no muy altas, las partículas a tienen un poder de
penetración pequeño. Son detenidas por una lámina de cartón o unos pocos centímetros
de aire , no son capaces de atravesar la piel de nuestro cuerpo. La radiación β está
formada por electrones. Pero ¿cómo pueden surgir electrones del núcleo? En los núcleos
pequeños el número de protones y de neutrones es casi el mismo y son estables, pero
los núcleos más grandes tienen más neutrones que protones. Cuando la relación
neutrones/protones es demasiado grande, el núcleo es inestable, porque la interacción
nuclear fuerte es una fuerza de muy corto alcance, y se estabiliza convirtiendo un
neutrón en un protón, un electrón y una partícula, sin carga y sin masa en reposo,
llamada antineutrino νe:
→ 1 1p + 0 –1e + νe
; 14 6C → 14 7N + 0 –1e + νe Las partículas β se emiten
con velocidades próximas a las de la luz; su masa es mucho menor que la de las
partículas α y, por tanto, tienen un poder de penetración mayor. Son frenadas por unos
metros de aire, una lámina de aluminio o unos centímetros de agua. La emisión β se
1
0n
debe a la existencia de una fuerza nuclear denominada interacción nuclear débil. Su
alcance es aún más corto que la interacción nuclear fuerte y su magnitud es,
aproximadamente, 105 veces menor.
Los rayos gamma son ondas electromagnéticas con frecuencias muy altas, superiores a
las de los rayos X. Se emiten cuando un núcleo que se encuentra excitado vuelve a su
estado fundamental (de menor energía), al igual que ocurre en el átomo con los
electrones excitados. La emisión gamma acompaña generalmente a las emisiones alfa y
beta. Los rayos gamma tienen un poder de penetración muy superior al de las
radiaciones alfa y beta. Atraviesan el cuerpo humano y sólo se frenan con planchas de
plomo y muros gruesos de hormigón.
Los cambios experimentados por los números atómicos y los números másicos de los
núcleos que experimentan desintegraciones radiactivas se resumen en las leyes que
fueron enunciadas por Soddy y Fajans, y se conocen como leyes de los desplazamientos
radiactivos:
1. Cuando en una transformación radiactiva se emite una partícula alfa, se obtiene un
núcleo cuyo número atómico es dos unidades menor y su número másico es cuatro
unidades menor: A ZX → A–4 Z–2Y + 4 2He
2. Cuando en una transformación radiactiva se emite una partícula beta, se obtiene un
núcleo cuyo número atómico es una unidad mayor y no varía su número másico: A ZX →
A Y +
0 e
Z+1
–1
3. Cuando un núcleo que se encuentra en un estado excitado vuelve a su estado
fundamental (de menor energía), emite radiación g, pero no cambia su composición:
*
A X + γ
ZX →
Z
A
Magnitudes características de la desintegración radiactiva
En 1900, Rutherford sugirió que el ritmo con que una sustancia radiactiva emitía
partículas radiactivas disminuía exponencialmente con el tiempo. Esto indica que los
procesos radiactivos son aleatorios, que han de estudiarse estadísticamente, basando las
deducciones en el cálculo de probabilidades. Puesto que la desintegración de un núcleo
cualquiera se produce al azar, el número de núcleos que se desintegran, en un intervalo
dt, es directamente proporcional al tiempo y al número de núcleos existentes. Si N(t) es
el número de núcleos radiactivos en un instante t y dN el número medio de
desintegraciones en el tiempo dt, se cumple: –dN = λNdt; dN / N = –λdt donde λ es una
constante de proporcionalidad, llamada constante de desintegración, que representa la
probabilidad de que un determinado núcleo radiactivo se desintegre. Su unidad en el SI
es el s–1. El signo menos indica que el número de núcleos disminuye con el tiempo. Al
integrar la ecuación anterior, llamando No al número de núcleos iniciales, resulta:
Ln ( N/ No ) = –λt; N = No e–λt expresión que permite calcular el número de núcleos
radiactivos que quedan sin desintegrar en cada instante, y es la ecuación fundamental
de la radiactividad. También se puede expresar en función de la masa inicial de núcleos
radiactivos mo y de la masa existente m después de transcurrir un tiempo determinado:
m = mo e–λt Se llama actividad o velocidad de desintegración A de una sustancia
radiactiva al número de desintegraciones que se producen por unidad de tiempo: La
unidad de actividad en el SI es el becquerel (Bq), que equivale a una desintegración por
segundo. Otra unidad muy utilizada es el curio (Ci), que se define como la actividad de
una muestra de un gramo de radio, y equivale a 3,7 · 1010 desintegraciones por
segundo: 1 Ci = 3,7 · 1010 Bq.
Fisión y Fusión nuclear
A. Fisión nuclear Consiste en la división de un núcleo pesado en dos núcleos más
ligeros; estos núcleos son más estables, ya que tienen mayores energías de enlace
por nucleón y en el proceso se libera energía. Los núcleos no se dividen
fácilmente. Se consiguió por primera vez en 1938. Hahn y Strassmann observaron
que el 235 92U, cuando absorbe un neutrón se convierte en un núcleo inestable 236
92U, que inmediatamente se divide en dos fragmentos de números atómicos
comprendidos entre 30 y 63, y números másicos comprendidos entre 72 y 162,
liberándose energía y nuevos neutrones. Por ejemplo: 235 92U + 1 0n → 236 92U* →
92
141
1
36Kr +
56Ba + 3 0n + energía.
La energía liberada se debe a la diferencia de masas entre los productos iniciales
y finales de la reacción. En este caso es de unos 200 MeV por núcleo, millones de
veces mayor que la energía que se desprende en una reacción de combustión.
Después se comprobó que otros núcleos, como los de torio, plutonio y protactinio,
eran fisionables utilizando neutrones. En el proceso de fisión del uranio-235 se
liberan varios neutrones que hacen posible la fisión de nuevos núcleos. Éstos
liberan a su vez nuevos neutrones, y así sucesivamente, iniciando una reacción en
cadena, capaz de producir una enorme cantidad de energía. El físico italiano Enrico
Fermi produjo, en 1942, en la Universidad de Chicago, la primera reacción en
cadena de este tipo.
B. Fusión nuclear Consiste en la unión de núcleos ligeros para formar núcleos más
pesados; es el proceso inverso al de fisión nuclear. Cuando se unen dos núcleos
ligeros, se obtiene un núcleo más estable, con mayor energía de enlace por
nucleón , y se libera energía. Por ejemplo: 2 1H + 3 1H → 42He + 10n + energía
En esta reacción se liberan aproximadamente 17,6 MeV por átomo, cantidad
comparativamente mayor que la liberada en los procesos de fisión. Las reacciones
de fusión son muy difíciles de conseguir con la tecnología actual, ya que para unir
dos núcleos hay que vencer las fuerzas eléctricas de repulsión que existen entre
las cargas positivas de los protones las velocidades suficientemente altas como
para vencer la repulsión, lo que requiere temperaturas de varios cientos de
millones de grados. Esto sólo se ha conseguido de forma apreciable y con un alto
rendimiento energético en las bombas de hidrógeno, donde la fusión se provoca
mediante la explosión de una bomba atómica. Es el proceso que se produce en el
interior de las estrellas.
Armas y reactores nucleares
Como hemos visto en el apartado anterior, los neutrones que se emiten en la
fisión del uranio-235 hacen posible una reacción en cadena. La condición para que
esto ocurra es que, en promedio, al menos un neutrón de los producidos en cada
fisión produzca una nueva fisión. Si los neutrones escapan o son absorbidos por
otros materiales, y sólo unos pocos producen la fisión, la reacción se detiene. Si
un neutrón de cada fisión produce otra fisión, la reacción se mantiene y se libera
energía de manera continua; este es el fundamento de un reactor nuclear. Si en
cada fisión se produce más de un neutrón capaz de producir nuevas fisiones, la
reacción en cadena se desarrolla a gran velocidad, y la liberación de energía es tan
grande y tan rápida que se produce una explosión gigantesca; este es el
fundamento de una bomba atómica. Para que los neutrones no escapen y puedan
ser atrapados por los núcleos de uranio-235, debe haber una cantidad suficiente
de material fisionable. A esta cantidad mínima, necesaria para producir la reacción
en cadena, se le denomina masa crítica. El uranio natural contiene solamente un
0,7 % de uranio-235, el 99,3 % restante es uranio-238. La fabricación de bombas
atómicas exige concentrar el uranio-235 hasta un 99 %, lo que requiere
instalaciones muy sofisticadas y costosas. En una bomba atómica, el material
fisionable está separado en dos masas subcríticas que se unen, para sobrepasar la
masa crítica, en el momento de la explosión. Una bomba atómica es un ejemplo
de fisión nuclear incontrolada.
Reactores nucleares de fisión Un reactor nuclear es un dispositivo que controla
el crecimiento de la reacción en cadena y produce grandes cantidades de energía;
es un ejemplo de fisión nuclear controlada. En esencia, una central nuclear utiliza
el calor producido en la reacción de fisión para producir vapor de agua a presión,
que al expandirse en la turbina del alternador produce energía eléctrica. Las
centrales nucleares disponen en su mayoría de reactores con una potencia
aproximada de 1 000 MW. El núcleo del reactor está formado por una serie de
varillas de combustible nuclear, compuestas por unos pequeños cilindros
(«pellets») de óxido de uranio ligeramente enriquecido en uranio-235. El núcleo
del reactor suele medir unos 3,5 m de diámetro y 3,5 m de altura, y está
encerrado en un recipiente de acero resistente a la presión.
La vasija del reactor se aloja en el interior de un búnker de hormigón para evitar
la salida de radiaciones. Por último, un edificio de hormigón armado cubre todo el
dispositivo del reactor para impedir fugas radiactivas en caso de accidente. El
uranio que se usa en los reactores nucleares es uranio natural o uranio
enriquecido que contiene del 3 al 5 % de uranio-235. Por eso en un reactor no
pueden producirse explosiones similares a una bomba atómica. La reacción en
cadena se regula mediante barras de control, fabricadas con materiales que
absorben neutrones. Se utilizan boro y cadmio, que capturan neutrones con
facilidad y regulan, por tanto, el número de neutrones que pueden producir la
fisión y la reacción en cadena. Las barras de control se insertan entre las varillas
que contienen el material fisionable. Cuando se insertan por completo detienen la
reacción en cadena y «paran» el reactor. La reacción de fisión del uranio-235 se
produce con neutrones «lentos». Sin embargo, los producidos en la fisión son
neutrones «rápidos» (tienen más energía de la necesaria y no son atrapados por el
núcleo). Por ello, es necesario utilizar un moderador que disminuya su velocidad.
Se emplean para este fin agua, agua pesada (D2O), berilio y grafito. El material
fisionable empleado en los reactores nucleares contiene porcentajes muy
pequeños de uranio-235. Es rico en uranio-238, y este isótopo del uranio es capaz
de capturar los neutrones rápidos y convertirse en plutonio-239, que es fisionable
como el uranio-235, mediante las siguientes reacciones:
238
1
239
239
239
0 e
92U + 0n →
92U
92U →
93Np + –1
239
239
0
93Np →
94Pu + –1 e
Esta propiedad del uranio-238 ha hecho posible la construcción de reactores
reproductores o regeneradores, diseñados para producir más plutonio-239 que el
uranio-235 que consumen. Los neutrones lentos producen la fisión del uranio-235
y los rápidos convierten el uranio-238, que no es fisionable, en plutonio-239 que sí
es fisionable. Como las reservas de uranio-235 no son muy grandes, estos
reactores reproductores permitirían garantizar la existencia de materiales
fisionables durante muchos siglos. La contrapartida es que el plutonio-239 también
puede utilizarse en la fabricación de armas nucleares y su producción en las
centrales nucleares es difícil de controlar.
B.
Reactores de
fusión
nuclear
La unión de núcleos ligeros para producir núcleos mayores también va
acompañada de la emisión de grandes cantidades de energía. Pero para vencer la
repulsión electrostática entre los núcleos que se quieren fusionar es necesario
comunicarles grandes energías; hay que conseguir temperaturas muy elevadas.
Como las fuerzas eléctricas de repulsión son proporcionales a la carga eléctrica de
los núcleos, los átomos de hidrógeno son los más adecuados para conseguir la
fusión.
A temperaturas tan elevadas, los átomos pierden electrones y se forma un gas,
que consta de cationes y electrones, llamado plasma. De entre todas las
reacciones de fusión, la que parece más fácil de conseguir es la reacción deuterio
+ tritio:
Para lograr la fusión es necesario calentar un plasma a temperaturas del orden de
108 K y conseguir que alcance una densidad del orden de 1020partículas/m3,
durante un tiempo de unos segundos. Hay que confinar el plasma en un recipiente
sin paredes, pues ningún material soportaría esas temperaturas. Se investiga en
dos alternativas: confinamiento magnético confinamiento inercial.
Contaminación radiactiva.
Medida
y
detección
Los daños biológicos producidos por las radiaciones dependen de su energía y de
los iones producidos a su paso. La radiación ultravioleta, los rayos X y las
radiaciones debidas a la radiactividad son las más peligrosas.
Con frecuencia se subestiman los peligros de las radiaciones debido a que,
excepto para dosis muy grandes, sus efectos más peligrosos sólo se aprecian
varios años después. Pero dosis altas de radiación pueden producir cáncer y
lesiones en los cromosomas con efectos genéticos negativos irreversibles. El daño
causado es siempre proporcional a la dosis recibida.
La irradiación a que están sometidos los seres vivos procede de la radiactividad
natural, es decir, de la que procede de la propia Naturaleza, y la radiación
artificial, procedente de actividades humanas que producen núcleos radiactivos.
La radiactividad natural es debida a las transformaciones radiactivas de materiales
que componen la corteza terrestre y de las radiaciones que proceden del Sol, que
constituyen la radiación cósmica.
La radiactividad artificial procede de explosiones nucleares, reactores nucleares,
usos médicos de fuentes radiactivas, etcétera.
En el interior del organismo de los seres vivos también existen elementos
radiactivos, incorporados por los alimentos, el agua y el aire. Los más importantes
son el potasio-40, radio-226, radio-228 y uranio-238. Al fumar, por ejemplo, se
inhalan plomo-210 y polonio-210.
Aunque la unidad de actividad radiactiva en el SI es el becquerel, en ocasiones, lo
que realmente interesa son los efectos biológicos y físicos producidos por las
radiaciones, y éstos dependen de las dosis de radiación recibidas. La unidad en el
SI de dosis de radiación es el sievert(Sv):
Un sievert equivale a 100 rem, que es una unidad anterior muy utilizada.
Según la reglamentación española, la dosis máxima admisible para personas
profesionalmente expuestas a este tipo de radiaciones es de 5 rem por año, y de
0,5 rem por año para la población en general.
Para dar idea de la peligrosidad relativa de las distintas fuentes de radiación, a
continuación se indican las dosis medias aproximadas de radiación recibidas por
una persona en un año:
• Rayos cósmicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 mrem
• Materiales terrestres de las rocas, suelos, etc.. . . 40 mrem
• Interior del cuerpo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 mrem
• Trabajo, ocio, consumo, pruebas nucleares, fármacos, etc... 40 mrem
• Rayos X de uso médico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 mrem
• Central nuclear con sistemas de protección adecuados. . . . . . . 2 mrem
• Esfera luminosa del reloj. . . . . . . . . . . . . . . . 2 mrem
• Televisor en color. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 mrem
Se deduce de lo anterior, que junto a un temor lógico a la radiactividad se produce
quizá un uso excesivo de los rayos X. Toda exposición a los rayos X también es
peligrosa.
Si bien nuestros sentidos no pueden detectar las radiaciones, sí puede hacerse con
instrumentos adecuados. Se emplean emulsiones fotográficas, pantallas de sulfuro
de cinc que centellean cuando choca una partícula alfa, contadores Geiger
basados en la propiedad ionizadora de las radiaciones y contadores de centelleo
que transforman los destellos luminosos producidos por las radiaciones en
impulsos eléctricos mediante circuitos electrónicos.
Aplicaciones
de
los isótopos radiactivos
E n los reactores nucleares, además de producirse energía, se producen también
isótopos radiactivos. Para ello, algunos neutrones producidos en las fisiones se
emplean para bombardear los núcleos adecuados.
El comportamiento químico de los isótopos radiactivos es idéntico al de los
isótopos estables del mismo elemento, pero se pueden detectar localizando la
radiación que emiten.
Las numerosas aplicaciones de los isótopos radiactivos se deben a esta propiedad
y a los efectos que las radiaciones producen en la materia.
A continuación se detallan algunas de sus aplicaciones más importantes:
• Localización de tumores y tratamiento del cáncer (radioterapia) destruyendo las
células malignas. Por ejemplo, se utiliza cobalto-60, que emite radiación gamma y
destruye las células cancerosas.
• Obtención de semillas con mejores cualidades.
• Producción de esterilidad en especies nocivas y plagas.
• Medida de espesores de materiales: láminas de papel o metálicas, plásticos,
etcétera.
• Radiografías industriales.
• Estudio de las emigraciones y movimientos de animales.
• Aprovechamiento de la energía de la radiación: generadores eléctricos en la
industria espacial, marcapasos en medicina, etcétera.
• Fechado radiactivo, para determinar fechas de hechos históricos o geológicos.
Los isótopos radiactivos permiten determinar la antigüedad de muchos
yacimientos arqueológicos.
Debido a la desintegración del carbono-14, cuando un ser vivo muere
podemos afirmar que se pone en marcha un reloj.
Materia y antimateria. Partículas fundamentales
Se ha descubierto un gran número de partículas bombardeando núcleos atómicos
con protones y electrones de alta energía, dotados de velocidades muy grandes
mediante aceleradores de partículas, pero el comportamiento de la materia
ordinaria indica que está constituida simplemente por electrones, protones y
neutrones. Además, cada partícula tiene su propia antipartícula. El positrón es la
antipartícula del electrón, tiene la misma masa, pero su carga eléctrica es positiva.
El antiprotón está cargado negativamente y tiene la misma masa que el protón. El
antineutrón tiene la misma masa que el neutrón, pero tiene momentos magnéticos
opuestos. Por tanto, la antimateria estaría compuesta por positrones, antiprotones
y antineutrones. La materia y la antimateria se aniquilan entre sí y la masa que se
pierde se convierte en energía. De acuerdo con la Teoría del Big Bang sobre el
origen del Universo, en el instante de la gran explosión se creó tanta cantidad de
materia como de antimateria; sin embargo, en el Universo conocido no existe la
antimateria. Además, ambas deberían haberse aniquilado mutuamente
produciendo una ingente cantidad de energía. Como esto no ocurrió, debió de
existir una cantidad de materia mayor que de antimateria y a partir de esta
diferencia se formaron las primeras estrellas y toda la materia visible que forma el
Universo.
Un grupo de físicos europeos ha confirmado en el Laboratorio Europeo de Física de
Partículas (CERN) que en ciertas interacciones entre partículas subatómicas
(mesones k) se produce lo que denominan una «violación de la paridad» que
determina la asimetría entre la materia y la antimateria. Este descubrimiento
confirma la existencia de una mayor cantidad de materia que de antimateria en los
orígenes del Universo. Los científicos del CERN creen que no toda la antimateria
desapareció del Universo e intentan detectarla en el cosmos mediante
experimentos en satélites artificiales.
Partículas fundamentales
Los electrones parecen ser indivisibles, pero los neutrones y protones, que han
sido considerados como indivisibles experimentalmente, parecen estar compuestos
por unas partículas llamadas quarks. Según el modelo estándar de la física de
partículas, existen dos tipos de partículas elementales: leptones y quarks. Los
hadrones son partículas formadas por otras más simples y se dividen en mesones
y bariones Los leptones parecen ser elementales, es decir, son partículas que no
se pueden descomponer en otras más simples. Existen seis leptones: electrón (e–
), muón (m– ), partícula tau o tauón (t– ), neutrino electrónico (ne ), neutrino
muónico (nm) y neutrino tauónico (nt ). El muón (m– ) es una partícula cargada
negativamente cuya masa es 207 veces la del electrón; es inestable y se convierte
en un electrón, un neutrino y un antineutrino. El leptón tau (t– ), o tauón, posee
una masa casi doble que la del protón y carga eléctrica negativa. Los leptones
parecen estar apareados. Cada pareja está formada por un leptón cargado y su
correspondiente neutrino. Los neutrinos son partículas neutras estables. Pueden
atravesar cantidades enormes de materia sin sufrir ninguna interacción. Se
producen en grandes cantidades en el Sol y en las estrellas. Mientras estás
leyendo estas líneas, miles de millones de neutrinos procedentes del Sol están
atravesando tu cuerpo y la Tierra, prosiguiendo su viaje a través del Universo. Los
quarks parecen ser partículas elementales. Existen seis tipos de quarks: up
(arriba), down (abajo), strange (extraño), charm (encanto), bottom (fondo) y top
(cima). Se representan con las letras iniciales de su nombre en inglés: u, d, s, c, b
y t. A su vez, cada quark puede existir en tres variedades distintas que se
denominan rojo, verde y azul. Aunque se describen como colores, nada tienen que
ver con los colores reales; son denominaciones intuitivas para distinguir los
distintos estados de los quarks. Sin embargo, esta propiedad del color es
fundamental porque sólo existen en el Universo partículas de «color blanco»; por
ejemplo, bariones, como el protón y el neutrón, donde se combinan tres quarks de
colores diferentes, o partículas «sin color» (mesones), donde se combinan un
quark y un antiquark del mismo color y se anulan. A la parte de la Física que se
encarga del estudio de estas partículas se la conoce por Cromodinámica Cuántica.
Los hadrones se dividen en mesones y bariones. Además del protón y el neutrón,
el grupo de los hadrones incluye cientos de partículas inestables que parecen estar
constituidas por quarks. Los quarks están fuertemente unidos entre sí en el
interior de los hadrones, por lo que es muy difícil observarlos; sólo se ha
conseguido detectarlos en aceleradores de partículas de alta energía. Los mesones
son los hadrones de menor masa, están formados por un quark y un antiquark. El
protón, el neutrón y todos los bariones están formados siempre por tres quarks .
El protón está constituido por dos quarks u y un quark d. La carga del quark u es
+2e /3 y la del quark d es –e/3, luego la carga total del protón es +e: 2 ( 2 /3 e)
+ (– 1/ 3 e) = +e El neutrón está formado por un quark u y dos quarks d, y su
carga eléctrica es nula: (+ 2 /3 e) + 2 (– 1/ 3 e) = 0 Los seis leptones y los seis
quarks se agrupan en tres familias de cuatro miembros cada una . Lo que
diferencia a una familia de otra es la masa. Si se compara la masa de un protón,
por ejemplo, con la masa de los tres quarks que lo forman, se observa una gran
diferencia. Esto se explica porque la masa de los quarks no asociados es distinta a
la que presentan en el «estado de confinamiento» en el que se encuentran dentro
del protón. No se han podido estudiar todavía las propiedades de un quark dentro
de un barión o un mesón, sino sólo en estado aislado en aceleradores de
partículas. Es uno de los retos pendientes de la Cromodinámica Cuántica. Excepto
los neutrinos que tienen una vida larga, las partículas de las otras dos familias sólo
se han detectado en colisiones artificiales de alta energía. Para completar el
modelo estándar de la Física de partículas, falta por descubrir una enigmática
partícula que conferiría la masa a todas las partículas elementales. Se denomina
bosón de Higgs. Para detectarlo sería necesario un acelerador de partículas, que
ya se está construyendo, en el que se alcanzasen energías similares a las que
existieron unos segundos después del Big Bang.
La unificación de las interacciones fundamentales
La enorme variedad de fenómenos existentes en el Universo puede describirse
mediante cuatro tipos de fuerzas; sólo existen cuatro interacciones
fundamentales: nuclear fuerte, electromagnética, nuclear débil y gravitatoria. La
interacción nuclear fuerte es la más intensa, pero de muy corto alcance, 10–15 m
(1 fermi), aproximadamente. Afecta a los quarks y mantiene unidos los protones y
neutrones que componen el núcleo de los átomos. Los protones, debido a su carga
eléctrica positiva, se repelerían eléctricamente si no estuvieran ligados por una
fuerza intensa. Esta fuerza nuclear no se aprecia fuera del núcleo. La interacción
electromagnética es la segunda en intensidad, aproximadamente cien veces menor
que la interacción fuerte. Actúa sobre partículas cargadas eléctricamente y puede
ser atractiva o repulsiva, según sea el signo de las cargas. Es la responsable de
que los átomos, las moléculas y la materia en general sean estables. La
interacción nuclear débil tiene un radio de acción muy corto (unos 10–17 m). Su
intensidad es 10–5 veces la de la interacción fuerte y es la responsable de la
desintegración beta de los núcleos atómicos y las transformaciones entre leptones.
La interacción gravitatoria es la más débil de todas. Su intensidad es
aproximadamente 10–39 veces la de la interacción fuerte. Es atractiva en todas las
masas. Su alcance es ilimitado y es la responsable de la estructura general del
Universo. Puesto que las leyes de Newton (fuerza gravitatoria) y Coulomb (fuerzas
eléctricas) son tan semejantes, ¿puede haber una fuerza única que explique la
naturaleza fundamental de todos los fenómenos que existen en el Universo? Este
es un objetivo de los físicos: unificar estas fuerzas de modo que todas sean
manifestaciones de una sola interacción, de una fuerza única. Newton demostró
que la gravedad terrestre y la gravedad astronómica se deben a una sola fuerza,
la interacción gravitatoria. Maxwell realizó la unificación electromagnética y
demostró que las fuerzas eléctricas y magnéticas tienen su origen en una sola
interacción existente entre las partículas cargadas eléctricamente. Steven
Weinberg, Abdus Salam y Sheldon Glashow, que recibieron el premio Nobel de
Física en 1979, sostienen que la interacción nuclear débil y la interacción
electromagnética son aspectos diferentes de un mismo fenómeno básico, la
interacción electrodébil. A elevadas energías no parece existir diferencias entre las
interacciones electromagnética y nuclear débil. Sólo a bajas energías se
manifiestan como interacciones distintas