Nov 03

La caja de Pandora (Primera Parte)

media_R-u-t-h-Rutherford_atom.svgPodemos decir que el conocimiento que ha acumulado el hombre a través de toda su corta y apretada historia sobre este planeta es una espiral solapada de causas y efectos, momento histórico y desgraciadamente, aunque duela decirlo, algunos conocimientos y descubrimientos científicos han visto su nacimiento o han sido desarrollados para la guerra y muchos han estado influenciados o se nutren del combustible : resultados vs tiempo.

Para nadie es secreto que en todo lugar del mundo en donde haya reglas y árbitros los descubrimientos científicos deben pasar el filtro de lo militar antes que se den a la luz los resultados. Antes que todo es necesario saber si cierto descubrimiento pudiera ser usado o no en el arte de la guerra o fines militares y si debe convertirse o no en un secreto muy bien guardado o por lo menos evitar al máximo que pueda ser redescubierto o utilizado por otros.

El conocimiento parte de su antítesis: la ignorancia o el desconocimiento, en el sentido de que lo desconocido antes se conoce ahora y lo que se desconoce ahora se conocerá posteriormente. Pero………………adonde nos quiere llevar Mr. Richie Lennon con esta ya dilatada introducción después que nos ha hecho esperar tanto porque comenzara a escribir de nuevo y cual es el tema por fin de las ráfagas de artículos que dice el que nos va a regalar???????.

Bueno señores apriétense los cinturones porque los cuatro artículos que pretendo regalarles con todo el respeto que siento por Uds. tratan sobre la historia de la invención de la Bomba Atómica, su utilización y criterios personalizados de estudiosos del tema sobre algunas pistas interesantes que nos pueden dar una visión diferente de la que recoge algunos libros de historia.

Había pensado desde el inicio en una trilogía de artículos, pero luego me convencí de la necesidad de un articulo introductorio (este que ahora leen) a medida de cultura general para conocer cuales fueron precisamente esos descubrimientos en la línea del tiempo, base de funcionamiento físico-químico, que dieron al traste el engendro de esos macabros artefactos (que simbolizan la muerte y la prometida auto-extinción armagedonica de la especie humana) que marcaron, el fin de la Segunda Guerra Mundial pero que abrieron las puertas a una nueva Era: LA ERA NUCLEAR. Una Era en la que el hombre está sumergido actualmente y en la que los sentimientos de la carrera armamentista aun están latentes y vencen a los de desarme.

EL ATOMO: DIVISIBLE O INDIVISIBLE

Busto de Tales de Mileto

Busto de Tales de Mileto

El concepto de átomo surge en Grecia y sus colonias entre los siglos VI y V a.n.e. En particular se ubica a la prospera ciudad

Anaximenes

Anaximenes

de Mileto que pertenecía a la región de Tracia que por aquel entonces era una colonia griega. Todo parte de la pregunta que se hacían los hombres: de que están compuestos los cuerpos????.

Las primeras contribuciones al concepto las hicieron Tales y sus discípulos Anaximenes y Anaxagoras aludiendo que a pesar de la gran variedad de cuerpos y fenómenos que se observaban en la naturaleza, esta era una sola y estaba formada por “una sustancia única” y junto a Heráclito de Efeso coincidieron en que en la naturaleza debía existir lo que llamaron “gran unificación”. Para Tales esa sustancia primigenia era el agua; para Anaximenes era el aire; para Heráclito era el fuego mientras que para Anaxagoras el mundo era un agregado de cuerpos minúsculos, formado por otros más pequeños.

En el siglo V, conocido como siglo de oro de la cultura griega, Empedocles de Agrigento defendió la tesis de que el universo no estaba constituido solo por un elemento sino por cuatro: AGUA, AIRE, FUEGO Y TIERRA. Esta tesis se soportaba en que esos son los elementos independientes y que ninguno se podía formar de los otros. El agua era la única sustancia que se podía encontrar en la naturaleza en los tres estados: liquida, solida y gaseosa, formaba parte de los organismos vivos y era fundamental e indispensable para la vida. No podíamos respirar sin aire. El fuego era el que convertía el agua liquida en vapor y convierte a todo lo que quema en cenizas y humo. La tierra era necesaria para la germinación de las semillas, el crecimiento de las plantas además de la idea de que “del polvo vinimos y al polvo vamos”. Todos estos análisis lógicamente provenían del sentido común del ser humano

Leucipo de Mileto

Leucipo de Mileto

Los filósofos Leucipo de Mileto y Demócrito de Abdera defendían la idea de que todo cuanto existe en el universo esta compuesto por partículas indivisibles. Todo esto estaba respaldado por los fenómenos que se observaban en la naturaleza de un cuerpo dividido en partes mas pequeñas y estas dividiéndose en otras más pequeñas hasta convertirlo en partículas invisibles e indivisibles. Ejemplo de esto es el agua en una vasija que puede verse en su estado liquido pero que no puede verse cuando se evapora y sigue siendo agua aunque en estado gaseoso y que el aire es invisible pues esta compuesto por partículas invisibles. Razonaron que mas allá de cierto límite ya no se pueden dividir las partículas que componen el cuerpo y que todos ellos estaban compuestos por partículas invisibles e indivisibles a las que llamaron átomos. Precisamente átomo significa en griego: indivisible.

Aludiendo a la parte introductoria de este articulo de que el desconocimiento que se tenga ahora será el combustible que impulse al conocimiento del mañana, la estructura del átomo que sabemos hoy en día fue estudiada y reafirmada por el descubrimiento de media docena de rayos invisibles cuya existencia se puso de manifiesto inesperadamente en los laboratorios de Física y Química a finales del siglo XIX: los rayos catódicos, los rayos X, los rayos uránicos o rayos Becquerel y los rayos

Demócrito de Abdera

Demócrito de Abdera

alfa, beta y gamma. Todos estos

descubrimientos tienen como antecedentes el estudio en ese mismo siglo de la corriente eléctrica en sólidos, líquidos y gases.

En 1827 se descubre y se hace pública la ley de Ohm, luego se siguen los estudios de la corriente eléctrica en líquidos conllevando a Michael Faraday en 1834 a descubrir las leyes de la electrolisis y estos últimos estudios condujeron a George Stoney en 1874 a presentar la hipótesis de que “debía existir una cantidad mínima de electricidad” o un átomo de electricidad al que llamo electrón.

LOS RAYOS CATODICOS. EL ELECTRON

William Crookes

William Crookes

En la década del 70 del siglo XIX ,William Crookes comenzó a experimentar con unos rayos que se generaban en un tubo en donde había un gas en su interior y al aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre el cátodo y el ánodo ocurría una fluorescencia con un color específico en

Tubo de Rayos Catodicos o Tubo de Crookes

Tubo de Rayos Catodicos o Tubo de Crookes

dependencia del gas enrarecido que se utilizase. La fluorescencia se atribuía a unos misteriosos rayos que se generaban en el cátodo y es por eso que reciben el nombre de rayos catódicos. Estos tubos fueron los pioneros de lo que actualmente se observan en las luces que iluminan los letreros lumínicos de las ciudades del mundo nombrados “tubos de Neón”.

Los científicos Wilhelm Conrad Roentgen y Joseph John Thompson realizaban investigaciones con tubos de rayos catódicos. Este último al hacer coincidir sobre los rayos catódicos del cátodo al ánodo un campo eléctrico descubre que ocurría una desviación de estos. Utilizando la relación carga eléctrica contra la desviación ocurrida se pudo llegar a la conclusión de cual era la masa de estas partículas y que era un tipo de partícula subatómica reafirmando la existencia de ese átomo de corriente o electrón.

LOS RAYOS X

Wilhelm Conrad Roentgen

Wilhelm Conrad Roentgen

Roentgen sin embargo accidentalmente descubre en 1895 unos rayos más misteriosos aun que los rayos catódicos. En la oscuridad, con diferentes tubos de rayos catódicos, observo que antes de cada descarga eléctrica en el tubo, se iluminaba con brillantes una pantalla de papel recubierta con una sustancia fluorescente aun variando la distancia entre la pantalla y el tubo. Probó que la fluorescencia provenía del tubo, especialmente del ánodo y no de alguna parte del circuito eléctrico y que era un tipo de partícula que podía atravesar un cartón negro, opaco a los rayos visibles y ultravioletas del Sol o de un arco eléctrico.

Primera radiografia de la historia. La mano de la esposa de Roentgen. Se puede divisar en ella el anillo que llevaba puesto

Primera radiografia de la historia. La mano de la esposa de Roentgen. Se puede divisar en ella el anillo que llevaba puesto

Comprobó que esta pantalla era capaz de iluminarse aun detrás de un libro de 1000 páginas, de varias láminas delgadas de estaño, de la madera, de una placa de aluminio o de otros cuerpos con los que experimento. Sin embargo lo más curioso que descubrió era que al poner su propia mano entre estos rayos y la pantalla vio como se reflejaban las sobras de los huesos. Una de las primeras radiografías de la historia es la que le hizo a la mano de su esposa en la que se puede divisar el anillo que tenia puesto. También comprobó que variando el ángulo de incidencia en el ánodo en 45 grados se obtenía la mayor intensidad de radiación emitida.

LA RADIACTIVIDAD

Los hechos experimentales que conllevaron a demostrar la presencia de

Antoine Henri Becquerel

Antoine Henri Becquerel

radiactividad se realizaron entre 1896 y 1908. El 24 de Febrero de 1896 Antoine Henri Becquerel presento su informe ante la Academia de Ciencias Francesa sobre sus investigaciones con una sal de uranio que había expuesto a la luz solar sobre una placa fotográfica bien envuelta con papel negro grueso, de modo que la luz solar no pudiera alcanzar la placa fotográfica.

La noticia fue que al revelar la placa, esta tenía la silueta en negro de las sales de uranio que había expuesto a la radiación solar, además de que si se ponía un objeto de metal, por ejemplo una moneda entre las sales y la placa fotográfica, al revelar esta se observaba la silueta del objeto. Lo más impactante de los experimentos fue que entre los días 26 y 27 de Febrero, Becquerel había preparado sus experimentos pero esos días, por causas naturales, la incidencia del sol no era la necesaria y guardo lo que había preparado en la oscuridad de una de las gavetas de su buro. Revelo las placas el 1ero de Marzo esperando encontrar imágenes muy débiles pero sucedió lo contrario: las siluetas aparecieron con gran intensidad. Pudo darse cuenta que el proceso había continuado aun en la oscuridad y llego a comprender que estaba ante un fenómeno que ocurría de forma espontánea, no inducida, como era el caso de los rayos X y otros rayos conocidos.

Pierre Curie

Pierre Curie

Marie Curie

Marie Curie

Primeramente este tipo de radiación se conoció como “rayos Becquerel” o “rayos uránicos” pero Marie Curie y su esposo Pierre Curie estudiaron el fenómeno en otras sustancias (como el Torio) por lo que se generalizo y se le dio el nombre de radiactividad a la propiedad de emitir rayos Becquerel y radiactivas a todas las sustancias con esa propiedad.

Los esposos Curie entre los años 1898 y 1900 descubrieron que los propios elementos Uranio (U) y Torio (Th) así como todos los compuestos de ambos elementos eran radiactivos. Descubren y nombran dos elementos químicos que no se conocían hasta el momento: El Polonio (Pn), bautizado así por Polonia la tierra natal de Marie Curie y el Radio (Ra). Este y muchos descubrimientos mas en el campo de la radiactividad como la conductividad eléctrica del aire en presencia de radiactividad producida por las sustancias radiactivas les hicieron merecedores junto a Becquerel del Premio Nobel de Física en 1903.

Ernest Rutherford

Ernest Rutherford

Este descubrimiento de conductividad eléctrica del aire en presencia de

Joseph John Thompson

Joseph John Thompson

radiactividad fue demostrado por Ernest Rutherford que paralelamente a Becquerel y los Curie trabajaba con la radiactividad de los elementos y descubrió que en dichas radiaciones habían partículas cargadas.

En 1896 Rutherford y Thompson desarrollaron la teoría para explicar la conductividad eléctrica de los gases expuestos a la radiación de los rayos X. Este conocimiento fue básico para que después Rutherford pudiera investigar y comprender la naturaleza de la radiación del Uranio y, las características de conducción eléctrica que provocaba en los gases al actuar sobre ellos. Los métodos utilizados y desarrollados por Rutherford para investigar la conducción eléctrica en gases expuestos a radiaciones ionizantes fueron sus herramientas preferidas para estudiar la radiactividad.

Representacion artistica de un nucleo atomico emitiendo una particula alfa

Representacion artistica de un nucleo atomico emitiendo una particula alfa

En 1898 Rutherford descubre que hay al menos dos tipos de radiaciones emitidas por los elementos radiactivos, una de ellas adsorbida rápidamente que nombro alfa (α) y la otra mas penetrante la nombro beta (β). En la mayoría de los libros de física se le atribuye a Rutherford el descubrimiento de la radiación gamma (γ), mucho más penetrante que las otras dos y esto es un error histórico pues el mismo Rutherford al recibir el premio Nobel de Física en 1908 precisó que fue el físico francés Paul Villard quien descubrió el tercer tipo de radiación.

Hoy en día sabemos que en general son radiactivas las sustancias que no presentan un balance correcto entre protones o neutrones. Cuando el número de neutrones es excesivo o demasiado pequeño respecto al número de protones, se hace más difícil que la fuerza nuclear fuerte debida al efecto del intercambio de piones pueda mantenerlos unidos. Eventualmente, el desequilibrio se corrige mediante la liberación del exceso de neutrones o protones, en forma de partículas α que son realmente núcleos de helio, y partículas β, que pueden ser electrones o positrones. Estas emisiones llevan a dos tipos de radiactividad, ya mencionados:

  • Radiación α, que aligera los núcleos atómicos en 4 unidades másicas, y cambia el número atómico en dos unidades.
  • Radiación β, que no cambia la masa del núcleo, ya que implica la conversión de un protón en un neutrón o viceversa, y cambia el número atómico en una sola unidad (positiva o negativa, según si la partícula emitida es un electrón o un positrón).

La radiación γ, por su parte, se debe a que el núcleo pasa de un estado excitado de mayor energía a otro de menor energía, que puede seguir siendo inestable y dar lugar a la emisión de más radiación de tipo α, β o γ. La radiación γ es, por tanto, un tipo de radiación electromagnética muy penetrante, ya que tiene una alta energía por fotón emitido.

LA DESINTEGRACION RADIACTIVA

La Alquimia era la ciencia que estudiaba entre otras cosas la posibilidad de transformar varios elementos

Frederick Soddy

Frederick Soddy

químicos en otros, específicamente distintos tipos de minerales en oro. Ernest Rutherford y Frederick Soddy no hicieron específicamente eso pero si descubrieron que en la naturaleza ocurren de forma espontánea transformaciones de unos elementos químicos en otros cuando emiten partículas o radiaciones alfa y beta, todo esto soportado por los descubrimientos en el campo de la radiactividad del propio Rutherford, Becquerel y los esposos Curie a finales del siglo XIX.

A finales de 1899 Rutherford descubrió que un compuesto de Torio emitía una radiación diferente a la ya conocida de este elemento químico. Mediante experimentos demostró que era un tipo de gas radiactivo que llamo emanación , luego se supo que esta emanación era el gas noble Radón. Observo que cuando la emanación se aislaba, la intensidad de la corriente de ionización que servía para medir la intensidad de la radiación disminuía exponencialmente, específicamente a la mitad cada minuto. Estos experimentos de Rutherford y Soddy fueron parte de un largo camino de investigaciones entre 1901 y 1903 que revelaron la naturaleza de la desintegración radiactiva de un elemento radiactivo inestable en el tiempo hasta convertirse en otro elemento resultante estable por completo.

Al aislar cierta cantidad de emanación del Torio (Th) observaron que mientras disminuía la actividad de este elemento, aumentaba la actividad de otro al que llamaron A(Th A). Estos resultados revelaron que el Th X se transformaba en emanación de Torio y este a su vez en Th A que después se convertía en Th B y así, sucesivamente, una cantidad de cierto radioelemento padre disminuye su actividad radiactiva exponencialmente y simultáneamente de manera exponencial, crece la cantidad del radioelemento hijo, el cual a su vez es padre de otro hasta llegar esta formula recurrente a que se forme un elemento final resultante estable que descubrieron que era el Plomo.

Se sientan entonces las bases para la teoría de la radiactividad de Rutherford y Soddy que fue muy revolucionaria para su época. Lo más doloroso del caso es que notables físicos y químicos de la época como Lord Kelvin y Dimitri Mendeleiev murieron sin aceptar el fenómeno de la desintegración radiactiva ni la transmutación espontanea de unos elementos en otros, pues creían y mantenían la firme concepción de indivisibles e inmutables a los átomos.

Aun en 1911 había discrepancias entre los químicos y físicos sobre si la radiactividad era una propiedad del átomo en su conjunto o si era en una parte de este.

Esta interrogante no pudo ser aclarada hasta que Rutherford ese mismo año da a conocer que los átomos tienen un núcleo en donde se concentra la mayor parte de su masa atómica rodeado por una nube de electrones, primicia fundamental o único camino a seguir exactamente para poder explicar el fenómeno de la radiactividad desde un enfoque totalmente subatómico. Mientras Marie Curie al recibir el premio Nobel de Química en Diciembre de ese mismo año expresa en su discurso que la radiactividad es una propiedad “esencialmente atómica”. Como podrán ver dos puntos de vista totalmente diferentes de dos grandes de la ciencia.

EL NUCLEO ATOMICO.

EL PROTON

Protón. Estructura interna de Quarks

Protón. Estructurado internamente por Quarks

En 1919 Rutherford y James Chadwick en sus experimentos lograron

James Chadwick

James Chadwick

bombardear en una cámara especial gases de elementos ligeros a diferentes presiones con partículas alfa provenientes de una fuente radiactiva de Polonio 214 (214Po), produciéndose centelleos en una pantalla fluorescente de sulfuro de Zinc (ZnS). Variando las distancias de la fuente radiactiva y conociendo la energía cinética de las partículas alfa se podía saber la distancia máxima que podían recorrer estas en el aire (que eran de unos 6 cm) pero se observó que los centelleos en la pantalla aun se mantenían a distancias mayores. Esto indicaba que no podían ser las partículas alfa las causantes de los centelleos además de que estos eran de diferente brillantez con respecto a la que por lo general generaban los centelleos de las partículas alfa al chocar con la pantalla fluorescente. Se descartaba la posibilidad de que fueran partículas beta o rayos gamma porque se sabía que estas dos radiaciones no provocaban centelleos en el sulfuro de zinc.

Representacion artisitica de la primera reaccion nuclear y del descubrimiento del proton

Representacion artisitica de la primera reaccion nuclear y del descubrimiento del proton

En otro experimento Rutherford sometió a esas partículas a que atravesaran campos eléctricos y magnéticos; y midió las desviaciones de dichas partículas con lo que pudo calcular su masa y se dio cuenta que se correspondía con la masa de núcleos de hidrogeno que creyó provenían de la humedad del aire que estaba dentro de la cámara pero se asombro cuando al reducir la humedad casi a cero y al haber lógicamente menos moléculas de hidrogeno presentes en el aire, aun había centelleos en la pantalla fluorescentes capaces de recorrer distancias mayores que las observadas (hasta de 19 cm). Sustituyo el aire por otros gases, por ejemplo el nitrógeno (N) y se observo que se generaban los centelleos. Llego a la conclusión que esas partículas eran arrancadas de los núcleos de nitrógeno . Llamo protón a esa partícula que significa en griego: primero, por ser el núcleo del hidrogeno, el primer elemento de la Tabla Periódica. Esta reacción puede representarse de la siguiente forma:

14 7 N + α -> (18 9 F) -> 17 8 O + p (protón)

Es interesante comprender que Rutherford no pudo imaginar que los protones salían como resultado de la desintegración de un núcleo inestable que se había formado a partir de las partículas alfa y el núcleo de nitrógeno. Había descubierto que en el núcleo hay protones, pero no supo entonces que sin querer había realizado la primera reacción nuclear artificial de la historia.

Rutherford y Chadwick siguieron realizando diferentes experimentos en los cuales se seguía emitiendo protones. Estos fueron los primeros experimentos que abrieron el camino al estudio posterior de las reacciones nucleares.

Proféticamente Rutherford en un artículo de 1919 donde describe el descubrimiento del protón escribió:
-Los resultados como un todo, sugieren que si estuvieran disponibles para experimentar partículas alfa o proyectiles similares de mayor energía aun, podríamos romper la estructura nuclear de muchos átomos ligeros

EL NEUTRON

Neutrón. Estructura interna de Quarks

Neutrón. Estructura interna de Quarks

Una vez que se descubre el protón producto de reacciones nucleares y se supo que en el núcleo atómico hay tantos protones como electrones tiene el átomo en su estado natural; el siguiente problema que aparecía era hallar que partículas acompañaban a los protones en el núcleo ya que se sabia además que la masa de los núcleos era aproximadamente el doble de la suma de las masas de todos los protones que los constituyen.

Esta nueva partícula fue predicha por Rutherford en 1920 cuando formulo la hipótesis de que era muy probable que un electrón pudiera unirse a un núcleo de hidrogeno para formar algo parecido a un doblete neutro. Predijo que tendría nuevas propiedades, entre las cuales menciono que su campo eléctrico externo seria prácticamente nulo y que podría atravesar libremente las sustancias. Por poseer estas características era de esperar que fuese difícil detectar su presencia mediante un espectroscopio y seria imposible conservarlo en un recipiente cerrado. Llamo neutrón a la hipotética partícula.

Básicamente en 1928 se dieron los primeros síntomas de la presencia del compañero del protón en el núcleo atómico en un experimento que dio como resultado una nueva radiación ionizante con alto poder de penetración descubierta por Walter Wilhelm George Bothe al bombardear Berilio con partículas alfa.

Para estudiar dicha radiación Marie Curie hizo varios experimentos haciendo públicos sus resultados el 18 de Febrero de 1932. El 27 de Febrero de ese mismo año Bothe publica en la revista científica Nature sobre sus resultados experimentales el artículo titulado: Posible existencia de un neutrón, en donde definía entre otras cosas la masa del neutrón y su carga nula.

La prueba de la existencia del neutrón por el bombardeo del Berilio por partículas alfa se representa:

9 4 Be + α -> 12 6 C + n (neutron)

Dado que los neutrones no tienen carga, no producen ionización cuando atraviesan las sustancias ni son desviados por campos eléctricos o magnéticos, ellos son capaces de interactuar directamente con el núcleo o sea, su energía cinética y su velocidad pueden hacerlo penetrar en el núcleo atómico. Si esto ocurre entonces tiene lugar una reacción nuclear en la cual puede haber muchas formas de desintegración en dependencia del tipo de núcleo bombardeado y la energía del neutrón.

CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES PRINCIPALES DEL NUCLEO ATOMICO

Representacion artistica del nucleo atomico

Representacion artistica del nucleo atomico

A partir del descubrimiento del neutrón en 1932 se pudo saber que el núcleo de cualquier átomo esta compuesto por protones y neutrones exceptuando al núcleo del elemento hidrogeno (el que solo esta formado por un protón). Ese conocimiento entre otros muchos ayudo a cimentar los pilares de la Física Nuclear y de las partículas elementales.

Podemos resumir que este conocimiento no solo develo que los átomos estaban compuestos por estas partículas sino que también ayudo a James Chadwick a descubrir los caminos para avanzar en el conocimiento del núcleo atómico. Chadwick sintetizo en tres formulas lo que se sabía sobre la estructura del núcleo atómico:

  1. Nn + Np = A
  2. Np = Z
  3. Nn / Np = (A – Z)/ Z

La primera formula define al número másico A de un núcleo como la cantidad de nucleones o sea la suma de protones Np y neutrones Nn . La segunda formula expresa la igualdad entre el numero atómico Z con la cantidad de protones del núcleo. La tercera establece una relación entre cuatro magnitudes que sirven para identificar unívocamente a un núcleo: la cantidad de neutrones, la cantidad de protones, la carga eléctrica A – Z y el número atómico.

Los núcleos atómicos se clasifican en dos grandes grupos:

  • Núcleos estables: estos siempre existen, no sufren transformaciones de manera natural que induzcan a su desaparición
  • Núcleos radiactivos: capaces de desintegrarse espontáneamente mediante la emisión de partículas o cuantos gamma por lo que pasado un tiempo determinado dejan de existir.

Los núcleos atómicos se denotan de la siguiente manera: A Z XN donde X es el símbolo del elemento químico; A es el numero másico; Z es el numero atómico y N es el numero de neutrones. Dado que al elemento químico X corresponde un solo numero Z y por las formulas anteriormente expuestas de Chadwick basta con representar al núcleo con el símbolo X y el numero A (A X) para que no hayan dudas sobre el núcleo atómico del que se quiere hacer mención. Sin embargo los núcleos atómicos identificados además con Z y N permiten comprender esquemas de núcleos de familias de elementos radiactivos.

Aquellos núcleos que tienen igual numero de protones se denominan isotopos; los que tienen igual numero másico se denominan isobaros y los que tienen igual numero de neutrones, isotones.

Los núcleos ligeros, por lo general tienen pocos isotopos en cambio los pesados pueden tener un número mayor, por ejemplo, el elemento Uranio posee 7 isotopos, el Estaño tiene 10 y el Disprosio tiene 13.

Además de estas características todos los núcleos atómicos poseen en común características como: la carga eléctrica, la masa, el radio, la energía de enlace, el espín, el momento magnético y el momento cuadrupolar eléctrico.

CARGAS IGUALES NO SE REPELEN??????????

Hemos llegado a la parte mas excitante para mi de todo este articulo y me recuerda mucho mi etapa de Secundaria Básica cuando en medio de una clase de química, estábamos dando la estructura del núcleo atómico y en gran medida estábamos abordando parte del contenido científico que he expuesto de una forma muy sencilla y entendible para todos Uds. en este articulo y le dispare como una flecha directa al corazón del profesor la siguiente pregunta:

  • Porque si cargas diferentes se repelen, de acuerdo a lo que estamos dando en Física en estos momentos, los protones en el núcleo se mantienen unidos??????. No se suponen que las fuerzas de repulsión no permitan que ellos puedan estar juntos????????. Y como puede ser que si sumamos las masas de los protones y neutrones por separados no sea igual a la masa del núcleo???????

La satisfacción que tengo hasta este momento de mi vida fue la sonrisa a flor de piel que me dio el profesor como diciendo: – Este está pensando. Me explico de forma sencilla lo que yo voy a tratar de explicarles de igual forma pues estudiando el tema años atrás pude comprobar que la explicación a estas preguntas no es tan sencilla de entender para los lectores heterogéneos y hace falta un cierto conocimiento de matemáticas y física.

Podemos resumir que la razón fundamental por las que los protones no se repelen por la acción de las fuerzas de repulsión coulombianas es porque dentro del núcleo hay unas fuerzas que predominan por encima de ellas llamadas fuerzas nucleares que son tan fuertes que se necesita mucha energía para descomponer el núcleo en todos sus protones y neutrones. La magnitud que caracteriza cuanta energía es necesario suministrar a un núcleo para separar a todos sus nucleones se conoce como energía de enlace del núcleo.

El calculo de esta energía esta basada en la formula de Albert Einstein E = m c2 (siendo c la velocidad de la luz en el vacio) y su calculo o representación no es de interés en este articulo pues lo complejizaría demasiado de lo que ya esta. Solo hacer un apunte mas, mientras mayor masa tenga un átomo mayor es su energía de enlace, o sea, esa es parte de la energía que se libera en las reacciones nucleares. Si tomamos 4 gramos de Helio, un elemento cuya masa atómica es relativamente pequeña, la energía de enlace de todos los núcleos atómicos equivaldría a 760 000 kWh. Esa cantidad de energía es mayor que la energía generada durante una hora en muchas centrales termoeléctricas, se imaginan la energía de enlace del Uranio 238 que supera al helio casi 60 veces en masa???????.

Ahí esta la energía de la creación, la energía del universo, el liberarla o hallar la forma de hacerlo es lo que conllevo a los científicos a la creación del arma mas mortal de la historia. La caja de pandora estaba a punto de abrirse.

LAS REACCIONES NUCLEARES

Se llama Reacción Nuclear a la trasformación a causa de la acción de las fuerzas nucleares de un núcleo o los núcleos, por el choque de una partícula u otro núcleo. Durante el tiempo que dura la reacción nuclear ocurre la redistribución de la energía y del impulso de ambas partículas, lo que se acompaña de la formación de varias partículas que se emiten desde la zona de colisión.

Hay varios tipos de reacciones nucleares:

Las que dependen de las partículas que provocan la reacción

  1. Reacciones inducidas por neutrones
  2. Reacciones inducidas por partículas cargadas
  3. Reacciones inducidas por cuantos gamma (llamadas también reacciones fotonucleares o fotorreacciones)

Estas ultimas ocurren no por interacciones nucleares, sino por interacciones electromagnéticas, pero ya que la interacción se realiza en la zona del núcleo y lo trasforma son consideradas reacciones nucleares.

Las que dependen del mecanismo de interacción

  1. Reacciones directas
  2. Reacciones a través de núcleo compuesto

Las reacciones directas ocurren casi de inmediato, en el orden de los 10-22 segundos mientras que las de núcleo compuesto son más lentas ya que implica que la partícula incidente reaccione con un núcleo formando intermedio cuyo tiempo de vida es de 10-14 segundos

Una reacción nuclear se puede representar como:

a1 + a2 -> b1 + b2 + ……

Donde a1 y a2 son las partículas que entran en la reacción y b1, b2 ,…… son las partículas que se generan o los productos de la reacción nuclear

FISION NUCLEAR

Representacion artistica de la Fision Nuclear

Representacion artistica de la Fision Nuclear

La historia del descubrimiento de la fisión nuclear se inicia mediante los experimentos relacionados con la radiactividad artificial obtenida en reacciones inducidas por neutrones realizadas por el físico italiano Enrico Fermi en 1934.

Irradiando Uranio a la par de otros elementos determino varios periodos de semidesintegracion en los productos radiactivos que se originaban. Estudios posteriores de este proceso permitieron obtener varias cadenas de elementos radiactivos que se convertían consecutivamente unos en otros.

Otto Frisch y Lise Meitner en 1938 fueron los primeros en

Otto Frisch

Otto Frisch

explicar el proceso de fisión nuclear introduciendo la hipótesis de la inestabilidad de los núcleos pesados en relación con la variación de su forma, dando como resultado que un núcleo pesado de uranio excitado por la captura de un neutrón puede dividirse en dos partes aproximadamente iguales (producto de la fisión), entre los que se iban a redistribuir los nucleones del núcleo inicial.

Las principales características de la fisión nuclear son:

  1. Durante la fisión de un núcleo pesado debe liberarse gran cantidad de energía.
  2. La mayor parte de la energía de la fisión se deberá liberar como energía cinética de los fragmentos de la
    Lise Meitner

    Lise Meitner

    fisión. A esta conclusión se llega ya que al neutrón impactar sobre el núcleo, este logra romper las fuerzas de enlace nucleónicas, haciéndolo fraccionarse en dos pedazos casi iguales que se separan obligatoriamente por las fuerzas coulombianas de repulsión.

  3. Los fragmentos de fisión deben ser β-activos y pueden emitir neutrones. Esto trae aparejado que en dependencia de los fragmentos de fisión que se formen, de su configuración aleatoria en el momento de ruptura del núcleo y cuan grande es el exceso neutrónico de los fragmentos, como los núcleos resultantes deben lograr un estado de equilibrio nuclear, estos fragmentos de fisión deben dar origen a una serie bastante grande de núcleos radiactivos dado por las desintegraciones radiactivas sucesivas. Es por eso que oímos hablar de residuos nucleares que se originan en los reactores de fisión y es por eso que la zona en donde hubieron explosiones atómicas por ejemplo en las efectuadas en Hiroshima y Nagasaki en agosto de 1945, dichas zonas estaban contaminadas por materiales radiactivos
  4. Los fragmentos de fisión deben tener un elevado poder de ionización y un alcance pequeño.

Es por estas características que podemos describir el proceso de fisión nuclear en varias etapas:

  1. El neutrón impacta con el núcleo, este lo absorbe y se trasforma en un núcleo excitado.
  2. División del núcleo excitado en dos pedazos pues el neutrón debilito la fuerza de enlace nuclear,
  3. Los fragmentos adquieren energía cinética producto de la repulsión coulombiana.
  4. Emisión de neutrones secundarios.
  5. Emisión de cuantos gamma instantáneos. Esta es la radiación penetrante que afecta a los seres vivos durante una explosión nuclear.
  6. Los fragmentos productos de la fisión se detienen.

Aun después que culmina la 6ta etapa y los fragmentos de la fisión se detienen, continúan los procesos de desintegraciones betas sucesivos así como la emisión de neutrones retardados o secundarios. El hecho de que se libere gran cantidad de energía durante la fisión así como que se emitan los neutrones secundarios no solo tiene importancia científica sino que también tiene una gran importancia práctica.

REACCION EN CADENA

Representacion artistica de la Reaccion en Cadena por Fision Nuclear

Representacion artistica de la Reaccion en Cadena por Fision Nuclear

La formación de neutrones secundarios en el proceso de fisión nuclear permite su utilización para inducir la fisión en los núcleos vecinos que pertenecen a un material fisible, los que a su vez van a liberar mas energía y emitir mas neutrones secundarios que provocaran mas actos de fisión ,repitiéndose recurrentemente este proceso.

Si durante la fisión se genera más de un neutrón entonces se dan las condiciones para que con probabilidad se produzca la reacción en cadena. Si en cada acto de fisión se generan dos neutrones y estos son capturados por dos núcleos, entonces, en principio, ellos provocaran la fisión de ambos núcleos, dando como resultado la emisión de cuatro neutrones, que pueden fisionar a cuatro núcleos y esta fisión generara 8 neutrones, siguiendo recurrentemente este proceso.

La teoría de la reacción en cadena fue desarrollada en 1939 por los físicos soviéticos Yakov Zeldovich y Yuri Jarinton los cuales demostraron que una reacción en cadena autocontrolada solo es posible en el caso de que el coeficiente de multiplicación neutrónica k sea mayor o igual a la unidad o sea:

k ≥ 1

En donde k se traduce como la relación entre el numero de neutrones que inducen fisión en una generación y en su generación anterior. Si k = 1 la reacción ocurre en una potencia constante como las reacciones controladas en un reactor nuclear, si k > 1 la potencia de la reacción crece como es el caso de lo que ocurre en las armas nucleares.

Aunque esto no es tan simple como lo vemos y en la práctica este proceso se complejiza pues, para que haya

Esquema de una reacción en cadena de una fisión nuclear. 1- Un átomo de uranio 235 absorbe un neutrón, que se divide en dos nuevos átomos (productos de fisión), deja libres tres nuevos neutrones y cierta energía. 2- Un átomo de uranio 238 absorbe a uno de los neutrones, y no continúa la reacción. Otro neutrón simplemente se pierde e igualmente no continúa la reacción. Sin embargo, un neutrón entra en colisión con un átomo de U 235, que se divide y libera dos neutrones y energía de enlace. 3- Estos dos neutrones colisionan con dos átomos de U 235, los cuales se dividen y liberan de uno a tres neutrones, que continúan la reacción.

Esquema de una reacción en cadena de una fisión nuclear. 1- Un átomo de uranio 235 absorbe un neutrón, que se divide en dos nuevos átomos (productos de fisión), deja libres tres nuevos neutrones y cierta energía. 2- Un átomo de uranio 238 absorbe a uno de los neutrones, y no continúa la reacción. Otro neutrón simplemente se pierde e igualmente no continúa la reacción. Sin embargo, un neutrón entra en colisión con un átomo de U 235, que se divide y libera dos neutrones y energía de enlace. 3- Estos dos neutrones colisionan con dos átomos de U 235, los cuales se dividen y liberan de uno a tres neutrones, que continúan la reacción.

una reacción en cadena sostenida debemos tener en cuenta lo siguiente:

  1. Probabilidad y cantidad en un material fisible que se generen los neutrones secundarios necesarios para inducir la reacción.
  2. No todos los neutrones que se generan de la fisión necesariamente inducen la fisión de los núcleos vecinos, pues junto a este proceso concurren otras reacciones como la captura radiactiva y la dispersión inelástica. Se necesita una cantidad de material fisible indispensable y la concentración adecuada para que esta reacción siga adelante y no se detenga. Esto es lo que se conoce comúnmente por masa critica.
  3. Los neutrones pueden escapar del proceso hacia el medio exterior que rodea al material que se esta fusionando, es necesario de un mecanismo de reflexión de neutrones para obligar a estos que entren de nuevo al material fisible y por lo tanto a la reacción nuclear.

CONCLUSIONES

La ciencia se desarrolla podemos decir que siguiendo en analogía una filosofía dinámica: “En una secuencia optima de pasos, cada subsecuencia es también subsecuencia optima” o sea que cada paso en la ciencia esta influenciado por los pasos anteriores, por las implicaciones de encontrar algo nuevo de esa subsecuencia y principalmente se nutre de la curiosidad y la necesidad que tiene el hombre de encontrar “la verdad”. El estudio del átomo en su interior y todo lo que es físico, químico o matemáticamente deducible y demostrable de su estructura tampoco escapo a lo antes descrito.

En estos momentos todos sabemos que el átomo no es la estructura primaria indivisible y que estos están compuestos por partículas mas pequeñas como electrones, protones, neutrones, fotones, positrones y neutrinos, pero además esta lista no acaba ahí ya que hay mas partículas elementales que los componen como muones, piones y quarks. El conocimiento del hombre lo lleva a descubrir a cada paso del tiempo más partículas elementales, cuando acabara……………..???????eso no puede decirse hasta el momento.

La segunda Guerra Mundial cae en el periodo en que lo único que faltaba en el campo de la física era demostrar realmente lo que los modelos matemáticos y físicos decían sobre la fisión nuclear y la reacción en cadena, es mas, ya los científicos trabajaban en eso cuando esta lamentable guerra estalla. Es verdad que la creación de la bomba atómica es acelerada por el conflicto mundial y es una competencia entre dos naciones; porque no se si Ud. sepa querido lector que la Bomba Atómica pudo haber sido Alemana, pero esta temática es parte de otro articulo que les regalare en un futuro.

Particularmente en Estados Unidos, en los laboratorios de los Álamos, esta arma se fabrico en sus inicios para acabar con el peligro que engendraba la Alemania Nazi para el mundo. En mi modesta opinión de historiador aficionado puedo decir que si la Segunda Guerra Mundial hubiese tardado en estallar de 5 a 10 años mas, la Alemania Nazi, pionera en muchos adelantos científicos y tecnológicos e industriales y con un gran poder económico y personal muy calificado para emprender la tarea; habría logrado tener la Bomba Atómica y otro gallo hubiese cantado entonces. Menos mal que no fue así……………………..

Uno de los objetivos de este artículo es plasmar la cronología de descubrimientos científicos en la historia de la física de las partículas elementales y del átomo en general que conllevaron al desarrollo del arma atómica. No quise conceptualizar ni describir las reacciones termonucleares por fusión pues como ya había explicado antes estas no tienen nada que ver con el desarrollo de las armas Atómicas que se usaron en suelo japonés ni con el objetivo fundamental de este articulo, no obstante, como este es un sitio libre y abierto al debate, los lectores pueden hacer uso de los comentarios para enriquecer sobre esta temática.

Lo cierto es que la Caja de Pandora estaba a punto de abrirse y se abrió, la manzana del pecado que el hombre descubrió en su interior le cambio la vida para siempre. Ya el mundo sería distinto a partir de ese momento para él, lo fue, aun lo es y creo que lo seguirá siendo por largo tiempo.

Nota del Autor:

Hay cosas lamentables en esta vida…………………….como, algunos materiales bibliográficos, alguno de ellos de autores cubanos; pasan desapercibidos en nuestra Feria del Libro.

 

Lic. Richard Matos Rodriguez

E-mail: mr.richie.lennon@nauta.cu

Bibliografía

Pedrero González, Edwin / Diaz Riso, Oscar: La ciencia al alcance de todos. Tomo IV. Viaje al interior del Átomo.

5 comentarios

Ir al formulario de comentarios

    • César Caldas Rodríguez on 10 noviembre, 2016 at 12:57 pm
    • Responder

    Mi hermano Richard, este blog está genial, así que con Dios delante estaré visitándolo a menudo. Un abrazo asere, Strawberry Fields Forever…!!!! Que Dios te siga bendiciendo bro!!!!

    • LoreSoft on 9 marzo, 2017 at 3:14 pm
    • Responder

    Muy Buen Articulo hermano.. Estaré esperando los otros para comérmelos… se puede decir que este artículo es una muy buena investigación científica digna como material de estudio no solo de alumnos del Pre e incluso universidad sino de personas que quieran superar sus conocimientos sobre esta materia.. Tienes mi 10.
    Solo Quiero Acotar 2 cosas.
    1- Cuando pandora abrió la caja que le había regalado SEUS salieron todos los males conocidos, pero ella la cerro antes de que pudiera salir lo último que allí había “La esperanza” ..por eso es la Frase “Lo Último que se pierde es la esperanza”. Pero yo diría que aquí pandora SI dejo salir la esperanza porque la energía nuclear.. será indiscutiblemente el desarrollo energético del mundo y más aún en estos tiempos en que ya dan muestras de escaseces los combustibles fósiles.. a pesar de todos estos accidentes que han puesto en tela de juicio su utilidad (Chernóbil, Fukushima, Etc.). esto solo demuestra que el Hombre aun nos conoce bien lo que tiene en las manos…
    2- Este desarrollo de la Investigación Nuclear termino en 1934 con la Vida de María Curie y de su esposo y fue tanta la radiación que estos recibieron durante su investigación que los documentos que dejaron, están en cajas especiales forradas de Plomo y para estudiarlos hay que tener Ropas especiales para ello.

    • LeiaMoon on 18 mayo, 2017 at 6:31 pm
    • Responder

    Richard, tu blog está interesante, veo que te gusta mucho investigar y ecribir, igual yo(lo de escribir). Sigue adelante.

    • daimi on 8 julio, 2017 at 3:59 pm
    • Responder

    wow!!! me quedé super impresionada!!!………

    • yoenkys on 4 agosto, 2017 at 4:18 pm
    • Responder

    Colega lo de escribir se le da excelente, espero que algún día puedas ayudarme con eso, no soy radioaficionado como tú, pero por mi trabajo tengo vínculos cercanos con la radio y televisión, trabajo en el Centro de Gestión para la Reducción del Riesgo de mi Municipio ya sabes mi tiempo es bastante limitado, siempre hay algún evento pero bueno, llevo poco tiempo visitando tu blog y me ha gustado mucho, ojalá mantengas el perfil bien alto. Saludos desde la tierra de “El Mayor”.

Deja un comentario

Your email address will not be published.