Fisica Nuclear FÍS.

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Física

Generalidades. En las investigaciones científicas relativas a la estructura del átomo (v.), se observan tres etapas muy distintas: en la primera se estudia la estructura de la capa electrónica, en la segunda se aborda el problema del núcleo (v.), y, finalmente, en la tercera, la más reciente y apasionante, se trata nada menos que de investigar la propia estructura interna del elemento constitutivo del núcleo: el nucleón, nombre con que indistintamente se designa al protón y al neutrón dentro del núcleo. Las dos últimas etapas corresponden al cuerpo de doctrina que designamos por F. n., para diferenciarlo de la Física atómica (v.), de la que procede (v. PARTÍCULAS ELEMENTALES).

Realmente esta diferenciación nació tan pronto como Rutherford (v.) y Bohr (v.) construyeron su primer modelo atómico, con núcleo y corteza, pero de hecho los primeros conocimientos relativos al núcleo arrancan del descubrimiento de la radiactividad (v.) por Becquerel en 1896, pues en los fenómenos radiactivos se observan las primeras emisiones, corpusculares y ondulatorias, procedentes del núcleo y con ellos se dispone de los datos iniciales para abordar el problema de su constitución, propiedades, estabilidad, etc. De la misma forma que las emisiones luminosas, o espectros ópticos, procedentes de la corteza atómica permitieron establecer unas ideas básicas acerca de la estructura cortical, las emisiones radiactivas proporcionaron también una primera idea acerca de la estructura nuclear, si bien en este caso el problema es más complejo por encontrarnos frente a unas fuerzas de naturaleza desconocida, las nucleares, en lugar de las electrostáticas que rigen en la corteza.

Por otra parte, mientras la estructura de la corteza atómica determina el comportamiento de los átomos en las condiciones normales en que vivimos, la del núcleo no entra en juego más que en condiciones en las que existen intercambios de energía, raramente observables espontáneamente sobre la tierra: los fenómenos radiactivos son un ejemplo; tan sólo en el interior de las estrellas parece ser que los fenómenos nucleares se manifiestan de una forma preponderante. Por esta razón, la F. n. sería una ciencia esotérica de no poder reproducir en nuestros laboratorios unas condiciones artificiales de forma que en ellas ciertos procesos nucleares jueguen un importante papel.

Los primeros éxitos en este terreno se consiguieron al lograr producir reacciones nucleares, o lo que es lo mismo, transmutaciones de los elementos, que fueron el sueño de los viejos alquimistas del Medievo, y al producir los primeros elementos radiactivos artificiales.

En efecto, la radiactividad sugería que los núcleos atómicos eran estructuras complejas, y, en consecuencia, pareció lógico estudiarlas sometiéndolas al bombardeo de proyectiles naturales, tales como las mismas partículas alfa emitidas por otros átomos radiactivos. En 1919 consiguió Rutherford la primera transmutación al someter el nitrógeno al bombardeo de partículas alfa y obtener oxígeno, de acuerdo con la reacción que esquemáticamente puede escribirse así:

N; °(d,p)O17 8;

esto quiere decir que tres de los cuatro nucleones de que consta la partícula alfa

He2 ,

eran fijados por el nitrógeno, con lo que la masa de éste aumentaba en tres unidades y, como uho de ellos era un protón, el número atómico crecía en una unidad para dar lugar al

O17 8

con la emisión del cuarto nucleón, como un protón: ¡La primera transmutación de la materia, nitrógeno en oxígeno, había sido descubierta!

Reacciones nucleares y detectores de partículas. Comenzó entonces una época en que un gran número de elementos naturales fueron sometidos al bombardeo de partículas; al principio se disponía tan sólo de proyectiles naturales (emisiones de los cuerpos radiactivos), pero luego fueron surgiendo los aceleradores (v. ACELERADORES DE PARTÍCULAS) o máquinas en las que diversos iones eran sometidos a grandes aceleraciones para lanzarlos luego sobre elementos blanco, lográndose fácilmente muchas transmutaciones, es decir, creación de elementos artificiales. Sin embargo, pronto se cayó en la cuenta de que en todas las reacciones nucleares obtenidas, mucho más importante que el propio producto de la reacción, era la energía liberada en el proceso en forma de energía cinética de los productos de la reacción. Ello se debe a que si, p. ej., un proyectil a incide sobre un núcleo X, para dar lugar a otro núcleo Y con emisión de otra partícula b (lo que se indica así: X (a, b) Y), y sucede que las masas reaccionantes X y a son mayores que las correspondientes a los productos de la reacción Y y b, la diferencia o pérdida de masa Am aparece en forma de energía cinética:

c2?Om

(c es la velocidad de la luz) que se transforma en calor dentro del blanco, razón por la cual se habla, como en las reacciones químicas, de calor de reacción, es decir, que la última reacción nuclear debe escribirse así:

a+X -> Y+b+Q,

donde Q es el calor de reacción, naturalmente puede ser positivo (reacción exoenergética) o negativo (endroenergética), o nulo.

De acuerdo con el esquema anterior las reacciones nucleares son de diversos tipos:

1) Si a y b son partículas o núcleos ligeros se trata de una transmutación.

2) Si a y b son idénticas, y, por tanto, X e Y también, se dice que hubo difusión; ésta puede ser elástica o inelástica, según que el núcleo Y haya quedado en estado normal o excitado; en el segundo caso Y" (Y excitado) se desexcita, para convertirse en Y, con emisión gamma.

3) Si a es un fotón (v.), la reacción es fotonuclear.

4) Si b es un fotón, se dice que hubo captura radiactiva.

5) Cuando, sin necesidad del impacto de a, el núcleo X se desintegra de acuerdo con las leyes estadísticas, se trata de un proceso radiactivo, y en este caso b es la emisión característica de X, e Y el núcleo hijo.

6) Cuando tras el choque de a, el núcleo X se divide en dos fragmentos de masa intermedia, tenemos el proceso de fisión (V. FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR); es el que ocurre con el uranio bajo el impacto de neutrones.

7) Finalmente, si a y X son dos núcleos ligeros que se funden para dar lugar a otro más pesado, decimos que se produjo un proceso de fusión.

Todas estas reacciones nucleares, y otras más complejas de las que luego nos ocuparemos, requieren para su estudio de dispositivos detectores de partículas; p. ej., en los procesos radiactivos, cuando se desea determinar la actividad de un preparado o número de desintegraciones por segundo, hay que recurrir al tubo contador Geiger, a la cámara de ionización (v.), o a contadores sólidos; todos ellos tienen en común el hecho de que las partículas que se desea detectar producen fuerte ionización en el medio contenido en el contador, que éste transforma, directa o indirectamente, en impulsos eléctricos y éstos son los que se detectan, cuentan o registran, mediante escalas que pueden tener carácter selectivo, si se desea, es decir, que sólo acusan los correspondientes a una determinada energía.

El contador Geiger. Entre todos los dispositivos usados para la detección y cómputo de partículas, el más corriente y de uso más generalizado es el contador Geiger: cuando una partícula cruza el gas enrarecido contenido en dicho contador, provoca fuerte ionización y los iones producidos, arrastrados por el campo eléctrico determinado por la diferencia de potencial existente entre dos electrodos, dan lugar a un impulso eléctrico que, previa amplificación, puede ser llevado a una escala que hace el recuento. Los neutrones, que por carecer de carga eléctrica no producen ionización, y, en consecuencia, no pueden ser detectados directamente, se registran si en el interior del Geiger existe un compuesto de boro, pues en tal caso los neutrones provocan la reacción

Bá(n,a)Li73,

y las partículas alfa, por su carga, son registradas en el Geiger, que de esta forma acusa el paso del neutrón.

La política de la energía nuclear. El problema de la obtención de energía nuclear, o atómica, como con tanta frecuencia como poco rigor se dice reiteradamente, para fines pacíficos (o bélicos) está prácticamente resuelto, desde el punto de vista técnico por lo menos, mediante el proceso de fisión en cadena, gracias a los reactores nucleares (v.).

Ocurre que son muy pocos los materiales aptos para sufrir la fisión, o materiales fisibles; en la naturaleza existe sólo el Uranio-235, pero se encuentra asociado, en una proporción del 0,7%, a su isótopo más abundante, el U-238; por consiguiente, la utilización del U-235 requiere un complicado y costoso trabajo de separación que muy pocos países son, técnica y económicamente, capaces de llevar a cabo. Por otra parte, si el uranio natural ha sido enriquecido en su isótopo fisible, la presencia del U-238 que pudiera parecer indeseable a causa de captar neutrones que se pierden para el proceso en cadena, no lo es así, pues, de tales capturas, por una serie de transformaciones nucleares que tienen lugar dentro del reactor, el U-238 se transforma en el elemento Pu, 9, plutonio, que resulta ser, junto con el U-235, otro elemento fisible y, por tanto, también de alto valor estratégico.

A estos elementos que dentro de un reactor pueden convertirse en fisibles, se les denomina fértiles; los más conocidos son el U-238 y el Th-232. La existencia de tales materiales obliga a un control internacional de los reactores, pues de lo contrario proliferaría la cantidad de explosivos nucleares (U-235 y Pu-239) existentes. Este control trata de ejercerlo la Agencia Internacional para la Energía Atómica (AIEA) dependiente de las Naciones Unidas, con sede en Viena, y a la que pertenecen la mayor parte de los países. Su labor no es sencilla, pues, en realidad, cualquier reactor fundamentalmente produce neutrones y energía, pero en muchos casos el subproducto obtenido puede ser el plutonio. Por esta misma razón resulta tan discutible el precio del Kwh. de origen nuclear, pues si bien es verdad que va disminuyendo y aproximándose al correspondiente al obtenido por métodos clásicos, tampoco debe olvidarse que, a fin de cuentas, en algunos países lo que realmente cuenta es el subproducto obtenido.

La importancia del problema se traduce en que en todos, o casi todos, los países existe una Comisión de Energía Atómica, en una u otra forma; en España la junta de Energía Nuclear, que actualmente depende del Ministerio de Industria (Dirección General de Energía), se ocupa de la formación de personal, control de los riesgos radiactivos, investigación científica y técnica, producción de radioisótopos y control de sus usuarios, etc., así como de la minería del uranio, material que España posee en relativa abundancia. Por otra parte, la política nuclear europea conjunta se engloba en el organismo denominado EURATOM.

Perspectivas y futuro. La F. n. de alta energía es la frontera de la F. actual. Todos los fenómenos mencionados, aparte del interés intrínseco que puedan tener por sus aplicaciones, han contribuido a aumentar nuestros conocimientos relativos a la estructura de los núcleos atómicos, pero hoy día la F. n. se encuentra en pleno desarrollo de lo que antes mencionábamos como su segunda fase, consistente en el estudio de la propia estructura íntima de los mismos nucleones: sucede que cuando en una reacción nuclear el proyectil a es de elevada energía, al incidir sobre el núcleo blanco X, no da lugar a una sencilla reacción nuclear de las que ya hablamos, sino que origina una transformación muy compleja, en la que se produce la emisión de más de dos fragmentos conjuntamente con un cierto número de partículas ligeras, entre las que necesariamente existen mesones.

Resulta que los fenómenos en los que se pone en juego la propia estructura de los nucleones requieren energías de tal magnitud que sólo pueden encontrarse en algunas de las partículas que constituyen los rayos cósmicos (v.). En consecuencia para llegar a conocer la estructura última de la materia, es decir, la de sus nucleones, no se puede recurrir más que a esperar el impacto accidental de alguna partícula cósmica de alta energía, o, si se tiene prisa, a construir gigantescos aceleradores de partículas capaces de suministrar haces suficientemente energéticos y de bastante intensidad. Estos aceleradores, a los que se pide cada vez mayor energía, son tan costosos que, en general, se desarrollan en forma de empresa internacional; así, p. ej., la mayor parte de los gobiernos europeos se unieron para construir en Ginebra el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN), dotado de un acelerador de 29 GeV (1GeV=109eV), y están ya muy adelantados los estudios para construir otro de unos 300 GeV con un costo de unos 400 millones de dólares. El CERN es una empresa modelo como colaboración internacional, y son varias las organizaciones científicas que tratan de imitar su ejemplo.

V. t.: ENERGÍA; FÍSICA ATÓMICA; FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR; NÚCLEO; RADIACTIVIDAD; REACTORES NUCLEARES.

J. CATALÁ DE ALEMANY.

BIBL.: L. M, H. LENIHAM, La energía atómica y sus aplicaciones, Barcelona 1956; 1. KAPLAN, Física nuclear, Madrid 1962; C. SÁNCHEZ DEL Río, Física atómica y nuclear, Madrid 1960.