Nuclear, Energía I. Fisica. FÍS.

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Física

La energía E, que puede obtenerse por desintegración de una masa material m, vale (según el principio de la equivalencia expresado por la conocida ecuación de Einstein) E=mca, siendo c la velocidad de la luz y, por tanto, esta fuente de energía es incomparablemente mayor que cualquier otra de las conocidas hasta ahora, residiendo casi totalmente en el núcleo (v.) del átomo,

particularmente en el de los elementos más pesados, como el uranio. El núcleo del mismo contiene 92 protones y 140 neutrones, cuyo conjunto se mantiene consistente gracias a las fuerzas de corto alcance que constitituyen el campo nuclear. Cuando el equilibrio entre éstas y las de repulsión mutua entre protones se altera por cualquier causa, tiende a formarse una línea de estricción en el núcleo por la cual éste se escinde en dos partes que se separan a gran velocidad; esto constituye el proceso denominado escisión o fisión nuclear (v.). Los múltiples fragmentos en que se subdividen aquellas dos mitades son rápidamente frenados por el material circundante, convirtiéndose su energía en calor.

Este proceso de escisión constituye realmente una reacción en cadena, que libera álgunos neutrones, los cuales chocan con más núcleos de uranio, provocando, por tanto, nuevas escisiones y así sucesivamente, de modo que, si la reacción en cadena es incontrolada, se produce una explosión atómico-nuclear; para dominarla, debe conseguirse que el número de neutrones liberados sea igual al de los desaparecidos. En realidad, no es fácil conseguir la producción de la citada reacción en cadena del uranio, pues el natural es una mezcla de dos isótopos (v.), cuyos átomos contienen el mismo número de protones, pero distinto de neutrones; el átomo del isótopo más ligero, uranio 235 (U235), contiene 92 protones y 143 neutrones, y es tan sensible que cuando absorbe un neutrón se produce casi invariablemente su fisión. Pero en 140 átomos de uranio natural, sólo existe uno de aquella clase y todos los demás son de U238 que contiene 146 neutrones en vez de 143, siendo más estable que el otro isótopo, absorbiendo, por tanto, un neutrón sin experimentar fisión. Por eso, en el uranio natural los neutrones no pueden multiplicarse fácilmente, porque los procedentes de la escisión del Uz3s son absorbidos por el U2-18.

Así, pues, para obtener la reacción en cadena, es preciso recurrir a algún artificio. El empleado por Enrico Fermi (v.) en diciembre de 1942 en el campus de la Univ. de Chicago consistió en amontonar un gran número de bloques de grafito intercalados con varillas de uranio natural; el grafito actuaba como moderador de la velocidad de los neutrones, pues se había comprobado que los lentos eran más fácilmente atraídos por los núcleos del Uus. El grafito había sido purificado previamente para eliminar las impurezas que podían absorber neutrotrones, y la pila (como se designaba al amontonamiento de bloques) era de grandes dimensiones para perder el menor número de neutrones escapados al exterior. El dispositivo funcionó muy bien desde que terminó su construcción, controlándose fácilmente la intensidad de la reacción en cadena originada por los neutrones en el U235.

El U231, mucho más abundante, absorbe también neutrones, aunque ya hemos visto que comparativamente sólo algunos de sus núcleos experimentan la fisión. Para emplearlo como generador de energía no es, pues, apropiado, como ocurriría, p. ej., en la combustión del carbón de baja calidad mezclado con arena, y aunque ésta puede separarse de aquél, es mucho más difícil separar los átomos de U235, de los del U238, aun por medios químicos, por la identidad de propiedades químicas de ambos isótopos, pero ello puede conseguirse físicamente. En efecto, si una combinación gaseosa de uranio natural atraviesa una membrana porosa, los átomos de U235, más ligeros, la atraviesan más rápidamente; repitiendo este proceso miles de veces se obtiene, finalmente, uranio enriquecido en este isótopo.

En vez del grafito, puede utilizarse el agua pesada como moderador de neutrones. El agua ordinaria está compuesta, como se sabe, de oxígeno e hidrógeno, y un átomo de este último contiene un protón. De hecho, muchos núcleos de este gas contienen esta sola partícula, pero aproximadamente uno en cada 5.000 de aquéllos contiene no sólo un protón sino también un neutrón, con lo que prácticamente este átomo pesa el doble que el ordinario, y el agua que con 61 se obtiene se llama agua pesada que, por ello, tiene menos avidez para el neutrón.

Constitución de los núcleos atómicos y su energía de formación. Los núcleos atómicos se identifican por dos magnitudes: el número atómico Z, que indica la posición del elemento químico en la clasificación periódica y que corresponde a la carga positiva nuclear; y el número de masa A, correspondiente al número entero más próximo a la masa isotópica del núcleo correspondiente. Así, p. ej., el núcleo del fósforo (que ocupa la casilla n° 15 de la clasificación periódica) posee una carga positiva Z, igual y de signo contrario a la de 15 electrones; la masa isotópica del fósforo es igual a 30,98441 unidades de masa atómica, el número de masa A de dicho núcleo es 31. En la primera mitad de este siglo, el físico francés J. Perrin emitió la hipótesis de que los núcleos atómicos estaban formados por un número de protones igual a A y un número de electrones (de masa prácticamente despreciable) igual a A-Z.

La mentada hipótesis parecía estar confirmada por la radiactividad (v.) /3 de ciertos núcleos radiactivos que se desintegran expulsando electrones. Sin embargo, se presenta la dificultad de explicar que los electrones emitidos manifiestan una distribución continua de energía, a pesar de corresponder el núcleo primitivo y el resultante de la trasmutación radiactiva a estados energéticos bien definidos. Posteriormente, se vio que la hipótesis de Perrin no era aceptable en Mecánica cuántica (V. MECÁNICA IV); aparecían contradicciones entre los valores observados y los calculados para los momentos angulares y las propiedades estadísticas de los núcleos, suponiéndoles exclusivamente constituidos por protones y electrones. Actualmente, la hipótesis que se admite sobre la constitución de los núcleos es la de Heisenberg (v.), según la cual, los nucleones (partículas integrantes del núcleo) son los protones y neutrones. Según Heisenberg, el número total de partículas nucleares es igual al número de masa A, correspondiendo el número atómico Z al de protones; por tanto, el número de neutrones ha de ser igual a A-Z, y los isótopos de determinado elemento diferirán sólo en el número de neútrones contenidos en el núcleo.

Al comparar la masa nuclear de cualquier isótopo estable con la que le correspondería sumando las masas de las partículas (nucleones) que lo constituyen, se evidencia que la masa real es inferior a la calculada (defecto

de masa). Designando por Am la disminución de masa experimentada por un conjunto de nucleones que se combinan para sintetizar un núcleo atómico, y aplicando el principio relativista de la equivalencia entre masa y energía (V. ENERGÍA I, 2), se deduce que, al formarse el nuevo núcleo, se libera cierta cantidad de energía oE expresada por AE=ámc2.

Tal energía corresponde a la energía de ligadura (índice de ligadura) de los nucleones que constituyen el núcleo, y si esta energía es suficientemente grande, el núcleo en cuestión será estable.

La unidad de masa atómica es igual a 1,6599.10-24 g. y, según el principio de la equivalencia, corresponde a una energía de 1,49.10-3 erg.

El núcleo de helio He41, de masa isotópica 4,00286, está formado por la unión de dos protones (de masa isotópica 1,00756) y dos neutrones (de masa isotópica 1,00893); la disminución de masa que tiene lugar en la formación de aquel núcleo es, pues, de 0,03012 u.m.a. Por consiguiente, el índice de ligadura de los nucleones será 0,03012 x 1,49-10-3=0,04485 - 10-3 erg. Sabiendo que

1 eV (electrón-volt)=1,60203.10-2 erg., aquel índice de ligadura vale 28,12106 eV. Por tanto, las partículas que constituyen el núcleo de helio están ligadas por una energía del orden de 28 MeV, lo que explica la gran estabilidad de las partículas alfa (núcleos de helio). Por consiguiente, el índice de ligadura por nucleón es de 7,03 MeV; análogamente se deduce que el índice de ligadura por nucleón para el deuterio es de 2,18 MeV. El diagrama de comienzo de página reproduce cómo varía el índice medio de ligadura por nucleón de los isóbaros (núclidos con igual A, pero diferente N=A-Z y Z) estables-beta (v.

RADIACTIVIDAD) en función del número de masa A; la curva se inicia con el núcleo del deuterio y luego asciende rápidamente hasta alcanzar un máximo de 8,7 MeV/nucleón en las proximidades del hierro. A partir de este máximo, el citado índice disminuye gradualmente hasta alcanzar los 7,4 MeV para los nucleones del uranio, lo que explica la posibilidad de fisión de los mismos.

V. t.: ESTomo; FÍSICA ATÓMICA; FÍSICA NUCLEAR; FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR; ISÓTOPOS; NÍCLEO; REACTORES NUCLEARES.

J. BALTÁ ELÍAS.

BIBL.: Orno R. FRISCX, Atomic Physics Today, Edimburgo y Londres 1961; F. GODED ECHEVARRÍA, Teoría de Reactores y Elementos de Ingeniería Nuclear, I, cap. II y IV, Madrid 1965; F. AJZENBERG SELUF, Nuclear Spectroscopy, Nueva York 1960; H. A. BETHE y P. MoRRIsoN, Elementary Nuclear theory, Londres 1956; J. M. BLATr, V. F. WEISSKOPF, Theoretical Nuclear Physics, Londres 1952; P. M. ENDT y P. B. SMITH (ed.), Nuclear Reactions, Amsterdam 1962; I. HALPERN, Nuclear Fission, "Ann. Rey. of Nuclear Scienceu 9,245 (1959). Los artículos que mantendrán al lector al día se publican periódicamente en las siguientes revistas Annual Review ot Nuclear Science (Palo Alto) California (Annual Reviews); Progress in Nuclear Physics, Londres; Reports on Progress in Physics, Londres (Physical Soc.); Reviews of Modern Physics, Nueva York (American Inst. of Physics).