Reacción nuclear (NR): un proceso en el que el núcleo de un átomo cambia al aplastarse o combinarse con el núcleo de otro átomo. Por lo tanto, debe conducir a la transformación de al menos un nucleido en otro. A veces, si un núcleo interactúa con otro núcleo o partícula sin cambiar la naturaleza de ningún nucleido, el proceso se denomina dispersión nuclear. Quizás lo más notable sean las reacciones de fusión de los elementos ligeros, que afectan la producción de energía de las estrellas y el sol. Las reacciones naturales también ocurren en la interacción de los rayos cósmicos con la materia.
Reactor nuclear natural
La reacción controlada por humanos más notable es la reacción de fisión que ocurre en los reactores nucleares. Estos son dispositivos para iniciar y controlar una reacción nuclear en cadena. Pero no solo hay reactores artificiales. El primer reactor nuclear natural del mundo fue descubierto en 1972 en Oklo, Gabón, por el físico francés Francis Perrin.
Las condiciones bajo las cuales se podría generar la energía natural de una reacción nuclear fueron predichas en 1956 por Paul Kazuo Kuroda. El único lugar conocido enEl mundo consta de 16 sitios en los que ocurrieron reacciones autosostenidas de este tipo. Se cree que esto ocurrió hace unos 1700 millones de años y continuó durante varios cientos de miles de años, como lo demuestran los isótopos de xenón (un gas producto de la fisión) y las proporciones variables de U-235/U-238 (enriquecimiento de uranio natural).
Fisión nuclear
El gráfico de energía de enlace sugiere que los nucleidos con una masa superior a 130 a.m.u. deberían separarse espontáneamente entre sí para formar nucleidos más ligeros y estables. Experimentalmente, los científicos han encontrado que las reacciones de fisión espontánea de los elementos de una reacción nuclear ocurren solo para los nucleidos más pesados con un número de masa de 230 o más. Incluso si se hace esto, es muy lento. La vida media para la fisión espontánea de 238 U, por ejemplo, es de 10 a 16 años, ¡o alrededor de dos millones de veces más que la edad de nuestro planeta! Las reacciones de fisión pueden inducirse irradiando muestras de nucleidos pesados con neutrones térmicos lentos. Por ejemplo, cuando 235 U absorbe un neutrón térmico, se rompe en dos partículas de masa desigual y libera un promedio de 2,5 neutrones.
La absorción del neutrón de 238 U induce vibraciones en el núcleo, que lo deforman hasta romperlo en fragmentos, al igual que una gota de líquido puede romperse en gotitas más pequeñas. Más de 370 nucleidos hijos con masas atómicas entre 72 y 161 a.m.u. se forman durante la fisión por un neutrón térmico 235U, incluidos dos productos,se muestra a continuación.
Los isótopos de una reacción nuclear, como el uranio, sufren una fisión inducida. Pero el único isótopo natural 235 U está presente en abundancia en solo 0,72%. La fisión inducida de este isótopo libera un promedio de 200 MeV por átomo, o 80 millones de kilojulios por gramo de 235 U. La atracción de la fisión nuclear como fuente de energía puede entenderse comparando este valor con los 50 kJ/g liberados cuando es natural. el gas se quema.
Primer reactor nuclear
El primer reactor nuclear artificial fue construido por Enrico Fermi y colaboradores debajo del estadio de fútbol de la Universidad de Chicago y puesto en funcionamiento el 2 de diciembre de 1942. Este reactor, que producía varios kilovatios de potencia, consistía en una pila de 385 toneladas de bloques de grafito apilados en capas alrededor de una red cúbica de 40 toneladas de uranio y óxido de uranio. La fisión espontánea de 238 U o 235 U en este reactor produjo muy pocos neutrones. Pero había suficiente uranio, por lo que uno de estos neutrones indujo la fisión del núcleo de 235 U, liberando así un promedio de 2,5 neutrones, que catalizaron la fisión de núcleos de 235 U adicionales en una reacción en cadena (reacciones nucleares).
La cantidad de material fisible necesaria para mantener una reacción en cadena se denomina masa crítica. Las flechas verdes muestran la división del núcleo de uranio en dos fragmentos de fisión que emiten nuevos neutrones. Algunos de estos neutrones pueden desencadenar nuevas reacciones de fisión (flechas negras). Algunos delos neutrones pueden perderse en otros procesos (flechas azules). Las flechas rojas muestran los neutrones retardados que llegan más tarde de los fragmentos de fisión radiactiva y pueden desencadenar nuevas reacciones de fisión.
Designación de las reacciones nucleares
Veamos las propiedades básicas de los átomos, incluido el número atómico y la masa atómica. El número atómico es el número de protones en el núcleo de un átomo, y los isótopos tienen el mismo número atómico pero difieren en el número de neutrones. Si los núcleos iniciales se denotan a y b, y los núcleos producto se denotan c y d, entonces la reacción puede representarse mediante la ecuación que puede ver a continuación.
¿Qué reacciones nucleares se cancelan para partículas ligeras en lugar de usar ecuaciones completas? En muchas situaciones, la forma compacta se usa para describir tales procesos: a (b, c) d es equivalente a a + b produciendo c + d. Las partículas de luz a menudo se abrevian: normalmente p significa protón, n neutrón, d deuterón, α alfa o helio-4, β beta o electrón, γ gamma fotón, etc.
Tipos de reacciones nucleares
Aunque la cantidad de posibles reacciones de este tipo es enorme, se pueden ordenar por tipo. La mayoría de estas reacciones van acompañadas de radiación gamma. Estos son algunos ejemplos:
- Dispersión elástica. Ocurre cuando no se transfiere energía entre el núcleo objetivo y la partícula entrante.
- Dispersión inelástica. Ocurre cuando se transfiere energía. La diferencia de energías cinéticas se conserva en el nucleido excitado.
- Reacciones de captura. ambos cargados ylas partículas neutras pueden ser capturadas por los núcleos. Esto va acompañado de la emisión de rayos ɣ. Las partículas de las reacciones nucleares en la reacción de captura de neutrones se denominan nucleidos radiactivos (radiactividad inducida).
- Reacciones de transmisión. La absorción de una partícula, acompañada de la emisión de una o más partículas, se denomina reacción de transferencia.
- Reacciones de fisión. La fisión nuclear es una reacción en la que el núcleo de un átomo se divide en partes más pequeñas (núcleos más ligeros). El proceso de fisión a menudo produce neutrones y fotones libres (en forma de rayos gamma) y libera grandes cantidades de energía.
- Reacciones de fusión. Ocurre cuando dos o más núcleos atómicos chocan a una velocidad muy alta y se combinan para formar un nuevo tipo de núcleo atómico. Las partículas nucleares de fusión de deuterio-tritio son de particular interés debido a su potencial para proporcionar energía en el futuro.
- Reacciones de división. Ocurre cuando un núcleo es golpeado por una partícula con suficiente energía e impulso para eliminar algunos fragmentos pequeños o romperlo en muchos fragmentos.
- Reacciones de reordenamiento. Es la absorción de una partícula, acompañada de la emisión de una o más partículas:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4Él (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Diferentes reacciones de reordenamiento cambian el número de neutrones y el número de protones.
Desintegración nuclear
Las reacciones nucleares ocurren cuando un átomo inestable pierde energía a través deradiación. Es un proceso aleatorio a nivel de átomos individuales, ya que según la teoría cuántica es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo individual.
Hay muchos tipos de desintegración radiactiva:
- Radiactividad alfa. Las partículas alfa están formadas por dos protones y dos neutrones unidos con una partícula idéntica a un núcleo de helio. Debido a su gran masa y su carga, ioniza fuertemente el material y tiene un alcance muy corto.
- Radiactividad beta. Son positrones o electrones de alta energía y alta velocidad, emitidos por ciertos tipos de núcleos radiactivos, como el potasio-40. Las partículas beta tienen un rango de penetración mayor que las partículas alfa, pero aún mucho menor que los rayos gamma. Las partículas beta expulsadas son una forma de radiación ionizante, también conocida como rayos beta de reacción en cadena nuclear. La producción de partículas beta se denomina desintegración beta.
- Radiactividad gamma. Los rayos gamma son radiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia y, por lo tanto, son fotones de alta energía. Se forman cuando los núcleos se desintegran a medida que pasan de un estado de alta energía a un estado más bajo conocido como desintegración gamma. La mayoría de las reacciones nucleares van acompañadas de radiación gamma.
- Emisión de neutrones. La emisión de neutrones es un tipo de desintegración radiactiva de núcleos que contienen un exceso de neutrones (especialmente productos de fisión), en la que el neutrón simplemente es expulsado del núcleo. Este tipola radiación juega un papel clave en el control de los reactores nucleares porque estos neutrones se retrasan.
Energía
El valor Q de la energía de una reacción nuclear es la cantidad de energía liberada o absorbida durante la reacción. Se llama balance de energía o valor Q de la reacción. Esta energía se expresa como la diferencia entre la energía cinética del producto y la cantidad del reactivo.
Vista general de la reacción: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), donde x y X son reactivos, y y y Y son productos de reacción, que pueden determinar la energía de una reacción nuclear, Q es el balance de energía.
Q-value NR se refiere a la energía liberada o absorbida en una reacción. También se le llama balance de energía NR, que puede ser positivo o negativo dependiendo de la naturaleza.
Si el valor Q es positivo, la reacción será exotérmica, también llamada exoérgica. Ella libera energía. Si el valor Q es negativo, la reacción es endoérgica o endotérmica. Tales reacciones se llevan a cabo absorbiendo energía.
En física nuclear, tales reacciones se definen por el valor Q, como la diferencia entre la suma de las masas de los reactivos iniciales y los productos finales. Se mide en unidades de energía MeV. Considere una reacción típica en la que el proyectil a y el objetivo A producen dos productos B y b.
Esto se puede expresar así: a + A → B + B, o incluso en una notación más compacta - A (a, b) B. Tipos de energías en una reacción nuclear y el significado de esta reaccióndeterminado por la fórmula:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, que coincide con el exceso de energía cinética de los productos finales:
Q=T final - T inicial
Para reacciones en las que aumenta la energía cinética de los productos, Q es positivo. Las reacciones Q positivas se denominan exotérmicas (o exógenas).
Hay una liberación neta de energía, ya que la energía cinética del estado final es mayor que la del estado inicial. Para reacciones en las que se observa una disminución de la energía cinética de los productos, Q es negativo.
La vida media
La vida media de una sustancia radiactiva es una constante característica. Mide el tiempo necesario para que una determinada cantidad de materia se reduzca a la mitad debido a la descomposición y, por tanto, a la radiación.
Los arqueólogos y geólogos usan la vida media hasta la fecha en objetos orgánicos en un proceso conocido como datación por carbono. Durante la desintegración beta, el carbono 14 se convierte en nitrógeno 14. En el momento de la muerte, los organismos dejan de producir carbono 14. Debido a que la vida media es constante, la proporción de carbono 14 a nitrógeno 14 proporciona una medida de la edad de la muestra.
En el campo de la medicina, las fuentes de energía de las reacciones nucleares son los isótopos radiactivos de cob alto 60, que se ha utilizado para la radioterapia para reducir los tumores que luego se extirparán quirúrgicamente, o para matar las células cancerosas en inoperablestumores Cuando se descompone en níquel estable, emite dos energías relativamente altas: rayos gamma. Hoy en día está siendo reemplazado por sistemas de radioterapia de haz de electrones.
Vida media de isótopos de algunas muestras:
- oxígeno 16 - infinito;
- uranio 238 - 4.460.000.000 años;
- uranio 235 - 713.000.000 años;
- carbono 14 - 5.730 años;
- cob alto 60 - 5, 27 años;
- plata 94 - 0,42 segundos.
Cita por radiocarbono
A un ritmo muy constante, el inestable carbono 14 se descompone gradualmente en carbono 12. La proporción de estos isótopos de carbono revela la edad de algunos de los habitantes más antiguos de la Tierra.
La datación por radiocarbono es un método que proporciona estimaciones objetivas de la edad de los materiales a base de carbono. La edad se puede estimar midiendo la cantidad de carbono 14 presente en una muestra y comparándola con una referencia estándar internacional.
El impacto de la datación por radiocarbono en el mundo moderno lo ha convertido en uno de los descubrimientos más importantes del siglo XX. Las plantas y los animales asimilan el carbono 14 del dióxido de carbono durante toda su vida. Cuando mueren, dejan de intercambiar carbono con la biosfera y su contenido de carbono 14 comienza a disminuir a un ritmo determinado por la ley de desintegración radiactiva.
La datación por radiocarbono es esencialmente un método para medir la radiactividad residual. Sabiendo cuánto carbono 14 queda en la muestra, puede averiguarla edad del organismo cuando murió. Cabe señalar que los resultados de la datación por radiocarbono muestran cuando el organismo estaba vivo.
Métodos básicos para medir el radiocarbono
Hay tres métodos principales que se utilizan para medir el carbono 14 en cualquier cálculo proporcional del muestreador, contador de centelleo líquido y espectrometría de masas con acelerador.
El recuento proporcional de gases es una técnica común de datación radiométrica que tiene en cuenta las partículas beta emitidas por una muestra determinada. Las partículas beta son productos de descomposición del radiocarbono. En este método, la muestra de carbono se convierte primero en gas de dióxido de carbono antes de medirse en medidores proporcionales de gas.
El conteo de fluidos por centelleo es otro método de datación por radiocarbono que fue popular en la década de 1960. En este método, la muestra está en forma líquida y se le agrega un centelleador. Este centelleador crea un destello de luz cuando interactúa con una partícula beta. El tubo de muestra se pasa entre dos fotomultiplicadores y cuando ambos dispositivos registran un destello de luz, se realiza un conteo.
Los beneficios de la ciencia nuclear
Las leyes de las reacciones nucleares se utilizan en una amplia gama de ramas de la ciencia y la tecnología, como la medicina, la energía, la geología, el espacio y la protección del medio ambiente. La medicina nuclear y la radiología son prácticas médicas que involucran el uso de radiación o radiactividad para diagnóstico, tratamiento y prevención.enfermedades. Si bien la radiología ha estado en uso durante casi un siglo, el término "medicina nuclear" comenzó a usarse hace unos 50 años.
La energía nuclear ha estado en uso durante décadas y es una de las opciones energéticas de más rápido crecimiento para los países que buscan seguridad energética y soluciones de ahorro de energía con bajas emisiones.
Los arqueólogos utilizan una amplia gama de métodos nucleares para determinar la edad de los objetos. Los artefactos como la Sábana Santa de Turín, los Rollos del Mar Muerto y la Corona de Carlomagno pueden fecharse y autenticarse mediante técnicas nucleares.
Las técnicas nucleares se utilizan en las comunidades agrícolas para combatir enfermedades. Las fuentes radiactivas son ampliamente utilizadas en la industria minera. Por ejemplo, se utilizan en pruebas no destructivas de bloqueos en tuberías y soldaduras, en la medición de la densidad del material perforado.
La ciencia nuclear desempeña un papel valioso para ayudarnos a comprender la historia de nuestro medio ambiente.
