Las
reacciones nucleares no son iguales que el resto de reacciones químicas.
·
En
las reacciones químicas ocurren cambios profundos en la estructura de la materia,
rompiéndose los enlaces que unen unos átomos con otros y redistribuyéndose
estos de forma diferente, por lo que el número de átomos se conserva y, por lo
tanto, la suma de la masa de los productos es igual a la suma de la masa de los
reactivos (ley de conservación de la masa). Al unirse los átomos con otros
diferentes se producen nuevos compuestos (productos) con propiedades
distintas a los originales (reactivos).
Además, como lo que se produce es
rotura de enlaces, y estos siempre son por interacción entre electrones (ceden,
captan o comparten), todo ocurre en la parte externa de los átomos, no sucede
nada en sus núcleos.
·
En
las reacciones nucleares, en cambio, también se producen cambios profundos en la
estructura de la materia, pero intervienen los núcleos atómicos. Estos pueden
romperse en otros núcleos más pequeños (fisión nuclear), o bien pueden unirse
con otros núcleos formando núcleos más grandes (fusión nuclear). En cualquiera
de los casos pueden formarse, además, otras partículas subatómicas y grandes
cantidades de energía.
La primera reacción
nuclear fue realizada por E. Rutherford (1871-1937) en 1919, cuando bombardeó
isótopos del nitrógeno con número másico 14 con unas partículas con carga
positiva, llamadas partículas α (que eran núcleos de Helio)
Como puedes ver en la reacción
anterior, en las reacciones nucleares no se conservan los átomos; se
transforman en otros diferentes. En cambio, siempre se conserva la carga total
(7 + 2 = 8 + 1) y el número másico total (14 + 4 = 17 + 1)
El uso de partículas α para bombardear
átomos tenía la dificultad de su repulsión eléctrica con los protones de los
núcleos de los átomos, por lo que se hizo más habitual el bombardeo con
neutrones, que entraban fácilmente en los núcleos al carecer de carga
eléctrica.
Dos tipos de reacciones nucleares son la fisión nuclear y
la fusión nuclear.
FISIÓN NUCLEAR
Consiste
en la división de un núcleo pesado en otros más ligeros, que son más estables
que el original. La primera reacción de fisión se realizó en 1938 cuando dos
científicos (Hahn y Strassmann) descubrieron que un isótopo del uranio (el
isótopo de número másico 236) era altamente inestable y cuando existía se
dividía rápidamente en:
- · Otros átomos: criptón y bario.
- · Neutrones .
- · Energía.
Para conseguir ese isótopo 236 era necesario bombardear con neutrones el isótopo habitual del uranio, que era el de
número másico 235. La reacción nuclear es la siguiente:
La
energía liberada en cualquier reacción es la correspondiente a la masa, ∆m, que “ha desaparecido” (∆m = masa reactivos
– masa productos), que lo que ha hecho realmente en transformarse en energía
según la ecuación de Albert Einstein:
E = ∆m . c2
(con
E = energía producida, ∆m = masa
desaparecida c= velocidad de la luz en
el vacío = 3 . 108 m/s)
Como
puedes ver, c = 3 . 108 m/s es un número muy grande, por lo que a
poca disminución de la masa, ∆m, que haya, la energía producida será enorme.
Concretamente,
en la reacción anterior la energía generada es millones de veces superior a la
que se produce, por ejemplo, en una reacción de combustión tradicional, por lo
que la utilidad de la energía nuclear es evidente, si se controla qué hacer con
los residuos de la reacción y se extreman las medidas de seguridad en las
centrales nucleares.
Observa
que cada isótopo de uranio-236 es producido gracias a un neutrón que bombardea un átomo
de uranio-235, y la fisión de cada uno de estos isótopos de uranio-236 produce tres neutrones más, que pueden bombardear otros tres
átomos de uranio-235 , que a su vez producirán tres neutrones más, etc.
A
esta reacción se le conoce como reacción en cadena. Es una fisión incontrolada
que produce una cantidad enorme de energía y que puede tener fines destructivos,
como en el caso de la bomba atómica.
En
una central nuclear, cuyo objetivo son necesarias fisiones controladas. En
estas reacciones se controla la velocidad de los neutrones y que la cantidad de
material fisionable no supere la “masa crítica” a partir de la cual el proceso
es espontáneo y comienza la reacción en cadena. Por ello se pone especial
atención en el almacenamiento de estos materiales.
Tecnológicamente, los únicos materiales fisionables almacenables con los
que se puede realizar una reacción nuclear de fisión son el uranio-235, el
torio-232, el plutonio-239 y el proactinio-231 y en la Tierra solo está, y en
muy poca proporción, el uranio-235.
FUSIÓN NUCLEAR
Es el
proceso contrario a la fisión. Consiste en la unión de núcleos ligeros para
formar núcleos más pesados, que son más estables que los ligeros; es decir,
donde la energía del núcleo formado es menor que la suma de la energía de los
núcleos ligeros, por lo que en la fusión se libera esa diferencia de energía.
Por ejemplo:
En
esta reacción nuclear se fusionan dos isótopos del hidrógeno (deuterio y
tritio) dando una partícula α, un neutrón y una gran cantidad de energía, mayor
que en los procesos de fisión.
Tecnológicamente,
en la Tierra las reacciones de fusión de forma controlada son imposibles de
realizar, pues se necesitan cientos de millones de grados de temperatura para
que los núcleos choquen con velocidades suficientemente altas para que puedan
vencer las enormes fuerzas de repulsión entre los protones de sus núcleos
cuando se acercan.
La
reacción anterior es la que se produce continuamente en el interior de las
estrellas, por ejemplo, en el Sol, emitiendo una gran cantidad de energía. El Sol
se compone hoy día de un 73% de hidrógeno, un 26% de helio y un 1% de otros
elementos.
Cada
segundo que pasa, el Sol transforma cuatro millones de toneladas de materia en
energía, pero a ese ritmo vivirá aún muchos millones de años más, debido a su
gran cantidad de materia.
CUESTIONES
1. Si la combustión de un kilogramo de
carbón produce una energía de 3 . 107 J , ¿cuántos kilogramos de
carbón tendríamos que quemar para producir la energía que se libera al hacer
desaparecer un gramo de masa?
2. La primera reacción de fisión nuclear
se produjo en 1938. Indica el acontecimiento histórico que tuvo lugar al año
siguiente. ¿En qué momentos históricos se suelen producir grandes avances
científicos? ¿Por qué?
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