Concepto
La física nuclear es conocida como el estudio de los núcleos atómicos, especialmente los núcleos radiactivos, y sus reacciones con los neutrones y otros núcleos.
Antecedentes de las reacciones nucleares
Si bien, la idea de utilizar la portentosa energía que se libera por la desintegración de los átomos no es nueva; no fue sino hasta el descubrimiento del isótopo U-235 del uranio cuando resultó factible aprovechar esa enorme fuente de energía.
La explosión de la primera bomba atómica, a finales de la Segunda Guerra Mundial (1945), demostró que el hombre había logrado llegar hasta esa fuente de energía.
Los físicos encontraron que al bombardear con neutrones el U-235, sus átomos se rompen en dos fragmentos por un proceso denominado fisión que consiste en la división de los núcleos de los átomos pesados.
Además del proceso de fisión, hay otro mecanismo igualmente importante, que es el defusión, que consiste en la unión de los núcleos de los átomos más ligeros, tales como el hidrógeno, deuterio y tritio.
En ambos procesos la masa en reposo de los productos resultantes de la reacción es menor que la masa en reposo original.
Desintegración nuclear
Los núcleos atómicos consisten en protones cargados positivamente y neutrones sin carga. El número de protones de un núcleo es su número atómico, que define al elemento químico. Todos los núcleos con 11 protones, por ejemplo, son núcleos de átomos de sodio (Na).
Un elemento puede tener varios isótopos, cuyos núcleos tienen un número distinto de neutrones. Por ejemplo, el núcleo de sodio estable contiene 12 neutrones, mientras que los que contienen 13 neutrones son radiactivos.
Esos isótopos se anotan como ®Na y ²Na, donde el subíndice indica el número atómico, y el superíndice representa el número total de nucleones, es decir, de neutrones y protones. Cualquier especie de núcleo designada por un cierto número atómico y de neutrones se llama núclido.
Al representar la desintegración de un núclido radiactivo se debe determinar también el periodo de semidesintegración del núclido, es decir, el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de la muestra.
El periodo de semidesintegración del 24Na, por ejemplo, es de 15 horas. Los físicos nucleares determinan también el tipo y energía de la radiación emitida por el núclido.
Análisis radioquímico
Las partículas alfa, que son emitidas normalmente por elementos con números atómicos superiores a 83, tienen la energía discreta característica de los núclidos emisores. Así, los emisores ? pueden ser identificados midiendo la energía de las partículas ?.
Las muestras a medir deben ser muy delgadas porque estas partículas pierden rápidamente energía al atravesar el material. Los rayos gamma también tienen la energía discreta característica del núclido que se desintegra, por lo que la energía de estos rayos también puede usarse para identificar núclidos.
Puesto que los rayos g pueden atravesar una cantidad considerable de material sin perder energía, la muestra no tiene que ser delgada. Los espectros de energía de las partículas beta (y los positrones) no son útiles para identificar núclidos porque se extienden sobre todas las energías hasta un máximo para cada emisor ?.
Con frecuencia, las técnicas de física nuclear se emplean para analizar materiales rastreando elementos presentes en cantidades muy pequeñas. La técnica utilizada se llamaanálisis de activación. Se irradia una muestra con proyectiles nucleares (normalmente neutrones) para convertir núclidos estables en núclidos radiactivos, que luego se miden con detectores de radiación nuclear.
Por ejemplo, el sodio de una muestra puede ser detectado irradiando la muestra con neutrones, y convirtiendo así parte de los núcleos estables ®Na en núcleos radiactivos ²Na; a continuación se mide la cantidad de estos últimos contando las partículas ? y los rayos g emitidos.
El análisis de activación puede medir (sin separación química) cantidades tan pequeñas como 1 nanogramo (10-9 g) de unos 35 elementos en materiales como el suelo, las rocas, los meteoritos y las muestras lunares. También puede utilizarse para analizar muestras biológicas, como la sangre y el tejido humano; sin embargo, en los materiales biológicos se pueden observar pocos elementos sin separaciones químicas.
Otras aplicaciones importantes de la física nuclear son el desarrollo de métodos para producir especies radiactivas utilizadas para la diagnosis y los tratamientos médicos. También ha desarrollado los isótopos trazadores que se usan para estudiar el comportamiento químico de los elementos, para medir el desgaste de los motores de automóviles y en otros estudios que emplean cantidades mínimas de material.