El núcleo de los átomos fue descubierto en 1911 por Rutherford a partir del análisis de partículas ce dispersadas por los átomos. Es a partir de 1932, con el descubrimiento del neutrón por Chadwick y con las reacciones llevadas a cabo por los esposos Joliot-Curie, cuando el núcleo empieza a tener verdadera importancia.
El núcleo tiene dimensiones muy reducidas. Ocupa la parte central del átomo; en él reside toda la carga positiva y casi la totalidad de la masa atómica. Está formado fundamentalmente por protones y neutrones. Los protones tienen una carga positiva cuantitativamente igual a la del electrón (1,602 X 10 -19C). Los neutrones son eléctricamente neutros. A las partículas del núcleo se les llama nucleones. Las fuerzas que mantienen unidas las partículas del núcleo entre sí, venciendo, incluso, las de repulsión electrostática entre los protones, son unas fuerzas de naturaleza desconocida y corto alcance que sólo aparecen en el interior de los núcleos y que se llaman fuerzas nucleares.
A la energía acumulada por estas fuerzas nucleares se la llama energía de enlace o de ligadura y se calcula mediante la relación de Einstein E = MC2.
Al determinar la masa del núcleo observamos que es inferior a la suma de la masa de los componentes. La diferencia entre ambas se llama defecto másico (Dm) y la energía de enlace será
E = Dm.c2.
Una parte de la masa del núcleo se ha transformado en energía de enlace para mantener unidas las partículas del núcleo. Esta energía es la que se libera en una reacción nuclear. Dividiendo la energía de enlace o de ligadura por el número de componentes del núcleo, se obtiene la energía media por nucleón, valor que nos indica la estabilidad del núcleo. Si la energía media de enlace tiene un valor alto, será un núcleo estable. Si su valor es pequeño, será inestable y tenderá a emitir alguno de sus componentes para convertirse en otra forma más estable. En este caso el núcleo es radiactivo.
ES LO MISMO ENERGÍA NUCLEAR QUE ENERGÍA ATÓMICA
Los términos energía atómica y energía nuclear son sinónimos y definen el mismo concepto. La razón de esta doble denominación es de origen histórico. Existen unos países a los que podemos llamar “pioneros” en las investigaciones relacionadas con la energía emitida por los cuerpos radiactivos y otros a los que podemos llamar “usuarios” de dicha energía. Entre los primeros podemos incluir a Francia y al Reino Unido, países en los que Becquerel, los esposos Curie, Rutherford y sus colaboradores hablaban en sus comunicaciones de energía atómica y lo que estudiaban eran “las grandes cantidades de energía almacenadas en los átomos radiactivos” (el núcleo no fue descubierto hasta 1912). En el segundo grupo (en el que podemos incluir a España) el término nucleares el que se empezó a utilizar con rigor y precisión.
Existe un intento de generalizar el uso del término nuclear en todos los países. Sin embargo es difícil que se deje de hablar de energía atómica. por la gran cantidad de organismos oficiales y de normas que llevan de forma implícita este término.
LA FISIÓN NUCLEAR
La fisión nuclear es una reacción en la cual un núcleo pesado, al ser bombardeado con neutrones, se descompone en dos núcleos, uno de ellos de masa aproximadamente la mitad del otro, con gran desprendimiento de energía y la emisión de dos o tres neutrones. Estos, a su vez, pueden ocasionar más fisiones al interaccionar con nuevos núcleos fisionables que emitirán nuevos neutrones y así sucesivamente si la constante de multiplicación es mayor que 1. Este efecto multiplicador se conoce con el nombre de reacción en cadena. En una pequeña fracción de segundo, el número de núcleos que se han fisionado libera una energía 106 veces mayor que la obtenida al quemar un bloque de carbón o explotar un bloque de dinamita de la misma masa. Debido a la rapidez a la que tiene lugar una reacción nuclear, la energía se desprende mucho más rápidamente que en una reacción quírfii.ca. Este es el principio en el que está basada la bomba atómica. Las condiciones bajo las que se llegó a su descubrimiento y construcción forman parte de la historia d e la humanidad y son conocidas por todos.
Si por el contrario se logra que sólo uno de los neutrones liberados produzca una fisión posterior, el número de fisiones que tienen lugar por segundo es constante y la reacción está controlada. Este es el principio de funcionamiento en el que están basados los reactores nucleares, que son fuentes controlables de energía nuclear de fisión.
LA FUSIÓN NUCLEAR
Recibe el nombre de fusión nuclear la reacción en la que dos núcleos muy ligeros se unen para formar un núcleo más pesado y estable, con gran desprendimiento de energía.
Para que tenga lugar la fusión, los núcleos cargados positivamente, deben aproximarse venciendo las fuerzas electrostáticas de repulsión. La energía cinética necesaria para que los núcleos que reaccionan venzan las interacciones se puede suministrar en forma de energía térmica o utilizando un acelerador de partículas.
La solución más viable es la fusión térmica. Estas reacciones de fusión térmica, llamadas reacciones termonucleares, se producen en los reactores de fusión y fundamentalmente con los isótopos del hidrógeno
El aprovechamiento por el hombre de la energía de fusión pasa por la investigación y el desarrollo de sistemas tecnológicos que cumplan dos requisitos fundamentales: calentar y confinar. Calentar para conseguir un gas sobrecalentado (plasma) en donde los electrones salgan de sus órbitas y donde los núcleos puedan ser controlados por un campo magnético; y confinar, para mantener la materia en estado de plasma o gas ionizado, encerrada en la cavidad del reactor el tiempo suficiente para que pueda reaccionar.
Este tipo de reacciones son muy atractivas como fuente de energía ya que el deuterio no es radiactivo y se encuentra de forma natural y prácticamente ilimitada en la naturaleza. El tritio no se presenta de forma natural y además es radiactivo. Sin embargo las investigaciones están básicamente centradas en las reacciones de fusión deuterio-tritio, debido a que libera una mayor energía y la temperatura a la que tiene lugar la fusión es considerablemente menor que las otras.
Las tres partículas elementales que entran a formar parte del átomo son: el electrón, el protón y el neutrón: el electrón posee una masa de 9,11 x 10-31 kg (aproximadamente 1/1800 de la masa del átomo de hidrógeno) y una carga negativa de 1,602 x 10-19 C (este valor se toma como unidad en física nuclear); el protón tiene una masa de 1,673 x 10-27 kg.; (aproximadamente, la masa del átomo de hidrógeno) y una carga positiva igual en valor absoluto a la carga del electrón; el neutrón tiene una masa ligeramente inferior al protón y carece de carga eléctrica. Hoy se sabe que el protón y el neutrón no son esencialmente distintos, sino que son dos estados de una misma partícula denominada nucleón, de tal modo que un neutrón puede desintegrarse en un protón más un electrón, sin que ello signifique que el electrón existiese anteriormente sino que se forma en el momento de la desintegración. Análogamente, un protón puede transformarse en un neutrón para lo que ha de emitir un electrón positivo (positrón)
Otra partícula de gran importancia en física nuclear es el neutrino, que, aunque carece de masa y de carga, posee energía y cantidad de movimiento. La existencia del neutrino se dedujo a partir de consideraciones teóricas que hacían necesaria la existencia de esta partícula si determinados procesos subatómicos habían de cumplir las leyes de la física.
El estudio de la radiación cósmica, así como los experimentos que se llevan a cabo en los aceleradores de partículas, han permitido comprobar la existencia de un número mucho mayor de partículas elementales, todas ellas de vida efímera, es decir, que se desintegran en otras; estas partículas han recibido los nombres de muones, tauones, mesones, hiperones. El número de partículas elementales descubiertas hasta la fecha rebasa el centenar.
También se sabe que además de cada partícula existe la antipartícula correspondiente, la cual posee la misma masa que ella e igual carga pero de signo contrario. Así, el antiprotón es una partícula con la misma masa que el protón pero cuya carga es una unidad negativa; el antielectrón (que recibe el nombre de positrón) es igual que un electrón con carga positiva. Las antipartículas tienen una vida muy corta, ya que cuando se encuentran con una partícula se aniquilan liberando energía.