Conceptos Clave de Física Nuclear y Cuántica: Fisión, Fusión, Radiactividad y Principios Fundamentales

Fisión Nuclear: Ruptura Atómica y Liberación de Energía

La fisión nuclear consiste en la ruptura del núcleo de un determinado átomo, para tener como consecuencia dos átomos de distinto elemento al inicial. Una de las consecuencias de la fisión es la liberación de energía, por razón de las desintegraciones sufridas. Dicha energía ocasiona radiactividad.

Un ejemplo de la aplicación de la fisión nuclear se encuentra en las bombas atómicas. Otras aplicaciones y consecuencias incluyen:

• Generación de energía nuclear
• Desarrollo de armamento nuclear
• Creación de radioisótopos
• Funcionamiento de generadores termonucleares

Fusión Nuclear: Unión de Núcleos y Fuente de Energía Estelar

La fusión nuclear, que es lo inverso a la fisión, está enfocada a la unión de los núcleos atómicos de elementos iguales o diferentes, para en consecuencia obtener átomos mucho más pesados. Aunque estos átomos sintéticos frecuentemente sean inestables y de una duración de fracción de segundos.

Un ejemplo de las aplicaciones de la fusión es la obtención constante de liberación energética, como es el caso del Sol. Debido a sus condiciones térmicas y de presión, el Sol facilita la fusión. Por ende, los átomos de los elementos presentes en el astro, una vez fusionados, que serán másicamente inferiores, liberarán la diferencia de la suma de los átomos anteriores como energía.

Radiactividad Natural: Tipos de Emisiones Nucleares

La radiactividad natural se clasifica en tres tipos principales:

Emisión Alfa (α)

Cuando un núcleo emite una partícula α, su número atómico disminuye en 2 unidades. Este proceso se produce en partículas pesadas y está constituida por núcleos de 2 protones y 2 neutrones con carga eléctrica ++. El núcleo resultante se queda con Z´=Z-2 y A´=A-4.

Emisión Gamma (γ)

Cuando un núcleo emite radiación γ (fotones), continúa siendo del mismo elemento químico. Sin masa y sin carga, el núcleo simplemente pierde energía, permaneciendo como un núcleo del mismo elemento químico. La energía de los fotones liberados está relacionada con la frecuencia de la radiación mediante la expresión E=h·f, donde h es la constante de Planck.

Emisión Beta (β)

La radiación β implica que el número atómico del núcleo aumenta en 1. Se produce en partículas ligeras y está formada por electrones con carga q=-e. Es un neutrón del núcleo el que se descompone. La partícula ν, llamada neutrino, hace que se cumpla el principio de conservación de la energía y del momento angular. Tanto el electrón (e) como el neutrino (ν) escapan del átomo, pero el protón se queda, resultando en Z´=Z+1 y A´=A.

Hipótesis de De Broglie: Dualidad Onda-Partícula

De Broglie, basándose en los resultados de Planck, Einstein y otros (Compton), supuso en 1924 que cualquier partícula puede comportarse como una onda en determinados experimentos. A cada partícula corresponde una onda asociada; es decir, supuso que toda la materia tiene un comportamiento dual. Dicho comportamiento ondulatorio vendrá caracterizado por una λ, llamada longitud de onda asociada a la partícula que estemos considerando. Esta λ viene dada por la expresión λ=h/p, donde h es la constante de Planck y p=m·v es la cantidad de movimiento de la partícula. Así, λ=h/mv. La onda asociada a una partícula recibe el nombre de onda de materia.

Radiación del Cuerpo Negro y Cuantización de Planck

En el estudio del Cuerpo Negro, Planck propuso que la energía se emite "concentrada" en cuantos. La energía correspondiente a un cuanto depende de la frecuencia de vibración de los átomos del material, y solo podrá emitirse un número entero de cuantos de energía E=n·h·ν. Planck admitió que la emisión (y absorción) de radiación no es continua, sino que está cuantizada.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg: Límites del Conocimiento Cuántico

El Principio de Incertidumbre de Heisenberg establece que es imposible conocer simultáneamente la posición y la velocidad del electrón, y por tanto es imposible determinar su trayectoria. Cuanto mayor sea la exactitud con que se conozca la posición, mayor será el error en la velocidad, y viceversa. Solamente es posible determinar la probabilidad de que el electrón se encuentre en una región determinada. La expresión es δx·δp≥h/4π, donde δx y δp son las incertidumbres al medir la posición y la cantidad de movimiento.