Fundamentos de la Física Nuclear y Ondas: Conceptos Esenciales

La Radiactividad y sus Emisiones

La radiactividad es la propiedad que presentan las sustancias radiactivas de emitir radiaciones capaces de ionizar el aire, excitar la fluorescencia de ciertos materiales, impresionar placas fotográficas y penetrar cuerpos opacos.

Tipos de Emisiones Radiactivas

Los tipos de emisiones radiactivas son los siguientes:

• Partículas Alfa (α)

  Son núcleos de helio formados por dos protones y dos neutrones. Poseen una energía cinética del orden de los megaelectronvoltios (MeV) y provienen de núcleos grandes en los que la repulsión electrostática apenas se compensa con la fuerza nuclear fuerte, haciendo que el núcleo sea inestable. La radiación alfa es poco penetrante, pero peligrosa si la fuente es interna. Una hoja de papel la detiene.

• Partículas Beta (β)

  Son electrones rápidos que provienen de la transformación de un neutrón del núcleo en un protón. También puede ser un positrón, que proviene de la transformación de un protón del núcleo en un neutrón. Su energía cinética es algo menor, una fracción de megaelectronvoltio. Las partículas beta son más penetrantes que las alfa; una hoja de aluminio las detiene, pero son algo menos peligrosas que las alfa para fuentes internas.

• Radiación Gamma (γ)

  Es radiación electromagnética compuesta por fotones de frecuencia muy alta. No tienen carga eléctrica ni masa y provienen de la desexcitación de un núcleo atómico. Su energía cinética está entre una fracción de megaelectronvoltios y unos pocos megaelectronvoltios. Es la más penetrante; se necesitan gruesos muros de hormigón o paredes de plomo para detenerla.

Peligrosidad de las Radiaciones

La peligrosidad para el ser humano de estas radiaciones varía según la fuente:

• Para fuentes externas al organismo: Alfa (α) → Beta (β) → Gamma (γ) (de menor a mayor peligrosidad).
• Para fuentes internas al organismo: Gamma (γ) → Beta (β) → Alfa (α) (de menor a mayor peligrosidad, es decir, alfa es la más peligrosa internamente).

Leyes de la Desintegración Radiactiva

La desintegración radiactiva sigue leyes específicas que describen cómo los núcleos inestables se transforman con el tiempo.

Ley de Emisión Radiactiva

El número de núcleos (N) que quedan sin desintegrar en una muestra radiactiva viene dado por la ley de emisión radiactiva. (Aquí se incluiría la fórmula: N(t) = N₀ * e^(-λt)). Donde N₀ es el número de núcleos inicial y λ (lambda) es la constante radiactiva, característica de cada isótopo y se mide en segundos a la menos uno (s⁻¹). (Aquí se incluiría una gráfica de N vs. t).

Velocidad de Desintegración (Actividad)

La velocidad de desintegración de una muestra radiactiva recibe el nombre de actividad (A) de la muestra y es proporcional al número de núcleos que contiene la muestra. Su unidad en el Sistema Internacional (SI) es el Becquerel (Bq), que equivale a una desintegración por segundo. (Aquí se incluiría la fórmula: A = λN y una gráfica de A vs. t). Cuantos más núcleos, más rápido se desintegra la muestra.

Periodo de Semidesintegración (T½)

El periodo de semidesintegración de una muestra radiactiva es el tiempo que tarda dicha muestra en desintegrar la mitad de sus núcleos.

Vida Media (τ)

La vida media de un isótopo radiactivo es el tiempo medio que tarda un núcleo en desintegrarse.

Interacciones Fundamentales en la Naturaleza

Existen cuatro fuerzas fundamentales que rigen el comportamiento de la materia y la energía en el universo:

1. Interacción Gravitatoria

   Interactúan todas las partículas con masa. Su partícula mediadora es el gravitón (hipotético). Su campo es siempre atractivo, de alcance infinito y muy débil. Es responsable, por ejemplo, del movimiento de los planetas y del peso de los cuerpos.

2. Interacción Electromagnética

   Interactúan todas las partículas con carga eléctrica. Su partícula mediadora es el fotón. Puede ser atractiva o repulsiva en función de los signos de las cargas. Es una fuerza mucho más fuerte que la gravitatoria y de largo alcance. Es responsable de la estructura atómica, los enlaces químicos, la luz y la mayoría de los fenómenos cotidianos.

3. Interacción Nuclear Fuerte

   Interactúan los nucleones (protones y neutrones) dentro del núcleo. Los gluones son sus partículas mediadoras. Es de muy corto alcance (alrededor de 10⁻¹⁵ m) y siempre atractiva. Es la responsable de mantener los protones (que por ser de carga positiva se repelerían) y neutrones unidos, formando núcleos estables.

4. Interacción Nuclear Débil

   Es de muy corto alcance (alrededor de 10⁻¹⁸ m) y es responsable de la emisión de partículas beta. Interviene, por tanto, en procesos como la fusión nuclear en el interior de las estrellas, por ejemplo, en el Sol.

Reacciones Nucleares y Energía

Las reacciones nucleares son procesos en los que intervienen los núcleos de los átomos, transformándose en otros distintos. Los más importantes son la emisión de partículas alfa, beta, radiación gamma, y los procesos de fisión y fusión nuclear.

Fisión Nuclear

La fisión nuclear es la reacción nuclear en la que un núcleo muy masivo se divide en dos más pequeños, liberando en el proceso una gran cantidad de energía. Estas reacciones tienen lugar bombardeando el núcleo con un neutrón. En la fisión producida se libera mucha energía y otros neutrones que se utilizan para bombardear nuevos núcleos, dando lugar a una reacción en cadena. Esto ocurre de manera controlada en los reactores nucleares y de forma incontrolada en las armas nucleares.

Fusión Nuclear

La fusión nuclear es la reacción nuclear en la que dos núcleos ligeros se unen para formar otro más grande, liberando una gran cantidad de energía. Esta reacción es la que tiene lugar de manera natural en las estrellas, como el Sol.

Conservación en Reacciones Nucleares

En toda reacción nuclear se cumple siempre que la suma del número atómico (Z) y la suma de los números másicos (A) es la misma en reactivos y en productos.

Energía Liberada y Defecto de Masa

La energía liberada en una reacción nuclear se calcula con el defecto de masa de la reacción, ya que en una reacción nuclear la masa no se conserva. La diferencia de masa entre reactivos y productos se traduce en una liberación de energía, que viene dada por la ecuación de Einstein de la equivalencia entre masa y energía (E=mc²).

Energía de Enlace y Estabilidad Nuclear

El defecto de masa es la diferencia entre la suma de las masas de los protones y neutrones que forman el núcleo, y la masa del núcleo ya formado. Este defecto de masa se traduce en una energía de enlace que se libera al unirse los protones y neutrones para formar el núcleo. Según la ecuación de Einstein sobre la equivalencia masa-energía, esta energía será (E = Δmc²). La estabilidad de un núcleo vendrá dada por la energía de enlace por nucleón (Energía de Enlace / Número Másico A). Cuanto mayor es ese valor, más estable será el núcleo. Por eso, en la fisión nuclear, un núcleo grande, al romperse en dos núcleos más pequeños, es energéticamente favorable, ya que, al ser estos núcleos más estables, liberan energía. Esto se visualiza en la curva de estabilidad nuclear. También se produce en la fusión: dos núcleos pequeños se juntan y dan lugar a uno más grande que libera energía.

Fenómenos Ondulatorios

Ondas Estacionarias

Una onda estacionaria se forma por la superposición de dos ondas viajeras de la misma amplitud, frecuencia y longitud de onda, que se propagan en sentido contrario. Esto puede realizarse, por ejemplo, en una cuerda que se fija por un extremo y se generan ondas desde el otro. Al rebotar, las ondas interfieren con las ondas reflejadas. A esta superposición se le llama interferencia y da como resultado una onda que parece que no se propaga. (Aquí se incluiría la expresión de las ondas viajeras).

Ondas Electromagnéticas

Una onda electromagnética es una perturbación de campos eléctricos (E) y magnéticos (B) que se propagan en el espacio, induciéndose mutuamente y transportando energía. Estos campos E y B que constituyen la onda son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. Alcanzan sus máximos y mínimos simultáneamente. (Aquí se incluiría un dibujo de una onda con campos E, B y dirección de propagación c). (Aquí se incluirían las ecuaciones que las describen). Los valores de E y B están relacionados mediante la expresión (E = cB), donde v es la velocidad de propagación de la onda, que en el vacío es constante y se obtiene de valor (c ≈ 3 x 10⁸ m/s).

Fenómeno de la Reflexión Total

Cuando la luz pasa de un medio de índice de refracción mayor a uno de menor índice, al llegar a cierto ángulo de incidencia (llamado ángulo límite), ya no se refracta, sino que se refleja totalmente.