En física nuclear y química nuclear , se considera semánticamente que una reacción nuclear es el proceso en el que dos núcleos , o un núcleo y una partícula subatómica externa , chocan para producir uno o más nuevos nucleidos . Por tanto, una reacción nuclear debe provocar la transformación de al menos un nucleido en otro. Si un núcleo interactúa con otro núcleo o partícula y luego se separan sin cambiar la naturaleza de ningún nucleido, el proceso se denomina simplemente un tipo de dispersión nuclear , en lugar de una reacción nuclear.
En principio, una reacción puede involucrar la colisión de más de dos partículas , pero debido a que la probabilidad de que tres o más núcleos se encuentren al mismo tiempo en el mismo lugar es mucho menor que para dos núcleos, tal evento es excepcionalmente raro (ver triple alfa proceso por ejemplo muy cercano a una reacción nuclear de tres cuerpos). El término "reacción nuclear" puede referirse a un cambio en un nucleido inducido por colisión con otra partícula, o a un cambio espontáneo de un nucleido sin colisión.
Las reacciones nucleares naturales ocurren en la interacción entre los rayos cósmicos y la materia, y las reacciones nucleares pueden emplearse artificialmente para obtener energía nuclear, a una velocidad ajustable, según se requiera. Quizás las reacciones nucleares más notables son las reacciones en cadena nuclear en materiales fisionables que producen la fisión nuclear inducida y las diversas reacciones de fusión nuclear de elementos ligeros que impulsan la producción de energía del Sol y las estrellas.
Historia
En 1919, Ernest Rutherford pudo realizar la transmutación de nitrógeno en oxígeno en la Universidad de Manchester, utilizando partículas alfa dirigidas al nitrógeno 14 N + α → 17 O + p. Esta fue la primera observación de una reacción nuclear inducida, es decir, una reacción en la que las partículas de una desintegración se utilizan para transformar otro núcleo atómico. Finalmente, en 1932 en la Universidad de Cambridge, los colegas de Rutherford, John Cockcroft y Ernest Walton , lograron una reacción nuclear completamente artificial y una transmutación nuclear , quienes usaron protones acelerados artificialmente contra el litio-7, para dividir el núcleo en dos partículas alfa. La hazaña fue conocida popularmente como "dividir el átomo", aunque no fue la reacción de fisión nuclear moderna descubierta más tarde en elementos pesados, en 1938 por los científicos alemanes Otto Hahn , Lise Meitner y Fritz Strassmann . [1]
Nomenclatura
Las reacciones nucleares pueden mostrarse en una forma similar a las ecuaciones químicas, para las cuales la masa invariante debe equilibrarse para cada lado de la ecuación, y en las que las transformaciones de partículas deben seguir ciertas leyes de conservación, como la conservación de la carga y el número de bariones ( masa atómica total número ). A continuación, se muestra un ejemplo de esta notación:
Para equilibrar la ecuación anterior para masa, carga y número de masa, el segundo núcleo a la derecha debe tener el número atómico 2 y el número de masa 4; por lo tanto, también es helio-4. Por tanto, la ecuación completa dice:
o más simplemente:
En lugar de usar las ecuaciones completas en el estilo anterior, en muchas situaciones se usa una notación compacta para describir reacciones nucleares. Este estilo de la forma A (b, c) D es equivalente a A + b que produce c + D. Las partículas de luz comunes a menudo se abrevian en esta forma abreviada, típicamente p para protón, n para neutrón, d para deuterón , α representando un alfa. partícula o helio-4 , β para partícula beta o electrón, γ para fotón gamma , etc. La reacción anterior se escribiría como 6 Li (d, α) α. [2] [3]
Conservación de energía
La energía cinética puede liberarse durante el curso de una reacción (reacción exotérmica ) o puede ser necesario suministrar energía cinética para que tenga lugar la reacción ( reacción endotérmica ). Esto se puede calcular por referencia a una tabla de masas en reposo de partículas muy precisas, [4] de la siguiente manera: de acuerdo con las tablas de referencia, el6
3Li
El núcleo tiene un peso atómico estándar de 6.015 unidades de masa atómica (abreviado u ), el deuterio tiene 2.014 u y el núcleo de helio-4 tiene 4.0026 u. Por lo tanto:
- la suma de la masa en reposo de los núcleos individuales = 6.015 + 2.014 = 8.029 u;
- la masa en reposo total en los dos núcleos de helio = 2 × 4,0026 = 8,0052 u;
- masa en reposo faltante = 8.029 - 8.0052 = 0.0238 unidades de masa atómica.
En una reacción nuclear, se conserva la energía total (relativista) . Por tanto, la masa en reposo "faltante" debe reaparecer como energía cinética liberada en la reacción; su fuente es la energía de enlace nuclear . Utilizando la fórmula de equivalencia masa-energía de Einstein E = mc ², se puede determinar la cantidad de energía liberada. Primero necesitamos la energía equivalente de una unidad de masa atómica :
- 1 u c² = (1.66054 × 10 −27 kg) × (2.99792 × 10 8 m / s) ²
- = 1,49242 × 10 −10 kg (m / s) ² = 1,49242 × 10 −10 J ( julio ) × (1 MeV / 1,60218 × 10 −13 J)
- = 931,49 MeV,
- entonces 1 u c² = 931,49 MeV.
Por tanto, la energía liberada es 0,0238 × 931 MeV = 22,2 MeV .
Expresado de otra manera: la masa se reduce en un 0,3%, lo que corresponde al 0,3% de 90 PJ / kg es 270 TJ / kg.
Ésta es una gran cantidad de energía para una reacción nuclear; la cantidad es tan alta porque la energía de enlace por nucleón del núcleo de helio-4 es inusualmente alta, porque el núcleo de He-4 es " doblemente mágico ". (El núcleo de He-4 es inusualmente estable y está estrechamente unido por la misma razón que el átomo de helio es inerte: cada par de protones y neutrones en He-4 ocupa un orbital nuclear 1s lleno de la misma manera que el par de electrones en el El átomo de helio ocupa un orbital de electrones 1s lleno ). En consecuencia, las partículas alfa aparecen con frecuencia en el lado derecho de las reacciones nucleares.
La energía liberada en una reacción nuclear puede aparecer principalmente de una de estas tres formas:
- energía cinética de las partículas del producto (la fracción de la energía cinética de los productos de reacción nuclear cargados se puede convertir directamente en energía electrostática); [5]
- emisión de fotones de muy alta energía , llamados rayos gamma ;
- algo de energía puede permanecer en el núcleo, como un nivel de energía metaestable .
Cuando el núcleo del producto es metaestable, esto se indica colocando un asterisco ("*") junto a su número atómico. Esta energía finalmente se libera a través de la desintegración nuclear .
Una pequeña cantidad de energía también puede surgir en forma de rayos-X . Generalmente, el núcleo producto tiene un número atómico diferente y, por lo tanto, la configuración de sus capas de electrones es incorrecta. A medida que los electrones se reorganizan y caen a niveles de energía más bajos, se pueden emitir rayos X de transición internos (rayos X con líneas de emisión definidas con precisión ).
Valor Q y balance energético
Al escribir la ecuación de reacción, de forma análoga a una ecuación química , se puede además dar la energía de reacción en el lado derecho:
- Objetivo núcleo de proyectil + → núcleo final + ejectile + Q .
Para el caso particular discutido anteriormente, la energía de reacción ya se ha calculado como Q = 22,2 MeV. Por eso:
6 3Li + 2 1H → 2 4 2Él + 22,2 MeV .
La energía de reacción (el "valor Q") es positiva para reacciones exotérmicas y negativa para reacciones endotérmicas, opuesta a la expresión similar en química . Por un lado, es la diferencia entre las sumas de energías cinéticas en el lado final y en el lado inicial. Pero, por otro lado, también es la diferencia entre las masas nucleares en reposo en el lado inicial y en el lado final (de esta manera, hemos calculado el valor Q arriba).
Tasas de reacción
Si la ecuación de reacción está equilibrada, eso no significa que la reacción realmente ocurra. La velocidad a la que ocurren las reacciones depende de la energía de las partículas, el flujo de partículas y la sección transversal de la reacción . Un ejemplo de un gran depósito de velocidades de reacción es la base de datos REACLIB, mantenida por el Instituto Conjunto de Astrofísica Nuclear .
Neutrones contra iones
En la colisión inicial que inicia la reacción, las partículas deben acercarse lo suficiente para que la fuerza fuerte de corto alcance pueda afectarlas. Como las partículas nucleares más comunes están cargadas positivamente, esto significa que deben superar una repulsión electrostática considerable antes de que pueda comenzar la reacción. Incluso si el núcleo objetivo es parte de un átomo neutro , la otra partícula debe penetrar mucho más allá de la nube de electrones y acercarse al núcleo, que está cargado positivamente. Por lo tanto, dichas partículas deben acelerarse primero a alta energía, por ejemplo, mediante:
- aceleradores de partículas ;
- desintegración nuclear (las partículas alfa son el principal tipo de interés aquí, ya que los rayos beta y gamma rara vez participan en las reacciones nucleares);
- temperaturas muy altas, del orden de millones de grados, que producen reacciones termonucleares ;
- rayos cósmicos .
Además, dado que la fuerza de repulsión es proporcional al producto de las dos cargas, las reacciones entre núcleos pesados son más raras y requieren una mayor energía de iniciación que las que se producen entre un núcleo pesado y un núcleo ligero; mientras que las reacciones entre dos núcleos ligeros son las más comunes.
Los neutrones , por otro lado, no tienen carga eléctrica para causar repulsión y pueden iniciar una reacción nuclear a energías muy bajas. De hecho, a energías de partículas extremadamente bajas (correspondientes, digamos, al equilibrio térmico a temperatura ambiente ), la longitud de onda de De Broglie del neutrón aumenta considerablemente, posiblemente aumentando considerablemente su sección transversal de captura, a energías cercanas a las resonancias de los núcleos involucrados. Por tanto, los neutrones de baja energía pueden ser incluso más reactivos que los neutrones de alta energía.
Tipos notables
Si bien el número de posibles reacciones nucleares es inmenso, hay varios tipos que son más comunes o notables. Algunos ejemplos incluyen:
- Reacciones de fusión : dos núcleos ligeros se unen para formar uno más pesado, con partículas adicionales (generalmente protones o neutrones) emitidas posteriormente.
- Espalación : un núcleo es golpeado por una partícula con suficiente energía e impulso para derribar varios fragmentos pequeños o romperlos en muchos fragmentos.
- La emisión gamma inducida pertenece a una clase en la que solo los fotones participaron en la creación y destrucción de estados de excitación nuclear.
- Desintegración alfa : aunque impulsada por las mismas fuerzas subyacentes que la fisión espontánea, la desintegración α generalmente se considera separada de esta última. La idea citada a menudo de que las "reacciones nucleares" se limitan a procesos inducidos es incorrecta. Las "desintegraciones radiactivas" son un subgrupo de "reacciones nucleares" que son más espontáneas que inducidas. Por ejemplo, las llamadas "partículas alfa calientes" con energías inusualmente altas pueden producirse en realidad en la fisión ternaria inducida , que es una reacción nuclear inducida (en contraste con la fisión espontánea). Tales alfas también se producen por fisión ternaria espontánea.
- Reacciones de fisión : un núcleo muy pesado, después de absorber partículas ligeras adicionales (generalmente neutrones), se divide en dos o, a veces, en tres partes. Esta es una reacción nuclear inducida. La fisión espontánea , que ocurre sin la ayuda de un neutrón, generalmente no se considera una reacción nuclear. A lo sumo, no es una reacción nuclear inducida .
Reacciones directas
Un proyectil de energía intermedia transfiere energía o recoge o pierde nucleones en el núcleo en un solo evento rápido ( 10-21 segundos). La transferencia de energía e impulso son relativamente pequeños. Estos son particularmente útiles en física nuclear experimental, porque los mecanismos de reacción a menudo son lo suficientemente simples como para calcularlos con suficiente precisión para sondear la estructura del núcleo objetivo.
Dispersión inelástica
Solo se transfieren energía e impulso.
- (p, p ') prueba las diferencias entre estados nucleares.
- (α, α ') mide las formas y tamaños de la superficie nuclear. Dado que las partículas α que golpean el núcleo reaccionan de manera más violenta, la dispersión α elástica e inelástica superficial es sensible a las formas y tamaños de los objetivos, como la luz dispersada por un pequeño objeto negro.
- (e, e ') es útil para sondear la estructura interior. Dado que los electrones interactúan con menos fuerza que los protones y los neutrones, llegan a los centros de los objetivos y sus funciones de onda se distorsionan menos al pasar a través del núcleo.
Reacciones de intercambio de carga
La energía y la carga se transfieren entre el proyectil y el objetivo. Algunos ejemplos de este tipo de reacciones son:
- (p, n)
- ( 3 él, t)
Reacciones de transferencia de nucleones
Por lo general, a una energía moderadamente baja, se transfieren uno o más nucleones entre el proyectil y el objetivo. Estos son útiles para estudiar la estructura de la capa externa de los núcleos. Pueden producirse reacciones de transferencia, del proyectil al objetivo; reacciones de despojo, o del objetivo al proyectil; reacciones de recogida.
- Reacciones (α, n) y (α, p). Algunas de las reacciones nucleares más tempranas estudiadas involucraron una partícula alfa producida por desintegración alfa , golpeando un nucleón de un núcleo objetivo.
- reacciones (d, n) y (d, p). Un rayo de deuterón incide en un objetivo; los núcleos diana absorben el neutrón o el protón del deuterón. El deuterón está tan débilmente unido que es casi lo mismo que la captura de protones o neutrones. Puede formarse un núcleo compuesto, lo que hace que se emitan neutrones adicionales más lentamente. Las reacciones (d, n) se utilizan para generar neutrones energéticos.
- La reacción de intercambio de extrañeza ( K , π ) se ha utilizado para estudiar hipernúcleos .
- La reacción 14 N (α, p) 17 O realizada por Rutherford en 1917 (publicada en 1919) se considera generalmente como el primer experimento de transmutación nuclear .
Reacciones con neutrones
→ T | → 7 Li | → 14 C | |||
---|---|---|---|---|---|
(n, α) | 6 Li + n → T + α | 10 B + n → 7 Li + α | 17 O + n → 14 C + α | 21 Ne + n → 18 O + α | 37 Ar + n → 34 S + α |
(notario público) | 3 Él + n → T + p | 7 Be + n → 7 Li + p | 14 N + n → 14 C + p | 22 Na + n → 22 Ne + p | |
(n, γ) | 2 H + n → T + γ | 13 C + n → 14 C + γ |
Las reacciones con neutrones son importantes en reactores nucleares y armas nucleares . Si bien las reacciones de neutrones más conocidas son la dispersión de neutrones , la captura de neutrones y la fisión nuclear , para algunos núcleos ligeros (especialmente los núcleos impares ) la reacción más probable con un neutrón térmico es una reacción de transferencia:
Algunas reacciones solo son posibles con neutrones rápidos :
- Las reacciones (n, 2n) producen pequeñas cantidades de protactinio-231 y uranio-232 en el ciclo del torio, que por lo demás está relativamente libre de productos de actínidos altamente radiactivos .
- 9 Be + n → 2α + 2n puede aportar algunos neutrones adicionales en el reflector de neutrones de berilio de un arma nuclear .
- 7 Li + n → T + α + n contribuyó inesperadamente a un rendimiento adicional en las tomas Bravo , Romeo y Yankee de Operation Castle , las tres pruebas nucleares de mayor rendimiento realizadas por EE. UU.
Reacciones nucleares compuestas
O se absorbe un proyectil de baja energía o una partícula de mayor energía transfiere energía al núcleo, dejándolo con demasiada energía para unirse por completo. En una escala de tiempo de aproximadamente 10-19 segundos, las partículas, generalmente neutrones, se "evaporan". Es decir, permanece junta hasta que se concentra suficiente energía en un neutrón para escapar de la atracción mutua. El núcleo excitado casi unido se llama núcleo compuesto .
- Energía baja (e, e 'xn), (γ, xn) (el xn indica uno o más neutrones), donde la energía gamma o gamma virtual está cerca de la resonancia del dipolo gigante . Estos aumentan la necesidad de protección contra la radiación alrededor de los aceleradores de electrones .
Ver también
- Acoplanaridad
- Masa atomica
- Núcleo atómico
- Número atómico
- Ciclo de CNO
- Reacción en cadena nuclear
- Proceso de Oppenheimer-Phillips
- La energía nuclear
Referencias
- ^ Cockcroft y Walton dividen el litio con protones de alta energía en abril de 1932. Archivado el 2 de septiembre de 2012 en la Wayback Machine.
- ^ El espectador de astrofísica: tasas de fusión de hidrógeno en estrellas
- ^ Tilley, RJD (2004). Comprensión de los sólidos: la ciencia de los materiales . John Wiley e hijos . pag. 495. ISBN 0-470-85275-5.
- ^ Suplee, Curt (23 de agosto de 2009). "Pesos atómicos y composiciones isotópicas con masas atómicas relativas" . NIST .
- ^ Shinn, E .; Et., Al. (2013). "Conversión de energía nuclear con pilas de nanocondensadores de grafeno". Complejidad . 18 (3): 24-27. Código bibliográfico : 2013Cmplx..18c..24S . doi : 10.1002 / cplx.21427 .
Fuentes
- Schmitz, Taylor (1973). Física nuclear . Pergamon Press . ISBN 0-08-016983-X.
- Bertulani, Carlos (2007). Física nuclear en pocas palabras . Prensa de la Universidad de Princeton . ISBN 978-0-691-12505-3.