ENSAYO_Introduccion_a_la_Fisica_Nuclear - Mazami Leon (1)

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ENSAYO 
Origen, evolución, 
aplicaciones y 
retos de la física 
nuclear. 
FISICA MODERNA 
BONIFACIO CARREON WILLIAMS, 
VILLEGAS VEGA RAMIRO, 
HERNANDEZ ESCOBAR CARLOS MIGUEL, 
CHUZEVILLE ROSAS CATHERINE ETIENNE, 
SANTOS BARBOSA JOSE EMMANUEL 
8-1-2021 
 
-Origen de la física nuclear 
Con el descubrimiento del electrón, a fines del siglo pasado, por J. J. Thomson, E. 
Wiechert y W. Kaufmann, y la introducción del átomo nuclear de Ernest Rutherford, 
se disponía finalmente para formular una teoría atómica que pudiera satisfacer los 
requerimientos empíricos. A partir de ahora, los fenómenos radioactivos se 
atribuirían a procesos dentro del núcleo atómico, distintos de aquellos que tenían 
su origen en las capas electrónicas exteriores que, según la teoría de Bohr, 
rodeaban al núcleo. 
Para explicar los fenómenos atómicos había sido necesario reemplazar la mecánica 
clásica por la mecánica cuántica. Se trataba ahora de examinar la validez de esta 
nueva teoría en el ámbito nuclear donde las condiciones físicas eran muy distintas. 
Los científicos se vieron obligados a revisar de nuevo los fundamentos de sus 
teorías. mientras que algunos creían que la solución requería una nueva revolución 
conceptual. 
La explicación de los fenómenos nucleares requería profundos cambios 
conceptuales, es decir, la creación y la aniquilación de partículas y la introducción 
de nuevas teorías de campo, como también el descubrimiento de nuevas partículas 
constituyentes del núcleo atómico, en especial el neutrón, el positrón, el neutrino y 
los mesones. Como consecuencia, se produjo una división dentro del cuerpo de la 
física nuclear, que dio origen a la física de las partículas elementales como nueva 
disciplina. 
Ernest Rutherford estableció los fundamentos tanto de la física nuclear moderna 
como de la física atómica moderna a través de una serie de experimentos 
publicados por primera vez en 1911. Ernest Rutherford y el químico británico 
Frederick Soddy fueron los primeros en demostrar que un elemento puede irradiar 
de forma natural suficiente materia para convertirse en otro. 
El descubrimiento del neutrón por James Chadwick en 1932 aclaró tanto el 
problema de la composición isotópica como la conexión entre el peso atómico A y 
el espín nuclear. Ahora que se sabe que los protones y neutrones son los 
componentes básicos de los núcleos, se inició el estudio de la estructura nuclear. 
“Durante los años 20 se empezó hablar de física nuclear, antes que de 
radioactividad, para referirse a la ciencia del núcleo atómico en general y no 
solamente a los fenómenos de desintegración de ciertos núcleos” (Meyenn K. 
(1999)). 
Con el descubrimiento del neutrón, en 1932, aumentaron las conferencias centradas 
en la física nuclear. Los problemas de la nueva disciplina jugaban un papel cada 
vez más importante en las reuniones que Bohr convocaba periódicamente para 
discutir los desarrollos más recientes de la física cuántica. 
Mientras predominó el estudio de las radiaciones y de las series de desintegración, 
el nuevo campo de investigación se denominó radiactividad. Una vez comprendida 
a grandes rasgos la fenomenología, comenzaron a formularse los primeros modelos 
nucleares, que inicialmente eran primordialmente clásicos; sin embargo, las altas 
energías de los procesos nucleares requerían la construcción de nuevos aparatos 
y equipos experimentales, más grandes y costosos. 
Entre los primeros textos sobre radioactividad, aparecidos poco después del 
descubrimiento de este fenómeno, figuran la disertación de Marie Curie y las 
monografías de Rutherford y su colaborador Frederick Soddy. Inicialmente, los 
libros de física trataban la radioactividad como un apartado de la electricidad y el 
magnetismo. 
-Evolución de la física Nuclear 
Como todas las ramas de la física, la parte nuclear tuvo un comienzo y un auge a 
partir de la ineficiencia de los conocimientos de la mecánica clásica. Esto en parte 
de que surgían diferentes problemas e indeterminaciones al aplicar las fórmulas 
convencionales, pues era necesaria una nueva formulación de las leyes de la física, 
sin embargo, no todas las ideas fueron aceptadas por la comunidad científica, aun 
así hubo pioneros en la formulación de esta nueva parte de la física 
Si bien el comienzo de la parte nuclear tuvo antecedentes con los filósofos griegos 
quienes especulaban sobre la naturaleza fundamental de la materia. Cuatro siglos 
antes de nuestra fue Demócrito quien pensó que la materia podía subdividirse hasta 
una mínima expresión llamada átomo. El átomo era entonces el constituyente 
fundamental de la materia y fue hasta el siglo XIX donde se pudo comprobar 
experimentalmente su existencia y confirmar la validez de esta teoría. Fue entonces 
cuando surgió la física atómica que está dedicada al estudio de las propiedades de 
los átomos de los diversos elementos. En esta especialidad trabajaron grandes 
científicos como Dalton, Avogadro, Faraday y Mendeléyev. Fue Dimitri Ivánovich 
Mendeléyev quien hizo una clasificación sistemática de los elementos, 
caracterizados por las propiedades de los átomos respectivos. 
En 1896 fue descubierta la radiactividad en las sales de uranio por el físico 
francés Henri Becquerel; en ese mismo año Becquerel descubre que algunos tipos 
de átomos son radiactivos. Posteriormente en 1898, los científicos Marie y Pierre 
Curie descubrieron dos elementos radiactivos existentes en la naturaleza, 
el polonio (Po) y el radio (Ra). 
En 1913 el físico alemán Niels Bohr publicó su modelo de átomo, consistente en 
un núcleo central compuesto por partículas que concentran la práctica mayoría de 
la masa del átomo (neutrones y protones), rodeado por varias capas de partículas 
cargadas casi sin masa (los electrones). Mientras que el tamaño del átomo resulta 
ser del orden del angstrom (10-10 m), el núcleo puede medirse en fermis (10-15 m), o 
sea, el núcleo es 100 000 veces menor que el átomo. 
Rutherford estudio las propiedades de la radiactividad usándolas luego para 
estudiar los átomos. Este físico británico planteo la tesis de la existencia del núcleo 
y en el año 1918 definió la existencia de los núcleos de hidrógeno. Rutherford 
sugirió que el núcleo de hidrógeno, cuyo número atómico se sabía que era 1, debía 
ser una partícula fundamental. Se adoptó para esta nueva partícula el nombre 
de protón sugerido en 1886 por Goldstein para definir ciertas partículas que 
aparecían en los tubos catódicos. Fue así como de esta forma nace la física 
nuclear. 
Pese a que los resultados presentados por Rutherford, que indicaban una estructura 
con núcleo y electrones orbitando, parecían incontestables, el modelo no podía ser 
explicado con las teorías de la época. Según la física clásica, una carga eléctrica 
que tiene una órbita circular pierde energía. Bajo esta premisa, el modelo de 
Rutherford no podía ser estable, dado que la pérdida de energía de los electrones 
haría que terminaran por precipitarse contra el núcleo. Quedaba claro que, si los 
resultados de Rutherford eran correctos, y todo parecía indicar que lo eran, los 
físicos se encontraban ante una serie de problemas cuya solución requería el 
desarrollo de una nueva física. 
"Es, probablemente, el hallazgo más importante del siglo XX" 
Apenas dos años después del descubrimiento del núcleo, Bohr propuso un nuevo 
modelo basándose en los resultados de Rutherford, pero tomando prestadas unas 
revolucionarias ideas que utilizaban un nuevo concepto, la cuantización. El modelo 
de Bohr mantenía la estructura planetaria del átomo de Rutherford, pero introducía 
ciertos postulados que establecían que los electrones sólo podían describir unas 
órbitas circulares especiales en las que no había pérdida de energía, lo que permitía 
que el modelo fuese estable. Se iniciaba así la era de una nueva física, una 
innovadora forma de observar lamateria que cambiaría para siempre la forma de 
estudiar el mundo microscópico. La física cuántica comenzaba a asomar la cabeza. 
Sin duda, el descubrimiento de Rutherford contribuyó de manera decisiva a la 
formulación de una nueva teoría que explicara la estructura de la materia. Sin 
embargo, el experimento que realizó también se puede considerar un hito de la 
física experimental, ya que el experimento de Rutherford inició los aceleradores de 
partículas 
Durante la década de 1930, Irene y Jean Frédéric Joliot-Curie obtuvieron los 
primeros nucleídos radiactivos artificiales bombardeando boro (B) y aluminio (Al) 
con partículas α para formar isótopos radiactivos de nitrógeno (N) y fósforo (P). 
Algunos isótopos de estos elementos presentes en la naturaleza son estables. Los 
isótopos inestables se encuentran en proporciones muy bajas. 
En 1932 James Chadwick realizó una serie de experimentos con una radiactividad 
especial que definió en términos de corpúsculos, o partículas que formaban esa 
radiación. Esta nueva radiación no tenía carga eléctrica y poseía una masa casi 
idéntica a la del protón. Inicialmente se postuló que fuera resultado de la unión de 
un protón y un electrón formando una especie de dipolo eléctrico. Posteriores 
experimentos descartaron esta idea llegando a la conclusión de que era una nueva 
partícula procedente del núcleo a la que se llamó neutrones. 
Los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann descubrieron la fisión 
nuclear en 1938. Cuando se irradia uranio con neutrones, algunos núcleos se 
dividen en dos núcleos con números atómicos. La fisión libera una cantidad enorme 
de energía y se utiliza en armas y reactores de fisión nuclear. 
 
La física nuclear fue desarrollada por grandes y excepcionales científicos, que vale 
la pena mencionar, cada uno de ellos realizaron aportaciones en los postulados de 
sus teorías, obteniendo numerosos reconocimientos, incluidos los más importantes 
del mundo como el premio nobel. 
 
Científicos pioneros en el desarrollo de la física Nuclear 
 
Henri Becquerel Enrico Fermi 
 
Robert Oppenheimer 
Niels Bohr Johannes Vilhelm Jensen 
 
Isidor Isaac Rabi 
 
Marie Curie Irene Joliot-Curie 
 
Ernest Rutherford 
 
Pierre Curie John von Neumann 
 
Lise Meitner 
 
Albert Einstein Hans Bethe 
 
Valeri Legásov 
Jean Frédéric Joliot-Curie Wolfgang Paul 
 
 
 
En los años 40 y 50, como una continuación de la física nuclear, emergió la física 
de partículas elementales, dedicada al estudio de un nivel más elemental de la 
materia que el núcleo. Las técnicas nucleares fueron usadas para el desarrol lo de 
la física experimental en otros campos. 
-APLICACIONES DE LA FÍSICA NUCLEAR 
Ingeniería Biomédica. 
En el ramo de la Ingeniería Biomédica, las técnicas de la Física Nuclear son 
empleadas en múltiples aspectos. El uso de los rayos X (aunque su origen no es 
nuclear sino atómico, su estudio se hace paralelo a los rayos gamma, debido a su 
naturaleza electromagnética) es una de las técnicas más utilizadas por los médicos 
como medio de diagnóstico. Se ha calculado que alrededor de una cuarta parte de 
los pacientes del mundo reciben los beneficios de las técnicas nucleares. En adición 
a los rayos X, los compuestos químicos “marcados” con Isótopos radiactivos de baja 
actividad, producidos en los grandes aceleradores de partículas y reactores 
nucleares, son especialmente útiles para fines de diagnóstico; una vez que se 
introducen estos compuestos en el cuerpo humano son observados durante su 
desplazamiento en el órgano estudiado para evaluar su funcionamiento. Esto se 
logra debido a que estos compuestos, al ser radiactivos, emiten cierta cantidad de 
radiación, la cual por medio de sofisticados aparatos electrónicos puede ser 
detectada y convertida en una señal eléctrica lista para digitalizarse y convertirse en 
una imagen útil para el diagnóstico médico. Estos compuestos son empleados 
frecuentemente para el tratamiento del cáncer, problemas tiroideos, funcionamiento 
renal, hepático y de corazón entre otros. 
Ingeniería Agrícola: 
En el caso de la Ingeniería Agrícola, la Física nuclear combinada con otras 
tecnologías, es empleada para desarrollar nuevas variedades de especies como 
arroz, trigo y soya; las cuales pueden ser más resistentes a enfermedades, 
proporcionar productos de mayor calidad, así como tener mayor rendimiento. 
La forma de desarrollar estas nuevas variedades se basada en la transmutación 
genética. Al igual que todos los seres vivos, las plantas son sensibles a las 
alteraciones genéticas producidas por la radiación ionizante. Esta característica es 
aprovechada por los Ingenieros Agrícolas para generar las nuevas especies de 
cultivo. Las semillas son clasificadas é irradiadas con distintas dosis de radiación 
(principalmente Gamma); a la acción de la radiación las características del individuo 
se modifican, y al sembrarse y cultivarse se obtienen especies cuyas características 
alimenticias y de tiempo en anaquel son superiores a las tradicionales. 
Otro logro es la incursión en el control de las plagas que afectan a las especies de 
cultivo. En este caso, nuevamente la radiación es una herramienta imprescindible 
para la erradicación de estas. Sobre los pesticidas tradicionales, se ha encontrado 
que estos son altamente tóxicos y dañinos a los consumidores. Sin embargo, las 
técnicas nucleares han permitido eliminar poblaciones completas de plagas de una 
manera eficaz y sin daños al medio ambiente. La técnica de la erradicación es muy 
sencilla; primeramente, se irradian los huevecillos de las plagas en estado larvario 
para generar esterilidad en los nuevos insectos. Posteriormente estos insectos 
estériles son arrojados en el campo de cultivo del cual se quiere eliminar la plaga. 
Como estos insectos son estériles se asegura que al aparearse con las hembras no 
habrá descendencia, disminuyendo de esta manera la población de la plaga. Este 
procedimiento se repite varias veces hasta que la plaga se erradica. 
Ingeniería en alimentos: 
La conservación de alimentos por medio de rayos Gamma es un método empleado 
cada vez más junto a otros tradicionales, como la pasteurización, por ejemplo. Esta 
técnica consiste en tratar a los alimentos de forma comparable al calentamiento o 
la congelación; los productos alimenticios se exponen a cantidades controladas de 
radiación para retardar la descomposición de estos o para eliminar los huevecillos 
de los insectos o microorganismos que los contaminan. Con esto, no solo se 
favorece la salud de los individuos, sino que aumenta el tiempo de anaquel y las 
pérdidas por descomposición de los alimentos disminuyen. Un ejemplo muy clásico 
es el de la salchicha de Tailandia. Esta salchicha se elabora con carne de cerdo 
cruda, y se ingiere en estas condiciones. El problema radica en que, al ser carne de 
cerdo cruda, está contaminada con formas larvales conocidas comúnmente 
como cisticercos, los cuales constituyen un problema de salud muy grave. Al ser 
irradiado el producto por dosis intensas de radiación Gamma, los estos son 
eliminados y el producto puede consumirse con toda confianza. 
Ingeniería metalmecánica. 
En algunos países la Ingeniería Metalmecánica ha utilizado las fuentes radiactivas 
emisoras gamma para diversas aplicaciones, tales como las radiografías 
industriales, las cuales se utilizan para detectar fallas en estructuras de tuberías, 
turbinas y maquinaria pesada en general. Otra de sus aplicaciones ha sido en los 
sistemas de control, control de calidad, sondeo de perforaciones y determinación de 
las características de las rocas y metales. 
Ingeniería Eléctrica. 
Al fisionarse los átomos del combustible nuclear, se produce calor, el cual es 
utilizado para producir vapor a presión que a su vez mueve a un generador eléctrico 
y se produce la electricidad. 
Mucha gente podría pensar que las nuevas fuentes alternas de energía tales como 
la solar o la eólica son más limpias,y en principio lo son, pero no compiten en 
producción con las grandes centrales termoeléctricas o las hidroeléctricas y tienen 
el mismo inconveniente que las centrales nucleoeléctricas: los desechos. Mientras 
que en una central nuclear los desechos radiactivos están controlados y en lugares 
seguros, en el caso de la solar y la eólica el problema lo constituyen las baterías de 
almacenamiento, ya que al no haber una regulación normalizada de las mismas se 
convierten en un problema ambiental muy grande, ya que una sola batería de las 
doméstica tipo AAA es suficiente para contaminar un manto freático de agua. 
-RETOS DE LA FISICA NUCLEAR 
La fusión nuclear es uno de los grandes retos que la humanidad tiene por delante. 
Y también es una inmensa oportunidad. Según numerosos científicos, encabezados 
por Steve Cowley, un físico teórico británico involucrado directamente en el diseño 
del reactor de fusión ITER, del que hablaremos más adelante en este mismo 
artículo, la fusión pone a nuestro alcance la posibilidad de resolver nuestras 
necesidades energéticas. Pero aún plantea desafíos titánicos. 
Y es que en el interior de los reactores de fusión nuclear manejamos nubes de 
partículas que son sometidas a temperaturas cercanas a los doscientos millones de 
grados Celsius. Unas diez veces mayores que las del núcleo solar. Sin ellas, la 
fusión nuclear no tendrá lugar. En cualquier caso, lidiar con estas temperaturas es 
tan solo uno de los retos en los que están trabajando los científicos. 
El plasma, otra forma de «jugar con fuego». 
Antes de seguir adelante os invitamos a que, si queréis conocer con todo detalle en 
qué difieren la fisión y la fusión nuclear, y de dónde obtienen su energía las estrellas. 
Para llevar a cabo la fusión nuclear en los reactores experimentales que nuestros 
físicos e ingenieros ya han construido debemos utilizar deuterio y tritio, dos isótopos 
del hidrógeno cuyos núcleos, al ser sometidos a temperaturas 
elevadísimas, comienzan a fusionarse. 
Pero ¿por qué es necesario alcanzar una temperatura tan monstruosa? 
Sencillamente, porque es la forma de conferir a los núcleos de deuterio y tritio, que 
son los componentes del combustible nuclear, la energía cinética que necesitan 
para que sean capaces de vencer su repulsión natural, y puedan fusionarse, 
originando un núcleo de helio y un neutrón. 
Lo que explica esa repulsión inicial es el hecho de que ambos núcleos tienen la 
misma carga eléctrica, que es positiva, pero si logramos conferirles una energía 
cinética muy alta incrementando la temperatura de las partículas, lograremos que 
se acerquen lo suficiente para que la energía nuclear fuerte, que es la que mantiene 
unidas las partículas en el núcleo atómico, sea capaz de vencer la repulsión 
eléctrica y la fusión de los núcleos de deuterio y tritio tenga lugar. 
La altísima temperatura de los reactores de fusión nuclear por confinamiento 
magnético consigue que los núcleos de deuterio y tritio venzan su repulsión eléctrica 
y se fusionen 
A esa nube de partículas que contiene el combustible nuclear a tan alta temperatura 
los científicos le llaman plasma, que será el nombre que utilizaremos en adelante 
en el artículo. Y manejar una sustancia a una temperatura tan alta es difícil. 
Dificilísimo, en realidad. Por esta razón, los grupos de investigación que están 
trabajando en fusión nuclear han desarrollado dos estrategias diferentes: el 
confinamiento magnético y el confinamiento inercial. 
Confinamiento magnético e inercial. 
El primero de ellos, el magnético, pretende confinar el plasma en el interior de un 
campo magnético extraordinariamente potente cuyo objetivo es evitar que los 
núcleos de deuterio, tritio y helio, que se encuentran, como hemos visto, a una 
temperatura descomunal, toquen las paredes del contenedor, que no es otra cosa 
que el recipiente en el que están confinados. Si lo hacen corremos el riesgo de que 
el contenedor resulte dañado y de que se produzca una reducción de la temperatura 
que daría al traste con las condiciones necesarias para que la fusión tenga lugar. 
Antes de seguir adelante, un apunte importante. Aunque mantengamos el 
combustible a una temperatura muy elevada para que los núcleos se muevan en el 
gas ionizado, que es lo que realmente es el plasma, a unas velocidades muy altas, 
no tenemos la seguridad de que muchas de esas partículas vayan a fusionarse. De 
hecho, los físicos recurren a un parámetro, conocido como criterio de Lawson, que 
es el producto del número de partículas que tenemos, la temperatura a la que están 
sometidas, o, por tanto, la velocidad a la que se están moviendo, y el tiempo que 
somos capaces de mantener esas condiciones en el sistema. 
Este parámetro es el que indica a los científicos en qué medida pueden conseguir 
que las reacciones de fusión nuclear sean rentables desde un punto de vista 
energético. Esto significa que es necesario recrear las condiciones apropiadas para 
que la probabilidad de que los núcleos de deuterio y tritio se fusionen sea lo 
suficientemente alta, de manera que la energía que necesitamos invertir en el 
sistema para que tengan lugar un número suficiente de fusiones sea menor que la 
energía que obtenemos como resultado de esas fusiones. 
 
 
Referencias 
Meyenn K. (1999). Mecánica cuántica y física nuclear. España. CSIC-UV - Instituto 
de Historia de la Medicina y de la Ciencia López Piñero (IHMC) 
Universidad de Valencia. 
Chritopher R., Siemens P. (2003). Nuclear Physics. Encyclopedia of Physical 
Science and Technology (Ed. 3). Recuperado de 
https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/nuclear-
physics.