LAS REACCIONES NUCLEARES

Las reacciones nucleares no son iguales que el resto de reacciones químicas.

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   En las reacciones químicas ocurren cambios profundos en la estructura de la materia, rompiéndose los enlaces que unen unos átomos con otros y redistribuyéndose estos de forma diferente, por lo que el número de átomos se conserva y, por lo tanto, la suma de la masa de los productos es igual a la suma de la masa de los reactivos (ley de conservación de la masa). Al unirse los átomos con otros diferentes se producen nuevos compuestos (productos) con propiedades distintas  a los originales (reactivos).

Además, como lo que se produce es rotura de enlaces, y estos siempre son por interacción entre electrones (ceden, captan o comparten), todo ocurre en la parte externa de los átomos, no sucede nada en sus núcleos.

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   En las reacciones nucleares, en cambio, también se producen cambios profundos en la estructura de la materia, pero intervienen los núcleos atómicos. Estos pueden romperse en otros núcleos más pequeños (fisión nuclear), o bien pueden unirse con otros núcleos formando núcleos más grandes (fusión nuclear). En cualquiera de los casos pueden formarse, además, otras partículas subatómicas y grandes cantidades de energía.

La primera reacción nuclear fue realizada por E. Rutherford (1871-1937) en 1919, cuando bombardeó isótopos del nitrógeno con número másico 14 con unas partículas con carga positiva, llamadas partículas α (que eran núcleos de Helio)

Como puedes ver en la reacción anterior, en las reacciones nucleares no se conservan los átomos; se transforman en otros diferentes. En cambio, siempre se conserva la carga total (7 + 2 = 8 + 1) y el número másico total (14 + 4 = 17 + 1)

El uso de partículas α para bombardear átomos tenía la dificultad de su repulsión eléctrica con los protones de los núcleos de los átomos, por lo que se hizo más habitual el bombardeo con neutrones, que entraban fácilmente en los núcleos al carecer de carga eléctrica.

Dos tipos de reacciones nucleares son la fisión nuclear y la fusión nuclear.

FISIÓN NUCLEAR

Consiste en la división de un núcleo pesado en otros más ligeros, que son más estables que el original. La primera reacción de fisión se realizó en 1938 cuando dos científicos (Hahn y Strassmann) descubrieron que un isótopo del uranio (el isótopo de número másico 236) era altamente inestable y cuando existía se dividía rápidamente en:

• ·         Otros átomos: criptón y bario.
• ·         Neutrones .
• ·         Energía.

    Para conseguir ese isótopo 236 era necesario bombardear con neutrones el isótopo habitual del uranio, que era el de número másico 235. La reacción nuclear es la siguiente:

La energía liberada en cualquier reacción es la correspondiente a la masa,  ∆m, que “ha desaparecido” (∆m = masa reactivos – masa productos), que lo que ha hecho realmente en transformarse en energía según la ecuación de Albert Einstein:

E = ∆m . c²

(con  E = energía producida, ∆m = masa desaparecida   c= velocidad de la luz en el vacío = 3 . 10⁸ m/s)

Como puedes ver, c = 3 . 10⁸ m/s es un número muy grande, por lo que a poca disminución de la masa, ∆m, que haya, la energía producida será enorme.

Concretamente, en la reacción anterior la energía generada es millones de veces superior a la que se produce, por ejemplo, en una reacción de combustión tradicional, por lo que la utilidad de la energía nuclear es evidente, si se controla qué hacer con los residuos de la reacción y se extreman las medidas de seguridad en las centrales nucleares.

Observa que cada isótopo de uranio-236 es producido gracias  a un neutrón que bombardea  un átomo de uranio-235, y la fisión de cada uno de estos isótopos de uranio-236 produce tres neutrones más, que pueden bombardear otros tres átomos de uranio-235 , que a su vez producirán tres neutrones más, etc.

A esta reacción se le conoce como reacción en cadena. Es una fisión incontrolada que produce una cantidad enorme de energía y que puede tener fines destructivos, como en el caso de la bomba atómica.

En una central nuclear, cuyo objetivo son necesarias fisiones controladas. En estas reacciones se controla la velocidad de los neutrones y que la cantidad de material fisionable no supere la “masa crítica” a partir de la cual el proceso es espontáneo y comienza la reacción en cadena. Por ello se pone especial atención en el almacenamiento de estos materiales.

Tecnológicamente, los únicos materiales fisionables almacenables con los que se puede realizar una reacción nuclear de fisión son el uranio-235, el torio-232, el plutonio-239 y el proactinio-231 y en la Tierra solo está, y en muy poca proporción, el uranio-235.

FUSIÓN NUCLEAR

Es el proceso contrario a la fisión. Consiste en la unión de núcleos ligeros para formar núcleos más pesados, que son más estables que los ligeros; es decir, donde la energía del núcleo formado es menor que la suma de la energía de los núcleos ligeros, por lo que en la fusión se libera esa diferencia de energía.

Por ejemplo:

En esta reacción nuclear se fusionan dos isótopos del hidrógeno (deuterio y tritio) dando una partícula α, un neutrón y una gran cantidad de energía, mayor que en los procesos de fisión.

Tecnológicamente, en la Tierra las reacciones de fusión de forma controlada son imposibles de realizar, pues se necesitan cientos de millones de grados de temperatura para que los núcleos choquen con velocidades suficientemente altas para que puedan vencer las enormes fuerzas de repulsión entre los protones de sus núcleos cuando se acercan.

La reacción anterior es la que se produce continuamente en el interior de las estrellas, por ejemplo, en el Sol, emitiendo una gran cantidad de energía. El Sol se compone hoy día de un 73% de hidrógeno, un 26% de helio y un 1% de otros elementos.

Cada segundo que pasa, el Sol transforma cuatro millones de toneladas de materia en energía, pero a ese ritmo vivirá aún muchos millones de años más, debido a su gran cantidad de materia.

CUESTIONES

1.   Si la combustión de un kilogramo de carbón produce una energía de 3 . 10⁷ J , ¿cuántos kilogramos de carbón tendríamos que quemar para producir la energía que se libera al hacer desaparecer un gramo de masa?

2.    La primera reacción de fisión nuclear se produjo en 1938. Indica el acontecimiento histórico que tuvo lugar al año siguiente. ¿En qué momentos históricos se suelen producir grandes avances científicos? ¿Por qué?