En física nuclear y química nuclear , una reacción nuclear es un proceso en el que dos núcleos , o un núcleo y una partícula subatómica externa , chocan para producir uno o más nucleidos nuevos . Por lo tanto, una reacción nuclear debe provocar una transformación de al menos un nucleido en otro. Si un núcleo interactúa con otro núcleo o partícula, 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 implicar la colisión de más de dos partículas , pero como la probabilidad de que tres o más núcleos se encuentren al mismo tiempo en el mismo lugar es mucho menor que para dos núcleos, un evento de este tipo es excepcionalmente raro (véase el proceso triple alfa para un ejemplo muy cercano a una reacción nuclear de tres cuerpos). El término "reacción nuclear" puede referirse tanto a un cambio en un nucleido inducido por la colisión con otra partícula como a un cambio espontáneo de un nucleido sin colisión.
Las reacciones nucleares naturales se producen en la interacción entre los rayos cósmicos y la materia, y las reacciones nucleares pueden emplearse artificialmente para obtener energía nuclear, a un ritmo ajustable, según la demanda. Las reacciones nucleares en cadena en materiales fisionables producen fisión nuclear inducida . Diversas reacciones de fusión nuclear de elementos ligeros impulsan la producción de energía del Sol y las estrellas.
En 1919, Ernest Rutherford logró la transmutación del 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 y una transmutación nuclear totalmente artificiales, utilizando protones acelerados artificialmente contra litio-7, para dividir el núcleo en dos partículas alfa. La hazaña fue conocida popularmente como "división del átomo ", aunque no fue la reacción de fisión nuclear moderna descubierta más tarde (en 1938) en elementos pesados por los científicos alemanes Otto Hahn , Lise Meitner y Fritz Strassmann . [1]
Las reacciones nucleares pueden representarse de una forma similar a las ecuaciones químicas, en las que la masa invariante debe equilibrarse en 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 bariónico ( número de masa atómica total ). A continuación se muestra un ejemplo de esta notación:
Para equilibrar la ecuación anterior en cuanto a masa, carga y número másico, el segundo núcleo a la derecha debe tener número atómico 2 y número másico 4; por lo tanto, también es helio-4. La ecuación completa queda así:
o más simplemente:
En lugar de utilizar las ecuaciones completas en el estilo anterior, en muchas situaciones se utiliza una notación compacta para describir las reacciones nucleares. Este estilo de la forma A(b,c)D es equivalente a A + b produciendo c + D. Las partículas ligeras comunes suelen abreviarse en esta forma abreviada, normalmente p para protón, n para neutrón, d para deuterón , α representando una partícula alfa 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]
La energía cinética puede liberarse durante el curso de una reacción ( reacción exotérmica ) o puede ser necesario suministrar energía cinética para que la reacción tenga lugar ( reacción endotérmica ). Esto se puede calcular haciendo referencia a una tabla de masas en reposo de partículas muy precisas, [4] de la siguiente manera: según las tablas de referencia, la6
3Li
El núcleo del átomo de deuterio tiene un peso atómico estándar de 6,015 unidades de masa atómica (abreviado u ), el del deuterio tiene 2,014 u y el del helio-4 tiene 4,0026 u. Por lo tanto:
En una reacción nuclear, la energía total (relativista) se conserva . Por lo tanto, la masa en reposo "perdida" debe reaparecer como energía cinética liberada en la reacción; su fuente es la energía de enlace nuclear. Utilizando la fórmula de equivalencia de masa-energía de Einstein E = mc2 , se puede determinar la cantidad de energía liberada. Primero necesitamos el equivalente energético de una unidad de masa atómica :
Por lo 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.
Esta 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 fuertemente 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 átomo de helio ocupa un orbital electrónico 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 tres formas:
Cuando el núcleo del producto es metaestable, esto se indica colocando un asterisco ("*") junto a su número atómico. Esta energía se libera finalmente a través de la desintegración nuclear .
También puede surgir una pequeña cantidad de energía en forma de rayos X. Generalmente, el núcleo del producto tiene un número atómico diferente y, por lo tanto, la configuración de sus capas electrónicas es incorrecta. A medida que los electrones se reorganizan y caen a niveles de energía más bajos, pueden emitirse rayos X de transición interna (rayos X con líneas de emisión definidas con precisión).
Al escribir la ecuación de reacción, de manera análoga a una ecuación química , se puede, además, dar la energía de reacción en el lado derecho:
Para el caso particular analizado anteriormente, la energía de reacción ya se ha calculado como Q = 22,2 MeV. Por lo tanto:
La energía de reacción (el "valor Q") es positiva para las reacciones exotérmicas y negativa para las endotérmicas, al contrario de la expresión similar en química . Por un lado, es la diferencia entre las sumas de las 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 anterior).
Si la ecuación de reacción está equilibrada, eso no significa que la reacción realmente se produzca. La velocidad a la que se producen las reacciones depende de la energía y del flujo de las partículas incidentes, y de la sección eficaz de la reacción . Un ejemplo de un gran repositorio de velocidades de reacción es la base de datos REACLIB, que mantiene el Instituto Conjunto de Astrofísica Nuclear .
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 la mayoría de las partículas nucleares comunes tienen carga positiva, 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 tiene carga positiva. Por lo tanto, dichas partículas primero deben acelerarse a alta energía, por ejemplo mediante:
Además, como la fuerza de repulsión es proporcional al producto de las dos cargas, las reacciones entre núcleos pesados son más raras y requieren mayor energía de iniciación que aquellas entre un núcleo pesado y uno ligero; mientras que las reacciones entre dos núcleos ligeros son las más comunes.
Los neutrones , por otra parte, no tienen carga eléctrica que cause repulsión y son capaces de iniciar una reacción nuclear a energías muy bajas. De hecho, a energías de partículas extremadamente bajas (que corresponden, por ejemplo, al equilibrio térmico a temperatura ambiente ), la longitud de onda de De Broglie del neutrón aumenta considerablemente, posiblemente aumentando en gran medida su sección transversal de captura, a energías cercanas a las resonancias de los núcleos involucrados. Por lo tanto, los neutrones de baja energía pueden ser incluso más reactivos que los neutrones de alta energía.
Si bien la cantidad de reacciones nucleares posibles es inmensa, existen varios tipos que son más comunes o más notables. Algunos ejemplos incluyen:
Un proyectil de energía intermedia transfiere energía o recoge o pierde nucleones hacia el núcleo en un único y rápido evento (10 −21 segundos). La transferencia de energía y momento son relativamente pequeñas. Estas transferencias son particularmente útiles en física nuclear experimental, porque los mecanismos de reacción suelen ser lo suficientemente simples como para calcularlos con la precisión suficiente para investigar la estructura del núcleo objetivo.
Sólo se transfieren energía y momento.
Entre el proyectil y el objetivo se transfieren energía y carga. Algunos ejemplos de este tipo de reacciones son:
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. Las reacciones de transferencia pueden ocurrir:
Ejemplos:
Las reacciones con neutrones son importantes en los reactores nucleares y las armas nucleares . Si bien las reacciones con neutrones más conocidas son la dispersión de neutrones , la captura de neutrones y la fisión nuclear , para algunos núcleos ligeros (especialmente los núcleos impares-impares ) la reacción más probable con un neutrón térmico es una reacción de transferencia:
Algunas reacciones sólo son posibles con neutrones rápidos :
O bien un proyectil de baja energía es absorbido o una partícula de mayor energía transfiere energía al núcleo, dejándolo con demasiada energía para que quede completamente unido. En una escala de tiempo de aproximadamente 10 −19 segundos, las partículas, generalmente neutrones, se "evaporan". Es decir, permanecen juntas hasta que se concentra suficiente energía en un neutrón para escapar de la atracción mutua. El núcleo excitado que está casi unido se llama núcleo compuesto .
