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 tanto, una reacción nuclear debe provocar una 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 reacción nuclear.
En principio, una reacción puede implicar 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 la de 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 una 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 un ritmo ajustable, según demanda. Las reacciones nucleares en cadena en materiales fisionables producen fisión nuclear inducida . Varias reacciones de fusión nuclear de elementos ligeros impulsan la producción de energía del Sol y las estrellas.
En 1919, Ernest Rutherford pudo lograr 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 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 , quienes utilizaron protones acelerados artificialmente contra el litio-7, para dividir el núcleo en dos partículas alfa. La hazaña se conoció popularmente como "división del átomo ", aunque no se trataba de la moderna reacción de fisión nuclear descubierta más tarde (en 1938) en elementos pesados por los científicos alemanes Otto Hahn , Lise Meitner y Fritz Strassmann . [1]
Las reacciones nucleares se pueden mostrar 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 cuales las transformaciones de partículas deben seguir ciertas leyes de conservación, como la conservación de la carga y el número bariónico ( masa atómica total). número ). A continuación se muestra un ejemplo de esta notación:
Para equilibrar la ecuación anterior de masa, carga y número de masa, el segundo núcleo a la derecha debe tener número atómico 2 y número de masa 4; por tanto, también es helio-4. Por lo tanto, la ecuación completa dice:
o más simplemente:
En lugar de utilizar las ecuaciones completas en el estilo anterior, en muchas situaciones se utiliza una notación compacta para describir reacciones nucleares. Este estilo de la forma A(b,c)D es equivalente a A + b produciendo c + D. Las partículas de luz comunes a menudo se abrevian en esta taquigrafía, típicamente p para protón, n para neutrón, d para deuterón , α representa 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]
Se puede liberar energía cinética 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 precisa, [4] de la siguiente manera: según las tablas de referencia, la6
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. De este modo:
En una reacción nuclear, la energía total (relativista) se conserva . 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 el equivalente de energía de una unidad de masa atómica :
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%, correspondiente al 0,3% de 90 PJ/kg son 270 TJ/kg.
Se trata de una gran cantidad de energía para una reacción nuclear; la cantidad es tan alta porque la energía de unión 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 el 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 del electrón 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 tres maneras:
Cuando el núcleo del producto es metaestable, esto se indica colocando un asterisco ("*") junto a su número atómico. Esta energía finalmente se libera mediante la desintegración nuclear .
También puede surgir una pequeña cantidad de energía en forma de rayos X. Generalmente, el núcleo producto tiene un número atómico diferente y, por tanto, la configuración de sus capas electrónicas es incorrecta. A medida que los electrones se reorganizan y caen a niveles de energía más bajos, es posible que se emitan rayos X de transición interna (rayos X con líneas de emisión definidas con precisión).
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:
Para el caso particular discutido anteriormente, la energía de reacción ya se ha calculado como Q = 22,2 MeV. Por eso:
La energía de reacción (el "valor Q") es positiva para reacciones exotérmicas y negativa para reacciones endotérmicas, al contrario de una expresión similar en química . Por un lado, es la diferencia entre las sumas de energías cinéticas del lado final y del 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).
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 y el flujo de las partículas incidentes y de 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 .
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 están cargadas positivamente, esto significa que deben superar una considerable repulsión electrostática 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 mucho al núcleo, que está cargado positivamente. Por tanto, dichas partículas deben acelerarse primero hasta alcanzar una energía elevada, por ejemplo mediante:
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 mayor energía inicial que aquellas entre un núcleo pesado y uno ligero; mientras que las reacciones entre dos núcleos ligeros son las más comunes.
Los neutrones , por otro lado, no tienen carga eléctrica que provoque repulsión y son capaces de iniciar una reacción nuclear a energías muy bajas. De hecho, a energías de partículas extremadamente bajas (que corresponden, 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.
Si bien la cantidad de reacciones nucleares posibles es inmensa, hay varios tipos que son más comunes o notables. Algunos ejemplos incluyen:
Un proyectil de energía intermedia transfiere energía o recoge o pierde nucleones al núcleo en un único evento rápido (10 −21 segundos). La transferencia de energía y de impulso es relativamente pequeña. Estos son particularmente útiles en física nuclear experimental, porque los mecanismos de reacción suelen ser lo suficientemente simples como para calcularlos con precisión suficiente para sondear la estructura del núcleo objetivo.
Sólo se transfieren energía y momento.
La energía y la carga se transfieren entre el proyectil y el objetivo. Algunos ejemplos de este tipo de reacciones son:
Por lo general, con 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 exterior de los núcleos. Pueden ocurrir reacciones de transferencia, desde el proyectil al objetivo; reacciones de extracción, o del objetivo al proyectil; reacciones de captación.
Las reacciones con neutrones son importantes en los reactores nucleares y las 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 sólo son posibles con neutrones rápidos :
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 a 19 segundos, las partículas, normalmente neutrones, se "hierven". Es decir, permanecen juntos hasta que se concentra suficiente energía en un neutrón para escapar de la atracción mutua. El núcleo excitado cuasi unido se denomina núcleo compuesto .
