Física nuclear
A principios del siglo XX, la imagen aceptada del átomo era el modelo del pudin de ciruelas planteado por J. J. Thomson, en el que el átomo era una bola cargada positivamente que contaba con electrones más pequeños cargados negativamente incrustados en su interior.
En los años siguientes, la radiactividad fue investigada exhaustivamente, en particular por Marie Curie (la conocida física polaca cuyo apellido de soltera era Sklodowska), Pierre Curie, Ernest Rutherford y otros.
Esto fue un problema para la física nuclear en aquel momento, porque parecía indicar que la energía no se conservaba en estas desintegraciones.
En 1905, Albert Einstein formuló la idea de la equivalencia entre masa y energía.
Lo comparó con disparar balas contra un pañuelo de papel y lograr que rebotasen.
[17][18] En aquella época, la fuente de energía estelar era un completo misterio, y Eddington especuló correctamente que su origen era la fusión del hidrógeno para formar helio, liberando una enorme energía según la ecuación de Einstein E= mc2.
Este fue un avance particularmente notable, ya que en ese momento aún no se habían descubierto la fusión y la energía termonuclear, ni que las estrellas están compuestas en gran parte por hidrógeno (véase metalicidad).
En 1925 se sabía que los protones y los electrones tenían cada uno un espín de ± 1⁄2.
Las ecuaciones de Proca eran conocidas por Wolfgang Pauli[20] quien las mencionó en su discurso del Nobel, y también las conocían Yukawa, Wentzel, Taketani, Sakata, Kemmer, Heitler y Fröhlich, quienes apreciaron el contenido de estas ecuaciones para desarrollar una teoría de los núcleos atómicos en la física nuclear.
[21][22][23][24][25] En 1935 Hideki Yukawa[26] propuso la primera teoría significativa sobre la interacción nuclear fuerte para explicar cómo se mantiene unido el núcleo.
Según la interacción de Yukawa, una partícula virtual, más tarde denominada mesón, transmitía una fuerza entre todos los nucleones, incluidos los protones y los neutrones.
Con los artículos de Yukawa, el modelo moderno del átomo quedó completo.
El centro del átomo contiene una bola apretada de neutrones y protones, que se mantiene unida por la fuerza nuclear fuerte, a menos que el núcleo sea demasiado grande.
Sin embargo, a esta imagen clásica se superponen los efectos de la mecánica cuántica, que pueden describirse utilizando el modelo de capas nuclear, desarrollado en gran parte por Maria Goeppert-Mayer[28] y J. Hans D.
Los métodos ab initio intentan resolver el problema nuclear de muchos cuerpos desde cero, empezando por los nucleones y sus interacciones.
Si, por ejemplo, se bombardea el sodio (Na) con neutrones, parte de los núcleos estables Na capturan estos neutrones para formar núcleos radiactivos ²Na:
Una reacción nuclear típica es la que se utilizó para producir artificialmente el elemento siguiente al uranio (238U), que es el elemento más pesado existente en la naturaleza.
El neptunio (Np) se obtuvo bombardeando uranio con deuterones (núcleos del isótopo hidrógeno pesado, 2H) según la reacción:
Un elemento puede tener varios isótopos, cuyos núcleos tienen un número distinto de neutrones.
Cuando se produce la desintegración α o β, el núcleo resultante permanece a menudo en un estado excitado (de mayor energía), por lo que posteriormente se produce la desexcitación emitiendo rayos gamma.
La fusión representa diversos problemas, ya que a nivel atómico las cargas de los átomos se repelen entre sí impidiendo la unión de estos, por esto se recurre generalmente a la utilización de isótopos ligeros, con menor carga eléctrica (como el hidrógeno y sus isótopos deuterio y tritio).
Para ello primero se les debe convertir al estado de plasma, ionizándolos, favoreciendo a la unión.
Existen varias posibilidades para producir la fusión a partir de los isótopos del hidrógeno.
La energía de la fusión aún no se ha podido aprovechar con fines prácticos.
Las muestras a medir deben ser muy delgadas porque estas partículas pierden rápidamente energía al atravesar el material.
Los espectros de energía de las partículas beta (y los positrones) no son útiles para identificar nucleidos porque se extienden sobre todas las energías hasta un máximo para cada emisor β.
Con frecuencia, las técnicas de física nuclear se emplean para analizar materiales rastreando elementos presentes en cantidades muy pequeñas.
El análisis de activación puede medir (sin separación química) cantidades tan pequeñas como 1 nanogramo (10-9 g) de unos 35 elementos en materiales como el suelo, las rocas, los meteoritos y las muestras lunares.
Otras aplicaciones importantes de la física nuclear son el desarrollo de métodos para producir especies radiactivas utilizadas para la diagnosis y los tratamientos médicos.
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