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¿Qué es una reacción nuclear?
Una reacción nuclear es un proceso en el que cambia el núcleo de un átomo (su número de protones, de neutrones o ambos). A diferencia de las reacciones químicas, las nucleares pueden liberar muchísima más energía.
Toda reacción nuclear debe cumplir dos leyes de conservación:
| Ley de conservación | Significado |
|---|---|
| Número másico (A) | La suma de protones + neutrones es igual en ambos lados |
| Número atómico (Z) | La suma de protones es igual en ambos lados |
Tipos de radiación
Las radiaciones nucleares más habituales que debes comparar son alfa, beta, gamma y neutrones.
| Tipo de radiación | Componente | Símbolo | Masa aproximada | Carga | Poder de penetración | Se detiene con | ¿Ioniza el aire? | Comentario clave |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Alfa | Núcleo de helio: 2 protones + 2 neutrones | \(^{4}_{2}\text{He}\) o \(\alpha\) | 4 u | +2 | Bajo | Papel, piel o pocos cm de aire | Mucho | Muy ionizante y poco penetrante |
| Beta menos | Electrón emitido por el núcleo | \(^{0}_{-1}\text{e}\) o \(\beta^-\) | Muy pequeña, aprox. \(1/1836\) u | -1 | Medio | Aluminio o plástico | Sí | Más penetrante que alfa |
| Gamma | Fotón de alta energía | \(\gamma\) | 0 | 0 | Muy alto | Plomo o hormigón grueso | Sí, pero menos que \(\alpha\) y \(\beta\) | No tiene masa ni carga |
| Neutrones | Neutrones libres emitidos por el núcleo | \(^{1}_{0}\text{n}\) | 1 u | 0 | Alto | Agua, parafina, hormigón o materiales ricos en hidrógeno | Indirectamente | Pueden iniciar nuevas fisiones |
Radiación alfa (\(\alpha\))
Una partícula alfa es un núcleo de helio-4: dos protones y dos neutrones.
\[\alpha = ^{4}_{2}\text{He}\]
Cuando se emite una partícula alfa, el núcleo pierde 2 protones y 2 neutrones:
\[^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow ^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + ^{4}_{2}\text{He}\]
Ejemplo:
\[^{238}_{92}\text{U} \rightarrow ^{234}_{90}\text{Th} + ^{4}_{2}\text{He}\]
Radiación beta (\(\beta^-\))
En una desintegración beta menos, un neutrón se transforma en un protón y se emite un electrón.
\[^{1}_{0}\text{n} \rightarrow ^{1}_{1}\text{p} + ^{0}_{-1}\text{e}\]
Por eso, el número másico no cambia y el número atómico aumenta en 1:
\[^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow ^{A}_{Z+1}\text{Y} + ^{0}_{-1}\text{e}\]
Ejemplo:
\[^{14}_{6}\text{C} \rightarrow ^{14}_{7}\text{N} + ^{0}_{-1}\text{e}\]
Radiación gamma (\(\gamma\))
La radiación gamma está formada por fotones de muy alta energía emitidos por un núcleo excitado. No cambia ni el número másico ni el número atómico; solo disminuye la energía del núcleo.
Por eso suele escribirse de manera esquemática así:
\[^{A}_{Z}\text{X}^{*} \rightarrow ^{A}_{Z}\text{X} + \gamma\]
Radiación de neutrones
\[\text{neutrón} = ^{1}_{0}\text{n}\]
Los neutrones no tienen carga y pueden penetrar con facilidad en la materia. En la fisión nuclear son especialmente importantes porque pueden desencadenar nuevas reacciones nucleares y originar una reacción en cadena.
Otras transformaciones nucleares importantes
Además de la radiación alfa, beta menos y gamma, conviene conocer otros procesos que aparecen en cursos más avanzados o en problemas de ajuste.
Beta positiva (\(\beta^+\))
En la desintegración beta positiva un protón se transforma en un neutrón y se emite un positrón.
\[^{1}_{1}\text{p} \rightarrow ^{1}_{0}\text{n} + ^{0}_{+1}\text{e}\]
El número másico no cambia y el número atómico disminuye en 1:
\[^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow ^{A}_{Z-1}\text{Y} + ^{0}_{+1}\text{e}\]
Captura electrónica
Un núcleo también puede capturar un electrón de las capas internas del átomo. En ese caso, un protón se convierte en neutrón.
\[^{A}_{Z}\text{X} + ^{0}_{-1}\text{e} \rightarrow ^{A}_{Z-1}\text{Y}\]
Es otro proceso en el que el número atómico disminuye en 1 sin cambiar el número másico.
Actividad radiactiva y vida media
No todos los núcleos inestables se desintegran al mismo ritmo. La actividad radiactiva indica cuántas desintegraciones ocurren por segundo.
La vida media o periodo de semidesintegración es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de una muestra radiactiva.
Si una muestra tiene vida media de 8 días:
| Tiempo transcurrido | Cantidad de sustancia radiactiva restante |
|---|---|
| 0 días | 100 % |
| 8 días | 50 % |
| 16 días | 25 % |
| 24 días | 12,5 % |
Fisión nuclear
La fisión es la división de un núcleo pesado en dos núcleos más pequeños, liberando energía y neutrones.
\[^{235}_{92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow ^{141}_{56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3\ ^{1}_{0}\text{n}\]
Si los neutrones liberados provocan nuevas fisiones, se produce una reacción en cadena.
En una central nuclear esa reacción en cadena se controla con:
| Elemento | Función |
|---|---|
| Combustible (U-235, Pu-239) | Sufre la fisión |
| Moderador | Reduce la velocidad de los neutrones |
| Barras de control | Absorben neutrones para frenar la reacción |
| Refrigerante | Extrae el calor producido |
Fusión nuclear
La fusión une núcleos ligeros para formar uno más pesado y liberar energía.
\[^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow ^{4}_{2}\text{He} + ^{1}_{0}\text{n}\]
La fusión es la reacción que alimenta al Sol y a las estrellas.
Para que ocurra la fusión, los núcleos deben acercarse mucho entre sí y vencer la repulsión eléctrica entre protones. Por eso hacen falta temperaturas y presiones muy altas.
Fisión vs. fusión
| Fisión | Fusión | |
|---|---|---|
| Proceso | Divide un núcleo pesado | Une núcleos ligeros |
| Combustible típico | Uranio-235, plutonio-239 | Deuterio, tritio |
| Energía liberada | Muy alta | Aún mayor por unidad de masa |
| Uso actual | Centrales nucleares | Investigación y estrellas |
Aplicaciones de las reacciones nucleares
Las reacciones nucleares tienen usos muy variados:
| Aplicación | Ejemplo |
|---|---|
| Producción de electricidad | Centrales nucleares de fisión |
| Medicina | Radioterapia, gammagrafías, PET |
| Industria | Control de espesores y detección de fugas |
| Investigación | Datación con carbono-14 y trazadores radiactivos |
| Espacio | Generadores termoeléctricos en sondas espaciales |
Riesgos y protección radiológica
La radiación puede dañar células y tejidos si la dosis es elevada o la exposición es prolongada. La protección radiológica se basa en tres ideas sencillas:
- Reducir el tiempo de exposición.
- Aumentar la distancia a la fuente radiactiva.
- Usar blindajes adecuados según el tipo de radiación.
No todas las radiaciones requieren el mismo blindaje: el papel puede detener partículas alfa, pero la radiación gamma necesita materiales densos como plomo o muros gruesos de hormigón.
Cómo ajustar ecuaciones nucleares
- Conserva el número másico (A).
- Conserva el número atómico (Z).
- Recuerda cómo cambia cada tipo de emisión:
| Emisión | Cambio en A | Cambio en Z |
|---|---|---|
| Alfa | -4 | -2 |
| Beta menos | 0 | +1 |
| Beta positiva | 0 | -1 |
| Gamma | 0 | 0 |
| Emisión de neutrón | -1 | 0 |
\[^{226}_{88}\text{Ra} \rightarrow ^{?}_{86}\text{Rn} + ^{4}_{2}\text{He}\]
\(226 = ? + 4 \Rightarrow ? = 222\)
El núcleo faltante es \(^{222}_{86}\text{Rn}\).
¿Cómo funciona una central nuclear?
https://www.youtube.com/watch?v=_qgVKmOsqV8
¿Cómo funciona una bomba atómica?
https://www.youtube.com/watch?v=38wh4_2ro6U