Transmutación nuclear
La transmutación nuclear es un proceso importante y tiene aplicaciones en el mundo real. Para aprovechar su poder, es importante preguntarse: «¿Qué es la transmutación?» La definición de transmutación describe un proceso en el que un elemento se transforma en otro elemento. Esto sucede a nivel atómico, donde la cantidad de protones o neutrones se altera en un átomo y también se conoce como reacción de transmutación. Esto ocurre naturalmente, cuando un isótopo inestable sufre desintegración radiactiva para volverse más estable, o mediante reacciones de fusión naturales en las estrellas. El proceso también se puede fabricar, como cuando se disparan partículas contra núcleos atómicos para inducir la transmutación en aceleradores de partículas o reactores de fisión nuclear.
¿Cómo funciona la transmutación nuclear?
Ya sea que ocurra de forma natural o mediante métodos artificiales, el cambio del núcleo (o reacción de transmutación) ocurre de dos maneras: desintegración radiactiva o mediante partículas que golpean el núcleo. En la desintegración radiactiva, un isótopo inestable altera espontáneamente el número de protones y neutrones dentro del núcleo mediante desintegración alfa o beta. No se necesita ninguna partícula exterior para que esto ocurra. En la desintegración alfa, el núcleo expulsa repentinamente un núcleo de helio que se mueve rápidamente, cediendo 2 protones y 2 neutrones. Esto creará un elemento nuevo y más ligero, como se muestra aquí:
{eq}^{238}_{92}U \rightarrow ^{234}_{90}Th + ^4_2He {/eq}
En este ejemplo, un isótopo de uranio se descompuso en torio y liberó un núcleo de helio.
En la desintegración beta, tres tipos de procesos pueden alterar la cantidad de protones y neutrones dentro del núcleo. El primero de ellos es beta negativo. Durante este proceso, un neutrón se transforma en un protón y libera un electrón adicional. La masa total no cambia, pero el protón adicional permite la transmutación en otro elemento, como se ve en este ejemplo:
{eq}^{14}_6C \rightarrow ^{14}_7N + e^- {/eq}
La siguiente forma de desintegración beta se conoce como beta positiva. Esto es lo contrario de la desintegración beta negativa. Un protón se convierte en neutrón y libera un positrón. La masa no cambia cuando el número atómico disminuye en 1. Aquí se puede ver un ejemplo:
{eq}^{13}_7N \rightarrow ^{13}_6C + e^+ {/eq}
El último tipo de desintegración beta se conoce como captura de electrones. Esto ocurre cuando un electrón en movimiento ingresa al núcleo y es capturado por un protón, convirtiéndose en el proceso en un neutrón. Nuevamente, el número de masa no cambia, pero el número de protones disminuye en 1. Esto se puede ver aquí:
{eq}^7_4Be + e^- \rightarrow ^7_3Li {/eq}
El Derecho en la Antigua Grecia: Qué es y sus características
Como puede ver en los ejemplos, un elemento se ha transmutado en otro mediante desintegración radiactiva natural.
La otra forma de reacción de transmutación ocurre cuando el núcleo es bombardeado por partículas externas. Esto puede ocurrir en la fusión nuclear, que ocurre en las estrellas, o en la fisión nuclear. En el caso de la fusión nuclear, los isótopos de hidrógeno chocan entre sí formando un núcleo de helio. Este es el comienzo de una larga cadena de reacciones.
En el caso de la fisión nuclear, una partícula que se mueve rápidamente choca con un núcleo, lo que hace que éste se divida en dos elementos separados y más ligeros, liberando una gran cantidad de energía en el proceso. Este es el método empleado en las centrales nucleares y en los aceleradores de partículas.
Historia de la transmutación nuclear
La palabra transmutación fue relacionada por primera vez con la desintegración radiactiva por el físico Frederick Soddy, quien, trabajando junto al físico Ernest Rutherford, observó cómo el torio se desintegraba en radio en 1901. En 1919, Rutherford amplió este trabajo transmutando nitrógeno-14 en oxígeno-17 (que También liberó un único núcleo de hidrógeno, conocido como protón, disparándole partículas alfa. En 1932, James Chadwick había descubierto el neutrón, lo que permitió a Enrico Fermi descubrir una amplia gama de radionúclidos disparando el neutrón recién descubierto contra diferentes isótopos. Ese mismo año se realizó con éxito la primera prueba con partículas aceleradas en la Universidad de Cambridge. Las partículas necesitan ser aceleradas para superar cualquier fuerza repulsiva que encuentren. Por ejemplo, cuando se dispara un protón hacia un núcleo, este es repelido, ya que ambos tienen carga positiva. La aceleración supera este problema. Esto inicia una cascada de nuevos radionucleidos, en los que las partículas se aceleran con mucha mayor energía, lo que da lugar a nuevos elementos de vida corta.
Ejemplos de transmutación
Hay varios ejemplos diferentes de transmutación, cada uno con su propia ocurrencia única. Sin embargo, esta lección se centrará en tres formas principales.
10 Casos reales de fraudes bancarios famosos
Transmutación nuclear en estrellas
La transmutación nuclear ocurre en estrellas, como nuestro Sol, y estas transmutaciones liberan energía mediante el proceso de fusión nuclear, que también se conoce como nucleosíntesis estelar. La reacción básica es la colisión de isótopos de hidrógeno (conocidos como deuterio y tritio). Cuando estos isótopos se fusionan, forman el elemento helio, que se utiliza en procesos posteriores.
 |
Estas colisiones sucesivas de elementos cada vez más pesados se conocen como cadena protón-protón y pueden hacer elementos tan pesados como el hierro. Cada etapa libera una enorme cantidad de energía. Los elementos más allá de esto, como el oro, se forman mediante el proceso r o el proceso s. Estos ocurren al final del ciclo de vida de una estrella.
Nuclidos sintéticos
Un nucleido sintético es un isótopo que no se encuentra en la naturaleza y, por lo tanto, solo puede producirse dentro de un acelerador de partículas u otros experimentos nucleares. Generalmente tienen una vida corta y se desintegran en otros isótopos. Un ejemplo de radioisótopo sintético es el cesio-137. Sólo se forma por fisión nuclear y sólo se encuentra en la naturaleza como remanente de pruebas de armas nucleares. También podemos crear nuevos elementos, siendo el curio el primer nucleido sintético, creado en 1944.
Aceleradores de partículas
Los aceleradores de partículas aceleran las partículas para que colisionen con los átomos mediante un campo eléctrico a través del vacío. El vacío es importante; de lo contrario, la partícula acelerada colisionaría con partículas de aire. Esta aceleración proporciona a la partícula un enorme aumento de energía, que a menudo alcanza megaelectrones o gigaelectrones voltios (es decir, mil millones de electronvoltios). Hay dos tipos principales de aceleradores: lineales y cíclicos. Un acelerador lineal acelera una partícula utilizando únicamente campos eléctricos con una polaridad atractiva en el extremo alternativo; un acelerador cíclico (como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN) utiliza campos magnéticos como fuerza de aceleración alrededor de un anillo evacuado. Las velocidades pueden alcanzar el 95% de la velocidad de la luz en estos aceleradores cíclicos. Al acelerar las partículas más rápido, se han descubierto elementos transuranio (elementos más pesados que el uranio), siendo el primero el neptunio, en 1940. En este primer descubrimiento, se descubrió que un neutrón acelerado podía ser capturado por el objetivo, creando un isótopo más pesado. del mismo elemento. A través de una serie de otras desintegraciones beta menos naturales, se descubrió que se forma un nuevo radionúclido. Se han descubierto varios elementos superpesados al chocar con elementos más pesados. En 1998, los científicos hicieron colisionar átomos de plutonio con átomos de calcio y crearon un elemento transuránico de vida corta llamado flerovium.
Resumen de la lección
En resumen, los procesos nucleares ocurren a nivel atómico constantemente, pero la transmutación nuclear ocurre cuando un elemento se transforma en otro mediante cambios en su núcleo, ya sea a través de procesos de desintegración naturales o por medios artificiales. La transmutación artificial ocurre cuando el uranio es bombardeado con neutrones para convertirse en neptunio. Una transmutación natural es un isótopo de carbono que se descompone en un isótopo de nitrógeno mediante la desintegración beta. Estas reacciones ocurren naturalmente (y son necesarias). Otro ejemplo de reacción natural es la fusión nuclear en las estrellas, que forma nuevos elementos y libera energía en el proceso. También se pueden crear nuevos elementos en un laboratorio, utilizando aceleradores de partículas. Estos aceleradores crean nucleidos sintéticos y elementos transuránicos (como el flerovium).
Explora más sobre este tema
Selecciona un tema y sigue aprendiendo...
