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Física nuclear

Qué es la física nuclear

La física nuclear es la rama de la física que investiga los procesos que se llevan a cabo en los núcleos atómicos . Estudia las propiedades, las interacciones entre ellos y las aplicaciones que puede tener en diferentes campos de la ciencia como en tecnología o biología.

La física nuclear se usa en centrales nucleares de todo el mundo para generar energía y abastecer enormes ciudades de electricidad. También fenómenos derivados de la física nuclear como es la radiactividad pueden ser usados en biología para hacer un seguimiento de las moléculas en el interior del organismo y entender mejor cómo funciona nuestro metabolismo.

Historia de la física nuclear

Las primeras investigaciones sobre las propiedades de los núcleos fueron de manos de Henri Becquerel, Marie Curie y Pierre Curie con el estudio de la radiactividad presente en la naturaleza.

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Curvas ROC

Las curvas ROC y la métrica AUC son muy utilizadas en machine learning en problemas de clasificación para determinar el buen o mal rendimiento de un modelo.

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Unos años más tarde Niels Bohr propuso el modelo atómico que describía como los átomos estaban formados por un núcleo compuesto por neutrones y protones y por varias capas externas de unas partículas cargadas negativamente llamadas electrones.

En los años 30 del siglo pasado Irène Juliot-Curie y Jean Frédéric Joliot-Curie descubrieron la radioactividad artificial bombardeando boro y aluminio con partículas alfa para generar átomos inestables de nitrógeno y fósforo.

La física nuclear se acabó de definir con el descubrimiento de la fisión nuclear de mano de los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann utilizada en centrales nucleares para la generación de energía y en armas nucleares durante las guerras.

Desintegración nuclear y radiactividad

La radioactividad es la perdida de energía de un núcleo atómico inestable. Esta energía puede ser una partícula o radiación electromagnética. Podemos dividir los tipos de radiación en radiación alfa, radiación beta y radiación gamma.

Radiación alfa

Las partículas alfa son núcleos de helio que están formados por dos protones y dos neutrones. La capacidad de penetración de este tipo de radiación es pequeña.

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Radiación beta

Existen dos tipos de partículas en la radiación beta. Las partículas que se desprenden pueden ser tanto electrones como positrones. La emisión de electrones viene de la desintegración del neutrón de un núcleo atómico inestable a un protón, un electrón y un antineutrino.

El otro tipo es el decaimiento de positrones donde un protón se convierte en un neutrón, positrón y neutrino.

Las partículas beta son más penetrantes que las alfa, pero no tanto como la radiación gamma.

Radiación gamma

La radiación gamma a diferencia de las dos anteriores no emite partículas fermiónicas sino radiación electromagnética (fotones).

Es la más penetrante de las 3 y es capaz de llegar hasta el núcleo de las células pudiendo afectar el material genético y las proteínas de estas.

Las partículas gamma son capaces de ionizar la materia al interaccionar con ella a través de procesos como el efecto fotoeléctrico o el efecto Compton.

Fisión nuclear

La fisión nuclear es la parte de la física nuclear que estudia la división de un núcleo atómico en subproductos.

De esta fisión se desprende radiación alfa o gamma además de una enorme cantidad de energía.

Este proceso nuclear se puede inducir por varios métodos. Se hace chocar una partícula, normalmente un protón, con la energía adecuada para que otro núcleo atómico se vuelva inestable.

Este nuevo núcleo inestable se fragmenta y libera otros neutrones que a la vez inestabilizarán más núcleos atómicos.

Este es un proceso en cadena y es la base de la obtención de energía en centrales nucleares y de la gran energía que liberan las bombas atómicas.

Fusión nuclear

La fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos se unen para formar un nuevo núcleo atómico.

Esta fusión libera altas cantidades de energía. Para llegar a este punto es necesaria mucha energía para superar la repulsión electromagnética entre protones y poderlos juntar a una distancia suficiente para que la interacción nuclear fuerte empiece a actuar.

La fusión nuclear tiene lugar en el interior de las estrellas como el sol donde hidrógenos se fusionan para generar helio. Esto sucede gracias a las grandes temperaturas que se alcanzan dentro de las estrellas.

Este tipo de reacciones reciben el nombre de reacciones termonucleares.

Fuerza nuclear débil

Todos los fenómenos que suceden en física nuclear son debidos a las dos fuerzas que actúan dentro del núcleo del átomo: la interacción nuclear débil y la interacción nuclear fuerte.

La fuerza nuclear débil es la encargada de que suceden fenómenos como la desintegración radioactiva. En teoría cuántica de campos esta fuerza que causa la desintegración nuclear es consecuencia del intercambio de bosones W y Z.

Fuerza nuclear fuerte

La fuerza nuclear fuerte o interacción fuerte es lo que mantiene a los neutrones y protones bien unidos en el núcleo del átomo.

Tiene que ser suficientemente fuerte como para superar la repulsión generada por las cargas de los protones.

Según la teoría cuántica de campos esta interacción tiene lugar gracias al intercambio de unos bosones llamados gluones.

El Lagrangiano que describe el campo de gluones es un campo gauge con una simetría interna SU(3). Como dice el principio de Noether las simetrías tiene asociada una magnitud conservada y este caso esta magnitud recibe el nombre de carga de color.

Cada quark tiene una carga de color distinta (rojo, azul o verde). Cuando se unen para formar un protón o neutrón el color resultante de la unión tiene que ser siempre blanco (magnitud conservada e invariante).