T2: Reacciones nucleares

Ejercicios II instrumentación biomédica II

1. Unidad de medida típica de la energía nuclear:

Se mide en MeV (millones de electron-voltios). Si la unidad habitual de medida de energía es el Julio (J), que se puede expresar como C·V (Culombio · Voltio), pasamos a la unidad mínima de carga (que es el electrón) y obtenemos la energía expresada como eV, que es una fracción de 1 J. En unidades del Sistema Internacional 1 eV a 1,602176565 × 10^-19, que coincide con el valor en culombios de la carga del electrón.

2. Diferencia entre reacciones químicas y nucleares en términos de emisión de energía:

La reacción de fisión nuclear produce energía del orden de entre MJ y GJ por gramo de material. Un ejemplo seria la reacción de fisión del uranio 235, que produce 580 MJ por gramo de material.

La reacción de fusión nuclear produce cantidades de energía por gramo de alrededor de 1000 veces superior a la de fisión de uranio natural o 7 veces superior a la de uranio 235.

En las reacciones químicas, obtenemos energías del orden de kJ en el caso de combustión de carbón de la mejor calidad (antracita, que es la reacción de combustión de mayor energía.

3. Tipos de reacciones nucleares:

1. Reacción de fisión:

• El núcleo de un átomo pesado e inestable se divide en dos o más núcleos de átomos más ligeros y estables, dando lugar a una enorme liberación de energía, en forma de radiación gamma y de energía cinética por el movimiento de los átomos resultantes de la reacción, con el resultado del calentamiento del medio en el que se encuentren los componentes de la reacción.
• La reacción de fisión puede ocurrir de manera espontánea o artificial
• Espontánea: ocurre cuando un núcleo de un átomo pesado e inestable alcanza                              su masa crítica, produciéndose su desintegración y una reacción en cadena por                     quedar neutrones libres.
• Artificial: ocurre cuando el núcleo del átomo a fisionar es bombardeado por una partícula con la energía correcta (un neutrón, por ejemplo) dando lugar a una reacción de fisión en cadena, debido a la emisión sucesiva de neutrones que a su vez chocarán con más átomos pesados e inestables, hasta agotar el combustible necesario para la reacción.
• Usos: en la actualidad la reacción nuclear de fisión se emplea en la obtención de energía en centrales nucleares, pero también tiene un uso militar, como las bombas atómicas o la propulsión de submarinos o portaaviones. 

2. Reacción de fusión:

• Consiste en la unión de dos o más núcleos de elementos ligeros, dando lugar a              elementos más pesados (aunque más ligeros, estables y no radiactivos), neutrones y gran cantidad de energía. Para poder vencer las fuerzas electrostáticas resultantes en la                fusión se necesita que los núcleos a fusionar contengan gran cantidad de energía cinética, obtenida mediante el calentamiento de éstos, que en las estrellas llegan a        alcanzar 10⁸ K.
•  Como la de fisión, la reacción de fusión se manifiesta en el universo de manera natural              o artificial:
• Natural: se da en las estrellas, donde el hidrógeno se fusiona dando lugar a átomos de helio y otros elementos más pesados que él. La gran cantidad de energía emitida por las estrellas es producto de la reacción de fusión nuclear que en ellas ocurre. Cuando todo el hidrógeno presente en la estrella se agota, se dice que la estrella muere, y dependiendo de su tamaño da lugar a diferentes fenómenos (agujeros negros, supernovas, estrellas de neutrones, enanas blancas…).
• Artificial: es la provocada por el ser humano. De gran complejidad técnica debido a la dificultad para contener la energía resultante de la reacción, la primera vez que se consiguió, se empleó como iniciador para conseguir las condiciones necesarias de presión y temperatura una bomba de fisión nuclea.
•  Usos: en la actualidad su uso se limita a la fabricación de material militar (bombas de fusión, bombas H), pero su desarrollo como fuente útil de energía supondría prácticamente la solución al problema energético actual, debido a la disponibilidad de combustible, su fácil obtención y su enorme rendimiento, por lo que la investigación en formas viables de aprovechamiento de la fusión actualmente es muy importante.

3. Reacciones de desintegración:

• - Desintegración alfa: un átomo pesado e inestable emite dos protones y dos neutrones              (partícula alfa, núcleo de helio) pasando a ser un átomo menos pesado e inestable. Tiene una penetración en la materia bastante baja (centímetros de aire absorben toda la radiación alfa, o mm de papel).
• - Desintegración beta negativa: un átomo pesado e inestable sufre en su núcleo un cambio debido a la transformación de un neutrón en un protón para compensar la relación entre el número de protones y neutrones. Como resultado se emite una partícula beta y un neutrino o antineutrino electrónico. En este caso la partícula beta es un electrón. El átomo tiene la misma masa, pero es más estable debido a la compensación. También puede ocurrir que un protón mute en un neutrón con idéntico resultado.
• - Desintegración beta positiva: mismo caso que el anterior, pero esta vez la partícula beta es un positrón. Al ser el positrón una partícula de antimateria, al colisionar con un electrón (misma masa, carga contraria), ambos se aniquilarán produciéndose dos fotones de energía del orden de KeV (fotones gamma), de modo que esta partícula beta positiva no tiene una vida muy larga.

• Usos:
• desintegración alfa: se usa en radioterapia, ya que la radiación alfa elimina las                                células cancerosas y no sale al exterior.
• desintegración beta -:
• desintegración beta +: este tipo de desintegración se usa en la técnica de                  obtención de imagen médica PET (Positron Emission Tomography), en el cual se            recogen los fotones gamma producto de la aniquilación positrón-electrón.