La física nuclear es la rama de la física que estudia las propiedades y el comportamiento de los núcleos atómicos, así como las reacciones que ocurren entre ellos. Esta disciplina es fundamental para comprender fenómenos como la radiactividad, la fusión y fisión nuclear, y tiene aplicaciones cruciales en energía, medicina y tecnología.
El núcleo atómico está compuesto por protones y neutrones (nucleones), unidos por la interacción nuclear fuerte. A pesar de la repulsión electromagnética entre protones, esta fuerza mantiene el núcleo estable en la mayoría de los casos.
El núcleo atómico puede describirse mediante varios modelos que explican sus propiedades:
Propuesto por Niels Bohr, este modelo trata el núcleo como una gota de líquido incompresible donde los nucleones interactúan fuertemente con sus vecinos inmediatos. La energía de enlace se calcula con la fórmula semiempírica de masa:
$$E_B = a_V A – a_S A^{2/3} – a_C \frac{Z(Z-1)}{A^{1/3}} – a_A \frac{(A-2Z)^2}{A} + \delta(A,Z)$$
Donde $a_V$, $a_S$, $a_C$ y $a_A$ son coeficientes empíricos, $A$ es el número másico, $Z$ el número atómico, y $\delta$ el término de paridad.
Similar al modelo atómico, propone que los nucleones ocupan niveles de energía discretos (capas). Los números mágicos (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) corresponden a configuraciones especialmente estables.
Las reacciones nucleares implican cambios en la estructura del núcleo y pueden liberar grandes cantidades de energía. Se clasifican en:
Un núcleo pesado se divide en núcleos más ligeros, liberando neutrones y energía. Por ejemplo, la fisión del uranio-235:
$$^{235}_{92}U + n \rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3n + \text{energía}$$
Núcleos ligeros se combinan para formar uno más pesado. En el Sol ocurre la fusión de hidrógeno:
$$^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H \rightarrow ^{4}_{2}He + n + 17.6\,\text{MeV}$$
Un neutrón se transforma en protón emitiendo un electrón y un antineutrino:
$$n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e$$
Un núcleo captura un neutrón libre, aumentando su número másico:
$$^{59}_{27}Co + n \rightarrow ^{60}_{27}Co + \gamma$$
Las centrales nucleares aprovechan la fisión controlada para generar electricidad, proporcionando ~10% de la energía mundial con bajas emisiones de CO₂.
Radioisótopos como el tecnecio-99m se usan en diagnósticos por imagen, mientras que la radioterapia emplea cobalto-60 para tratar cáncer.
Basado en reacciones en cadena no controladas, aunque su desarrollo está regulado por tratados internacionales.
El carbono-14 ($^{14}C$) permite determinar la edad de materiales orgánicos hasta 50,000 años mediante:
$$t = \frac{1}{\lambda} \ln \left(\frac{N_0}{N}\right)$$
Donde $\lambda$ es la constante de desintegración, $N_0$ la actividad inicial y $N$ la actividad medida.
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