Física nuclear y radiactividad

La idea

Qué vas a aprender

• Qué hay dentro del núcleoconcepto

  El átomo tiene casi todo su volumen "vacío": los electrones giran lejos de un núcleo muchísimo más chico y muchísimo más denso, formado por protones (carga positiva) y neutrones (sin carga). El número de protones define de qué elemento se trata (número atómico $Z$); protones más neutrones dan la masa del núcleo (número másico $A$). Un mismo elemento puede tener núcleos con distinta cantidad de neutrones: son los isótopos. Por ejemplo, el carbono-12 y el carbono-14 son ambos carbono ($Z=6$), pero el 14 tiene dos neutrones de más y, a diferencia del 12, es inestable.

  Que tantos protones positivos —que se repelen entre sí por fuerza eléctrica— convivan apretados en un espacio tan chico solo se explica porque existe otra fuerza, la fuerza nuclear fuerte, que a esas distancias tan cortas es mucho más intensa que la repulsión eléctrica y mantiene unido el núcleo.

• Radiactividad: núcleos que se acomodanconcepto

  Cuando un núcleo tiene una combinación de protones y neutrones que no es estable, tiende a transformarse espontáneamente en otro más estable, liberando energía en forma de radiación. Este proceso se llama decaimiento radiactivo y puede ser de tres tipos principales:

  • **Radiación alfa ($\alpha$):** el núcleo expulsa un conjunto de 2 protones + 2 neutrones (equivalente a un núcleo de helio). Es la de menor poder de penetración: la frena una simple hoja de papel o la piel.
  • **Radiación beta ($\beta$):** un neutrón se transforma en un protón (o viceversa) y se emite un electrón (o su antipartícula). Penetra más que la alfa; la frena una lámina de aluminio.
  • **Radiación gamma ($\gamma$):** es energía pura (fotones de alta energía), sin partícula con masa. Es la más penetrante: hace falta plomo o concreto grueso para detenerla.

  Cada elemento radiactivo decae a un ritmo propio, medido por su período de semidesintegración (o "vida media"): el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de una muestra. Si un isótopo tiene vida media de 10 años, después de 10 años queda la mitad de la muestra original, después de 20 años queda un cuarto, y así sucesivamente. Este comportamiento es la base de técnicas como la datación por carbono-14 en arqueología.

• Fisión y fusión: partir o unir para liberar energíaconcepto

  Hay dos procesos nucleares —distintos de la radiactividad espontánea— que se aprovechan tecnológicamente porque liberan cantidades de energía enormes comparadas con cualquier reacción química:

  • Fisión nuclear: un núcleo pesado (típicamente uranio-235) absorbe un neutrón y se parte en dos núcleos más livianos, liberando energía y más neutrones, que pueden partir otros núcleos y generar una reacción en cadena. Es el proceso que usan las centrales nucleares para generar electricidad (el calor de la fisión hierve agua, mueve turbinas) y también el que se usó en las bombas atómicas.
  • Fusión nuclear: dos núcleos livianos (como isótopos de hidrógeno) se unen para formar uno más pesado, liberando todavía más energía por reacción que la fisión. Es el proceso que ocurre en el interior del Sol y las estrellas, y es lo que las intenta reproducir en la Tierra, de forma controlada, la investigación en reactores experimentales, con el objetivo de conseguir energía limpia y casi ilimitada.

  La relación entre masa y energía liberada en estos procesos la describe la ecuación de Einstein:

  $$E = m c^2$$

  donde una pequeñísima pérdida de masa ($m$) se traduce en una cantidad de energía ($E$) gigantesca, porque se multiplica por la velocidad de la luz al cuadrado ($c^2$), un número enorme.

• Aplicaciones, riesgos y decisiones socialesconcepto

  La física nuclear no queda en el laboratorio: en medicina se usa radiación para diagnóstico (como el PET, que usa isótopos radiactivos para ver el metabolismo de órganos) y para tratar tumores (radioterapia, que busca destruir células cancerígenas dañando su material genético). En la industria se usa para esterilizar instrumental médico o alimentos, y para generar electricidad en centrales nucleares (en Argentina: Atucha I y II, y Embalse).

  Pero la radiación en dosis altas daña las células y el ADN, por eso el manejo de materiales radiactivos exige protocolos estrictos de seguridad. Además, la fisión genera residuos radiactivos que siguen siendo peligrosos durante mucho tiempo y requieren almacenamiento especial. Accidentes como Chernóbil (1986) o Fukushima (2011) muestran que las consecuencias, cuando algo falla, pueden ser gravísimas y de largo plazo. Por eso, decidir si construir o no una central nuclear, dónde guardar residuos, o cómo regular el uso médico de la radiación no son solo preguntas técnicas: son decisiones que involucran a toda la sociedad, sus riesgos, sus costos y sus beneficios.

Ejemplos resueltos

• El átomo tiene casi todo su volumen "vacío": los electrones giran lejos de un núcleo muchísimo más chico y muchísimo más denso, formado por protones (carga positiva) y neutrones (sin carga). El número de protones define de qué elemento se trata (número atómico $Z$); protones más neutrones dan la masa del núcleo (número másico $A$). Un mismo elemento puede tener núcleos con distinta cantidad de neutrones: son los isótopos. Por ejemplo, el carbono-12 y el carbono-14 son ambos carbono ($Z=6$), pero el 14 tiene dos neutrones de más y, a diferencia del 12, es inestable.

Errores comunes

• "Radiactividad y radiación son lo mismo que 'estar contaminado'".

  La radiactividad es un fenómeno físico de ciertos núcleos inestables; no todo lo que emite algún tipo de radiación (como el sol, o una lámpara) es "radiactivo" en ese sentido.

  Cómo corregirlo: La radiactividad es un fenómeno físico de ciertos núcleos inestables; no todo lo que emite algún tipo de radiación (como el sol, o una lámpara) es "radiactivo" en ese sentido.

• "La energía nuclear siempre viene de bombas".

  La mayor parte del uso de física nuclear en el mundo es generación eléctrica, medicina e industria, no armamento.

  Cómo corregirlo: La mayor parte del uso de física nuclear en el mundo es generación eléctrica, medicina e industria, no armamento.

• "Fisión y fusión son lo mismo, solo cambia el nombre".

  Son procesos opuestos: la fisión parte núcleos pesados, la fusión une núcleos livianos. Ambos liberan energía, pero por caminos distintos.

  Cómo corregirlo: Son procesos opuestos: la fisión parte núcleos pesados, la fusión une núcleos livianos. Ambos liberan energía, pero por caminos distintos.

• "Toda exposición a radiación es mortal".

  El riesgo depende del tipo de radiación, la dosis y el tiempo de exposición; hay usos médicos controlados y seguros con dosis bajas (como una radiografía).

  Cómo corregirlo: El riesgo depende del tipo de radiación, la dosis y el tiempo de exposición; hay usos médicos controlados y seguros con dosis bajas (como una radiografía).

• "$E=mc^2$ significa que la masa se convierte en energía por arte de magia".

  Lo que ocurre es que una pequeña pérdida de masa del sistema se libera como energía; la masa no "desaparece" sin dejar rastro, se transforma según una relación física precisa.

  Cómo corregirlo: Lo que ocurre es que una pequeña pérdida de masa del sistema se libera como energía; la masa no "desaparece" sin dejar rastro, se transforma según una relación física precisa.

• "Los residuos nucleares dejan de ser peligrosos rápido".

  Muchos isótopos tienen vidas medias de cientos o miles de años, por lo que su manejo requiere soluciones de almacenamiento a muy largo plazo.

  Cómo corregirlo: Muchos isótopos tienen vidas medias de cientos o miles de años, por lo que su manejo requiere soluciones de almacenamiento a muy largo plazo.

En resumen