Reacción nuclear

En física nuclear y química nuclear, una reacción nuclear es un proceso en el que dos núcleos, o un núcleo y una partícula subatómica externa, chocan para producir uno o más nucleidos nuevos. Así, una reacción nuclear debe provocar una transformación de al menos un nucleido en otro. Si un núcleo interactúa con otro núcleo o partícula y luego se separan sin cambiar la naturaleza de ningún nucleido, el proceso se denomina simplemente un tipo de dispersión nuclear, en lugar de una reacción nuclear.

En principio, una reacción puede involucrar la colisión de más de dos partículas, pero debido a que la probabilidad de que tres o más núcleos se encuentren al mismo tiempo en el mismo lugar es mucho menor que para dos núcleos, tal evento es excepcionalmente raro (ver triple alfa proceso para un ejemplo muy cercano a una reacción nuclear de tres cuerpos). El término "reacción nuclear" puede referirse a un cambio en un nucleido inducido por la colisión con otra partícula oa un cambio espontáneo de un nucleido sin colisión.

Las reacciones nucleares naturales ocurren en la interacción entre los rayos cósmicos y la materia, y las reacciones nucleares pueden emplearse artificialmente para obtener energía nuclear, a una tasa ajustable, bajo demanda. Las reacciones nucleares en cadena en materiales fisionables producen fisión nuclear inducida. Varias reacciones de fusión nuclear de elementos ligeros impulsan la producción de energía del Sol y las estrellas.

Historia

En 1919, Ernest Rutherford pudo lograr la transmutación de nitrógeno en oxígeno en la Universidad de Manchester, utilizando partículas alfa dirigidas al nitrógeno N + α →O + pág. Esta fue la primera observación de una reacción nuclear inducida, es decir, una reacción en la que las partículas de un decaimiento se utilizan para transformar otro núcleo atómico. Finalmente, en 1932 en la Universidad de Cambridge, los colegas de Rutherford, John Cockcroft y Ernest Walton, lograron una reacción nuclear completamente artificial y una transmutación nuclear, quienes utilizaron protones acelerados artificialmente contra litio-7, para dividir el núcleo en dos partículas alfa. La hazaña se conoció popularmente como "dividir el átomo", aunque no se trataba de la moderna reacción de fisión nuclear descubierta más tarde (en 1938) en los elementos pesados ​​por los científicos alemanes Otto Hahn, Lise Meitner y Fritz Strassmann.

Nomenclatura

Las reacciones nucleares pueden mostrarse en una forma similar a las ecuaciones químicas, para las cuales la masa invariable debe equilibrarse para cada lado de la ecuación, y en las que las transformaciones de las partículas deben seguir ciertas leyes de conservación, como la conservación de la carga y el número bariónico (masa atómica total). número). A continuación se muestra un ejemplo de esta notación:

Para equilibrar la ecuación anterior de masa, carga y número de masa, el segundo núcleo a la derecha debe tener el número atómico 2 y el número de masa 4; por lo tanto, también es helio-4. Por lo tanto, la ecuación completa dice:

o más simplemente:

En lugar de usar las ecuaciones completas en el estilo anterior, en muchas situaciones se usa una notación compacta para describir las reacciones nucleares. Este estilo de la forma A(b,c)D es equivalente a A + b produciendo c + D. Las partículas de luz comunes a menudo se abrevian en esta forma abreviada, típicamente p para protón, n para neutrón, d para deuterón, α representa un alfa partícula o helio-4, β para partícula beta o electrón, γ para fotón gamma, etc. La reacción anterior se escribiría como Li(d,α)α.

Conservación de energía

La energía cinética puede liberarse durante el curso de una reacción (reacción exotérmica) o puede ser necesario suministrar energía cinética para que tenga lugar la reacción (reacción endotérmica). Esto se puede calcular con referencia a una tabla de masas en reposo de partículas muy precisas, de la siguiente manera: de acuerdo con las tablas de referencia, la₃liEl núcleo tiene un peso atómico estándar de 6,015 unidades de masa atómica (abreviado u), el deuterio tiene 2,014 u y el núcleo de helio-4 tiene 4,0026 u. Por lo tanto:

• la suma de la masa en reposo de los núcleos individuales = 6,015 + 2,014 = 8,029 u;
• la masa total en reposo de los dos núcleos de helio = 2 × 4,0026 = 8,0052 u;
• masa en reposo faltante = 8,029 – 8,0052 = 0,0238 unidades de masa atómica.

En una reacción nuclear, la energía total (relativista) se conserva. Por lo tanto, la masa en reposo "faltante" debe reaparecer como energía cinética liberada en la reacción; su fuente es la energía de enlace nuclear. Utilizando la fórmula de equivalencia masa-energía de Einstein E = mc, se puede determinar la cantidad de energía liberada. Primero necesitamos el equivalente de energía de una unidad de masa atómica:1 u c = (1,66054 × 10 kg) × (2,99792 × 10 m/s) = 1,49242 × 10 kg (m/s) = 1,49242 × 10 J (julios) × (1 MeV / 1,60218 × 10 J)= 931,49 MeV,entonces 1u c = 931.49 MeV.

Por tanto, la energía liberada es 0,0238 × 931 MeV = 22,2 MeV.

Expresado de otra manera: la masa se reduce en un 0,3%, lo que corresponde al 0,3% de 90 PJ/kg es 270 TJ/kg.

Esta es una gran cantidad de energía para una reacción nuclear; la cantidad es tan alta porque la energía de enlace por nucleón del núcleo de helio-4 es inusualmente alta porque el núcleo de He-4 es "doblemente mágico". (El núcleo de He-4 es inusualmente estable y está fuertemente ligado por la misma razón que el átomo de helio es inerte: cada par de protones y neutrones en He-4 ocupa un orbital nuclear 1s lleno de la misma manera que el par de electrones en el átomo de helio ocupan un orbital de electrones 1s lleno). En consecuencia, las partículas alfa aparecen con frecuencia en el lado derecho de las reacciones nucleares.

La energía liberada en una reacción nuclear puede aparecer principalmente en una de tres formas:

• energía cinética de las partículas del producto (una fracción de la energía cinética de los productos de reacción nuclear cargados puede convertirse directamente en energía electrostática);
• emisión de fotones de muy alta energía, llamados rayos gamma;
• algo de energía puede permanecer en el núcleo, como un nivel de energía metaestable.

Cuando el núcleo del producto es metaestable, esto se indica colocando un asterisco ("*") al lado de su número atómico. Esta energía finalmente se libera a través de la descomposición nuclear.

También puede emerger una pequeña cantidad de energía en forma de rayos X. Generalmente, el núcleo del producto tiene un número atómico diferente y, por lo tanto, la configuración de sus capas de electrones es incorrecta. A medida que los electrones se reorganizan y caen a niveles de energía más bajos, se pueden emitir rayos X de transición interna (rayos X con líneas de emisión definidas con precisión).

Valor Q y balance de energía

Al escribir la ecuación de reacción, de manera análoga a una ecuación química, se puede, además, dar la energía de reacción en el lado derecho:Núcleo objetivo + proyectil → Núcleo final + eyectable + Q.

Para el caso particular discutido arriba, la energía de reacción ya ha sido calculada como Q = 22.2 MeV. Por lo tanto:

La energía de reacción (el "valor Q") es positiva para las reacciones exotérmicas y negativa para las reacciones endotérmicas, lo opuesto a la expresión similar en química. Por un lado, es la diferencia entre las sumas de las energías cinéticas del lado final y del lado inicial. Pero por otro lado, también es la diferencia entre las masas nucleares en reposo en el lado inicial y en el lado final (de esta manera, hemos calculado el valor Q arriba).

Tasas de reacción

Si la ecuación de la reacción está balanceada, eso no significa que la reacción realmente ocurra. La velocidad a la que ocurren las reacciones depende de la energía y el flujo de las partículas incidentes, y de la sección transversal de la reacción. Un ejemplo de un gran depósito de velocidades de reacción es la base de datos REACLIB, mantenida por el Instituto Conjunto de Astrofísica Nuclear.

Partículas cargadas vs. no cargadas

En la colisión inicial que inicia la reacción, las partículas deben acercarse lo suficiente para que la fuerza fuerte de corto alcance pueda afectarlas. Como la mayoría de las partículas nucleares comunes tienen carga positiva, esto significa que deben superar una considerable repulsión electrostática antes de que pueda comenzar la reacción. Incluso si el núcleo objetivo es parte de un átomo neutro, la otra partícula debe penetrar mucho más allá de la nube de electrones y acercarse mucho al núcleo, que tiene carga positiva. Por lo tanto, dichas partículas primero deben acelerarse a alta energía, por ejemplo mediante:

• aceleradores de partículas;
• desintegración nuclear (las partículas alfa son el principal tipo de interés aquí ya que los rayos beta y gamma rara vez están involucrados en las reacciones nucleares);
• temperaturas muy altas, del orden de millones de grados, produciendo reacciones termonucleares;
• rayos cósmicos.

Además, dado que la fuerza de repulsión es proporcional al producto de las dos cargas, las reacciones entre núcleos pesados ​​son más raras y requieren una mayor energía de iniciación que las que se dan entre un núcleo pesado y un núcleo ligero; mientras que las reacciones entre dos núcleos ligeros son las más comunes.

Los neutrones, por otro lado, no tienen carga eléctrica para causar repulsión y pueden iniciar una reacción nuclear a energías muy bajas. De hecho, a energías de partículas extremadamente bajas (correspondientes, por ejemplo, al equilibrio térmico a temperatura ambiente), la longitud de onda de De Broglie del neutrón aumenta mucho, posiblemente aumentando mucho su sección transversal de captura, a energías cercanas a las resonancias de los núcleos involucrados. Así, los neutrones de baja energía pueden ser incluso más reactivos que los neutrones de alta energía.

Tipos notables

Si bien la cantidad de posibles reacciones nucleares es inmensa, hay varios tipos que son más comunes o notables. Algunos ejemplos incluyen:

• Reacciones de fusión: dos núcleos ligeros se unen para formar uno más pesado, con partículas adicionales (generalmente protones o neutrones) emitidas posteriormente.
• Espalación: un núcleo es golpeado por una partícula con suficiente energía e impulso para eliminar varios fragmentos pequeños o romperlo en muchos fragmentos.
• La emisión gamma inducida pertenece a una clase en la que solo los fotones están involucrados en la creación y destrucción de estados de excitación nuclear.
• Decaimiento alfa: aunque impulsado por las mismas fuerzas subyacentes que la fisión espontánea, el decaimiento α generalmente se considera separado de este último. La idea citada a menudo de que las "reacciones nucleares" se limitan a procesos inducidos es incorrecta. Las "desintegraciones radiactivas" son un subgrupo de "reacciones nucleares" que son espontáneas en lugar de inducidas. Por ejemplo, las llamadas "partículas alfa calientes" con energías inusualmente altas pueden producirse en la fisión ternaria inducida, que es una reacción nuclear inducida (en contraste con la fisión espontánea). Tales alfas también ocurren a partir de la fisión ternaria espontánea.
• Reacciones de fisión: un núcleo muy pesado, después de absorber partículas ligeras adicionales (generalmente neutrones), se divide en dos o, a veces, en tres partes. Esta es una reacción nuclear inducida. La fisión espontánea, que ocurre sin la ayuda de un neutrón, generalmente no se considera una reacción nuclear. A lo sumo, no es una reacción nuclear inducida.

Reacciones directas

Un proyectil de energía intermedia transfiere energía o recoge o pierde nucleones al núcleo en un solo evento rápido (10 segundos). La transferencia de energía y cantidad de movimiento es relativamente pequeña. Estos son particularmente útiles en la física nuclear experimental, porque los mecanismos de reacción suelen ser lo suficientemente simples como para calcularlos con suficiente precisión para sondear la estructura del núcleo objetivo.

Dispersión inelástica

Sólo se transfiere energía y cantidad de movimiento.

• (p,p') prueba las diferencias entre los estados nucleares.
• (α,α') mide formas y tamaños de superficies nucleares. Dado que las partículas α que golpean el núcleo reaccionan más violentamente, la dispersión α elástica e inelástica superficial son sensibles a las formas y tamaños de los objetivos, como la luz dispersada por un pequeño objeto negro.
• (e,e') es útil para sondear la estructura interior. Dado que los electrones interactúan con menos fuerza que los protones y los neutrones, alcanzan los centros de los objetivos y sus funciones de onda se distorsionan menos al atravesar el núcleo.

Reacciones de intercambio de carga

La energía y la carga se transfieren entre el proyectil y el objetivo. Algunos ejemplos de este tipo de reacciones son:

• (p, n)
• (él, t)

Reacciones de transferencia de nucleones

Por lo general, a una energía moderadamente baja, uno o más nucleones se transfieren entre el proyectil y el objetivo. Estos son útiles para estudiar la estructura de la capa externa de los núcleos. Pueden ocurrir reacciones de transferencia, del proyectil al blanco; reacciones de desprendimiento, o del blanco al proyectil; reacciones de captación.

• Reacciones (α,n) y (α,p). Algunas de las primeras reacciones nucleares estudiadas involucraron una partícula alfa producida por la desintegración alfa, golpeando un nucleón de un núcleo objetivo.
• Reacciones (d,n) y (d,p). Un rayo de deuterón incide sobre un objetivo; los núcleos objetivo absorben el neutrón o el protón del deuterón. El deuterón está tan débilmente ligado que esto es casi lo mismo que la captura de protones o neutrones. Se puede formar un núcleo compuesto, lo que lleva a la emisión más lenta de neutrones adicionales. Las reacciones (d,n) se utilizan para generar neutrones energéticos.
• La reacción de intercambio de extrañeza (K, π) se ha utilizado para estudiar hipernúcleos.
• La reacción N (α, p) O realizada por Rutherford en 1917 (informada en 1919), generalmente se considera el primer experimento de transmutación nuclear.

Reacciones con neutrones

Las reacciones con neutrones son importantes en los reactores nucleares y las armas nucleares. Si bien las reacciones de neutrones más conocidas son la dispersión de neutrones, la captura de neutrones y la fisión nuclear, para algunos núcleos ligeros (especialmente los núcleos impares) la reacción más probable con un neutrón térmico es una reacción de transferencia:

Algunas reacciones solo son posibles con neutrones rápidos:

• Las reacciones (n,2n) producen pequeñas cantidades de protactinio-231 y uranio-232 en el ciclo del torio que, por lo demás, está relativamente libre de productos de actínidos altamente radiactivos.
• Be + n → 2 α + 2n puede aportar algunos neutrones adicionales en el reflector de neutrones de berilio de un arma nuclear.
• Li + n → T + α + n inesperadamente contribuyeron al rendimiento adicional en las tomas de Bravo, Romeo y Yankee de la Operación Castle, las tres pruebas nucleares de mayor rendimiento realizadas por los EE. UU.

Reacciones nucleares compuestas

O se absorbe un proyectil de baja energía o una partícula de mayor energía transfiere energía al núcleo, dejándolo con demasiada energía para unirse por completo. En una escala de tiempo de unos 10 segundos, las partículas, generalmente neutrones, se "evaporan". Es decir, permanecen juntos hasta que se concentra suficiente energía en un neutrón para escapar de la atracción mutua. El núcleo casi unido excitado se llama núcleo compuesto.

• Baja energía (e, e' xn), (γ, xn) (la xn indica uno o más neutrones), donde la energía gamma o gamma virtual está cerca de la resonancia del dipolo gigante. Estos aumentan la necesidad de protección contra la radiación alrededor de los aceleradores de electrones.