© Libro N° 14672. La Energía Del Átomo. Gladkov, K. Emancipación. Enero 3 de 2026
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LA ENERGÍA DEL ÁTOMO
K. Gladkov
La Energía Del Átomo
K. Gladkov
Reseña
'La energía del átomo' de K. Gladkov es un libro que explora la energía contenida en el núcleo de los átomos y su uso, cubriendo la historia del descubrimiento de la radiactividad, la invención del neutrón, el concepto de reacción nuclear controlada y sus aplicaciones industriales, y las etapas para hacerla una fuente de energía práctica. El libro, publicado por Ediciones en Lenguas Extranjeras, es una obra que aborda el desarrollo de la energía atómica, desde sus conceptos fundamentales hasta sus aplicaciones y el impacto industrial.
Índice
I. Nace el sueño de lo imposible
II. La radiactividad
III. Otro enigma de la naturaleza IV. El neutrón
V. Se ha descubierto la fuente de energía VI. Reacción nuclear controlada
VII. Teorías "aterradoras"
VIII. El reactor nuclear
IX. Los reactores nucleares como fuentes de energía eléctrica X. Industria atómica
Capítulo I
Nace el sueño de lo imposible
Contenido:
1. En el umbral de un gran descubrimiento
2. “Pudín con pasas"
3. El error de Antonio Enrique Becquerel
1. En el umbral de un gran descubrimiento
Los últimos años del siglo XIX y los primeros del XX abundaron en descubrimientos e inventos asombrosos, con los que antes el hombre no podía más que soñar.
Este florecimiento vertiginoso del saber engendró un torrente igualmente impetuoso de novelas y relatos de ficción, donde la penetrante inteligencia humana hacia intentos de predecir el desarrollo de la ciencia y la técnica o, por lo menos, señalar sus perspectivas, muy deseadas, pero lejanas.
En ellas vemos todo con lo que soñaba el hombre: un gigantesco submarino, verdadero palacio, que surca con inaudita velocidad los mares y océanos de nuestro planeta y puede navegar incluso bajo los miles y miles de kilómetros de hielos polares; aparatos volantes del tipo más extraño posible, capaces de trasladar al hombre de un continente a otro sin escala y en torno del globo terrestre; un cañón que lanza proyectiles con tripulantes humanos a la Luna; cohetes que llevan a valientes exploradores de otros mundos del Universo; aparatos para mantener conversaciones a grandes distancias pudiéndose ver simultáneamente al interlocutor.
También se habla en ellas de milagrosas sustancias que permiten criar en poco tiempo conejos del tamaño de gigantescas fieras; por fin, se describen misteriosos cuerpos químicos que en cantidades muy pequeñas, apenas cabiendo en una caja de cerillas, pueden producir la energía necesaria para mover las hélices de grandes buques durante años y años, y muchas cosas más.
Sin embargo, el progreso de la ciencia y la técnica superó la ficción más alada de los escritores, dejó atrás los sueños y las predicciones más audaces de los hombres de ciencia.
Hace ya mucho que hablamos sin particular emoción de enormes aviones polimotores que pueden dar la vuelta al globo sin escala y levantar tanto peso como un vagón de ferrocarril, o comentamos los raíds de verdaderas cruceros submarinos. La radio —genial invento del físico ruso A. Popov— es ahora un elemento corriente de nuestra vida cotidiana. En los escaparates, al lado de otros miles de objetos habituales, se exponen aparatos de TV que permiten ver a distancia. Se descubrieron nuevas fuentes de energía, a base de las cuales se construyen nuevos y originales tipos de motores, se amplía enormemente el radio de alcance de los aviones, el recorrido de los automóviles, se pueden lanzar cohetes de muchas toneladas a miles y miles de kilómetros de distancia.
Se inventaron distintos explosivos de potencia excepcional. Los proyectiles cargados con tales materias perforan cualquier espesor de acero como si fuera mantequilla.
Tan sólo la minúscula fuente de energía casi inagotable concebida por la fantasía del escritor, que promete al hombre el poder ilimitado sobre la Naturaleza, permaneció siendo hasta hace poco, pese a los esfuerzos de todo un ejército de científicos, un sueño irrealizable como la vieja leyenda de los poderosos djines encerrados por fieras hechiceras en jarros de barro y arrojados al fondo del mar.
El hombre, durante los milenios de su evolución acumuló una riquísima experiencia de obtención de energía a partir de las más diversas sustancias. Sin embargo, cualquiera de las materias utilizadas, pese a las más increíbles transmutaciones que sufrieran, no podían producir mucha energía. Hasta en las explosiones, la cantidad de energía desprendida era relativamente pequeña.
Los trenes y buques, los aviones y las potentes piezas de artillería requerían grandes cantidades de materiales; miles de toneladas de hulla, cientos de toneladas de petróleo, decenas de toneladas de gasolina, cientos de kilogramos de explosivos.
Tras de acumular infinidad de datos y descubrimientos, se abrió paso como rama importantísima del saber humano la química, la ciencia exacta y armoniosa de las propiedades y transformaciones de las sustancias, coronada con la ley periódica de los elementos por D. Mendeleev, el coloso del pensamiento científico ruso.
Esta ciencia estableció con exactitud, podríamos decir, absoluta, sin dejar lugar a ilusiones, que en todas las transmutaciones de las sustancias que constituyen la Naturaleza, acompañadas de desprendimiento de grandes, y a veces enormes, cantidades de energía, se produce siempre e indefectiblemente la transformación de unos cuerpos complejos en otros más simples y viceversa.
En el proceso de combustión ordinaria que se verifica, por ejemplo, en un horno, la energía térmica se desprende debido a la reacción que se produce al combinarse moléculas simples para formar otras más complejas. El efecto destructivo de los explosivos es resultado de la liberación de energía en la reacción de descomposición de moléculas compuestas en otras simples.
La combustión de la pólvora negra corriente es una reacción detonante, casi momentánea, entre dos moléculas de nitrato de potasio, un átomo de azufre y tres átomos de carbono, resultando en consecuencia una molécula de sulfuro de potasio, una molécula de nitrógeno y tres de anhídrido carbónico.
Productos de la explosión de la pólvora
El cómputo de la energía desprendida en todas esas reacciones químicas, incluso en las más violentas, ha mostrado que todavía se está muy lejos de descubrir la cajita maravillosa y que, por lo visto, su destino es continuar siendo el sueño más estéril de la Humanidad.
En efecto, un kilogramo del mejor combustible del mundo permitía a la locomotora más pequeña recorrer unos cuantos centenares de metros; a un automóvil, de diez a doce kilómetros; un kilogramo del explosivo más potente podría lanzar un proyectil de un kilogramo a una distancia de 10 a 15 kilómetros.
En el transcurso de los milenios de su existencia y lucha con la Naturaleza, el hombre jamás vio que se pudiese calentar la vivienda durante las largas noches de invierno con una astilla o que se pudiese volar una roca grande o ganar una batalla con un puñado de pólvora.
Sin embargo, la idea de la posibilidad de obtener energía inagotable encerrada en una cantidad ínfima de sustancia bullía en lo más íntimo del pensamiento humano.
2. “Pudín con pasas"
Antes de proseguir nuestra narración intentaremos ver lo queso conocía acerca de la estructura de la materia en los albores del siglo XX.
Se sabía que la infinita variedad de la Naturaleza circundante tanto muerta como viva, consta de diferentes combinaciones de un número relativamente reducido de cuerpos simples, comenzando por el más ligero —el hidrógeno— y terminando por el más pesado el uranio. No todos los elementos conocidos hoy día se habían descubierto entonces.
Algunos elementos pueden encontrarse puros en la Naturaleza como por ejemplo: la plata, el oro, el carbón, el cobre, etc., aunque la mayoría se halla mezclada o combinada con otros elementos.
Se había establecido que el átomo es la partícula más pequeña, y por consiguiente, indivisible, de cualquier elemento. La molécula se consideraba como la parle más pequeña de una sustancia compleja, compuesta por átomos de uno o de varios elementos, que es capaz de conservar las propiedades de la sustancia dada. Al dividirse, la molécula se disgrega en los átomos que la componen y, entonces se pierden las propiedades de la sustancia inicial.
Las reacciones y las transformaciones químicas, aun las más complejas, permitieron, en el mejor de los casos, la obtención de elementos químicos puros o la formación de nuevas combinaciones de los mismos.
A esto se debe la esterilidad de todos los intentos hechos por los alquímicos medievales para transformar unos elementos en otras y en particular, el mercurio o el plomo en oro.
El desarrollo de la ciencia de la electricidad condujo primeramente al concepto de la estructura “granulosa" del fluido eléctrico. Posteriormente, J. Thomson, conocido físico inglés, descubrió en 1897 la partícula más pequeña de electricidad negativa, el electrón o átomo de electricidad, como se le denominó entonces.
Pronto se logró determinar el peso (la masa) del electrón. Resulta ser igual a del peso del átomo de hidrógeno, el más ligero de todos los elementos existentes. Numerosas mediciones verificadas posteriormente mostraron que el electrón posee la carga eléctrica
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más pequeña de todas las conocidas, es decir, igual aproximadamente a 1/1,836 del peso del átomo de hidrógeno, el más ligero de todos los elementos existentes. Numerosas mediciones verificadas posteriormente mostraron que el electrón posee la carga eléctrica más pequeña de todas las conocidas, es decir, igual aproximadamente a 4,8 × 10-10 unidades electrostáticas.
Los hombres de ciencia concebían al átomo indivisible, algo así como una especie de esfera cargada uniformemente con electricidad positiva y que en dicha esfera se hallaban incrustados los electrones. “Viene a ser como un pudín con pasas" —dijo en cierta ocasión J. Thomson, autor de este modelo estructural del átomo en 1898. La suma de todas las cargas negativas de los electrones del átomo es siempre igual a la carga positiva de toda la esfera, es decir, el átomo en su conjunto es siempre neutro, y sólo la pérdida de uno o varios electrones da lugar a la aparición de átomos con carga positiva, o sea, iones positivos.
Tales eran, salvo raras excepciones, las ideas que se tenían a fines del siglo XIX de la estructura del átomo. A pesar de que dichos conceptos presentaban cierta armonía, muchas cosas no estaban todavía claras.
Así se figuraba el físico ingles J. Thomson en 1898 la estructura del átomo. Seis electrones, cual pasas en un pudín, se hallan incrustados en la esfera compacta de la carga positiva, igual a la suma de las carcas de los seis electrones.
Por ejemplo, ¿cuál es la naturaleza y estructura de la masa cargada con electricidad positiva que existe en el átomo, además del electrón? ¿Existen en el átomo partículas positivas análogas a los electrones? Estas cuestiones quedaban todavía por resolver.
Mientras se afirmaba el sistema teórico, hasta cierto punto riguroso y exacto, se descubrió una sustancia que se comportaba de manera completamente distinta a todas las demás sustancias conocidas. No se subordinaba a ninguna de las leyes que se consideraban inmutables y obligatorias para cualquier materia y contradecía la idea general de la inmutabilidad de los átomos.
3. El error de Antonio Enrique Becquerel
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Esto ocurrió “inesperadamente" a principios de 18%. Unos meses antes, el eminente sabio alemán Röntgen había hecho un sorprendente descubrimiento que inmortalizó su nombre, ya que quedó para siempre unido a los rayos que hoy llamamos de Röntgen o X.
Dichos rayos atravesaban libremente el papel, la madera, el cuerpo humano e incluso placas metálicas de escaso espesor. La placa fotográfica expuesta en plena oscuridad a estos rayos invisibles quedaba impresionada como si sobre ella hubiese actuado la luz solar más intensa.
Centenares de hombres de ciencia de todos los países del mundo empezaron a repetir el experimento de Röntgen, a estudiar los nuevos rayos y los fenómenos derivados.
Eu el primer tubo empleado por Röntgen, los misteriosos y penetrantes rayos eran emitidos desde un sector determinado.
Los rayos X, al pasar a través de un cuerpo opaco, dejaron por vez primera su huella en una placa fotográfica.
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Cuando funcionaba el tubo, frente a este sector aparecía en el cristal una pequeña mancha de fría luz amarillo-verdosa. Ni Röntgen ni otros sabios contemporáneos suyos pudieron explicar la aparición de la mancha.
Los científicos conocían desde hacía mucho tiempo el fenómeno de la fluorescencia; durante muchos años se ocupó de él el físico francés Antonio Enrique Becquerel.
La fluorescencia del vidrio en el tubo de Röntgen llamó la atención de Becquerel, quien, tras de estudiar a fondo el funcionamiento del aparato, llegó a la conclusión de que la mancha luminiscente era precisamente la verdadera causa de la emisión de los rayos misteriosos. De ahí que todas las demás sustancias fluorescentes debían emitir rayos análogos con mayor o menor intensidad. Simplemente nadie se había ocupado de estas fenómenos, por lo cual no se había reparado en la relación existente entre ellos.
Movido por el deseo de comprobar la exactitud de sus conclusiones, Becquerel colocó, durante uno de sus experimentos, encima de una placa fotográfica envuelta en varias capas de papel negro, una porción de la primera sustancia fluorescente que le vino a mano y cuyo brillo era muy intenso bajo la acción de la luz solar.
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Experimento que condujo al descubrimiento de los rayos X. Pese a que el tubo catódico estuviese revestido con un.» envoltura opaca, el contenido del bolso se veía con diafanidad perfecta en la pantalla luminiscente.
Representación esquemática de un tubo de rayos X de nuestros días.
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La sal de uranio impresiona la placa fotográfica de la misma manera que los rayos X (Zippeita).
De aceptar que la sustancia fluorescente, iluminada con intensa luz solar, emite luz visible y, además, rayos X, invisibles y muy penetrantes, éstos deberán indudablemente atravesar todas las capas de papel negro e impresionar la placa fotográfica.
Si, por el contrario, no son emitidos rayos X, la placa no se impresionará, ya que las múltiples capas de la envoltura de papel negro la protegen perfectamente contra la penetración de los rayos luminosos visibles.
La sustancia fluorescente tomada al azar fue el sulfato doble de uranio y potasio.
La experiencia tuvo brillante éxito. Revelada unas horas después, la placa acusó una impresión bien clara del trozo de sal uránica. Tras de repetir el experimento varias veces, Becquerel se dispuso a publicar un artículo sobre el nuevo descubrimiento. Pero la escrupulosidad y el recelo del sabio respecto a los resultados de sus
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experimentos, sobre todo, por el fulminante éxito obtenido, prevalecieron, y Becquerel decidió volver a repetirlos comprobando minuciosamente cada detalle.
Si el triunfante Becquerel se hubiese limitado a la primera serie de experimentos, que parecían comprobar irrefutablemente sus hipótesis, no se hubiera llegado a un descubrimiento científico de colosal importancia.
Como si fuera especialmente para contrariar al sabio, se acabaron los días de cielo despejado y el sol quedó oculto tras pesados nubarrones. Becquerel guardó el paquete con la placa, con el trozo de sal colocado encima, en un cajón de su mesa. Al cabo de unos días apareció el sol. Al hallar, por casualidad, el paquete en el cajón de la mesa, Becquerel decidió revelar la placa con objeto de comprobar si había sufrido algún cambio. Con gran sorpresa vio en ella no sólo la impresión del trozo de sal uránica, sino también la de una moneda que se hallaba entre la sal y el paquete. Es más, la imagen era todavía más nítida y clara que en los primeros experimentos, a pesar de que no cabía hablar de ninguna clase de fluorescencia del uranio dentro de un cajón oscuro y, además, en unas días sombríos.
Unos cuantos experimentos más bastaron para establecer con toda exactitud que el sulfato doble de uranio y potasio emite unos rayos enérgicos c invisibles para el ojo humano, análogos por su efecto a los de Röntgen, independientemente de si se provoca la fluorescencia de la sal bajo la acción de la luz solar o si dicha sustancia se halla en la oscuridad.
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Así, el 26 de febrero de 1896 se descubrió un nuevo fenómeno físico: las sales uránicas emitían rayos invisibles, parecidos a los de Röntgen.
Este fenómeno sirvió de punto de partida para toda la nueva física del siglo XX.
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Capítulo II
La radiactividad
Contenido:
1. La proeza científica de una hija del pueblo polaco
2. Los resultados del estudio de los rayos misteriosos
3. Familias radiactivas
4. La energía de la desintegración radiactiva
1. La proeza científica de una hija del pueblo polaco
El descubrimiento de Becquerel llamó la atención de los científicos del mundo entero.
La existencia de rayos de gran poder de penetración emitidos por un mineral nativo no tenía explicación y era un hecho verdaderamente misterioso.
Entre los científicos que se interesaron muy vivamente por este fenómeno tan inusitado se hallaba María Sklodowska-Curie, de nacionalidad polaca, talentosa química que trabajaba a la sazón en París, en el laboratorio de Becquerel.
La placa fotográfica impresionada por unos rayos desconocidos prestó un gran servicio para identificarlos. Pero los numerosos y sutiles experimentos indispensables para poner en claro la naturaleza de estos rayos requerían nuevos métodos de observación. Así comenzó sus investigaciones María Sklodowska-Curie.
Se sabía que bajo el efecto de los rayos X, las moléculas de nitrógeno y oxigeno atmosféricos se transforman en iones, es decir, en partículas con carga eléctrica positiva o negativa. En
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consecuencia, el aire se hace conductor de la electricidad, los cuerpos cargados no pueden retener durante mucho tiempo sus cargas eléctricas y se descargan rápidamente.
La ionización del aire puede descubrirse fácilmente mediante un aparato escolar, el electroscopio, cuyo esquema puede verse en la figura que sigue. Se fija una varilla metálica en un tapón de buen material aislante. En la parte inferior de la varilla está suspendida una laminilla muy fina de aluminio.
El electroscopio escolar corriente es un aparato de mucha utilidad en numerosas investigaciones físicas. Cuando está cargado, las laminillas se separan. Los rayos X dirigidos hacia el electroscopio ionizan el aire circundante y lo hacen conductor de la electricidad, en virtud de lo cual las laminillas se descargan y caen por su propio peso.
Para poder determinar el ángulo de separación, al adoptar la laminilla de aluminio la posición divergente, se instala al lado de la varilla un limbo graduado de forma curva. Existen también otros tipos de electroscopio, que se diferencian en la forma de construcción.
Si se toca la bolita del extremo superior de la varilla con un objeto cargado, ésta y la laminilla de aluminio también se cargan. Debido a que los cuerpos cargados con electricidad del mismo signo se repelen, la laminilla de pan de aluminio se apartará de la varilla tanto más cuanto mayor sea la carga comunicada a ésta.
Ahora bien, basta proyectar sobre el electroscopio cargado un haz de rayos X o introducir en él alguna sustancia que emita los rayos descubiertos por Becquerel para que la laminilla de pan de aluminio vuelva rápidamente a su posición inicial, es decir, se adhiera a la varilla, lo que significa que el electroscopio se ha descargado.
Por efecto de la radiación, las moléculas de los gases del aire circundante se disocian en iones, es decir, en partículas con carga positiva y negativa. Los iones con carga contraria a la de la varilla y la laminilla del electroscopio son atraídos por éstas y se neutraliza su carga; las fuerzas que obligan al pan de aluminio a apartarse de la varilla desaparecen y la laminilla cae por su propio peso. Cuanto mayor sea el número de iones que se forma en el aire en torno a la
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varilla cargada, tanto más rápidamente se producirá la descarga del electroscopio.
Ese aparato, aunque de tipo más complejo y perfeccionado, fue el que empleó María Sklodowska-Curie en sus investigaciones.
Al investigar detalladamente todas las sustancias uraníferas conocidas y disponibles, María Sklodowska-Curie vio que, como era de esperar, cuanto más uranio contenía la sustancia, más intenso era su efecto ionizante. La rapidez máxima de descarga del electroscopio se lograba bajo la acción de los rayos emitidos por el uranio metálico puro.
La investigadora denominó radiactividad (partiendo de la palabra latina radias-rayo) a esta propiedad de emisión espontánea de rayos invisibles observada en ciertas sustancias.
Pronto tropezó con la primera sorpresa. Dos minerales de uranio; la pechblenda (de la ciudad austríaca de Joachimsthal, hoy Jáchymow, Checoslovaquia) y la calcolita emitían muchos más rayos que el uranio más puro.
La única hipótesis posible era la de que en la pechblenda y en la calcolita había otro elemento, desconocido entonces, con un poder de emisión de rayos superior al del uranio, aunque, por lo visto, la concentración de dicho elemento en los minerales estudiados era muy pequeña.
El talentoso físico francés Pierre Curie, marido de María Sklodowska, se dedicó a la búsqueda de estas misteriosas sustancias radiactivas.
Trabajando en condiciones increíblemente difíciles durante más de
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dos años, habiendo analizado varias toneladas de desechos de minerales de uranio. María y Pierre Curie obtuvieron por fin en junio de 1898 una pequeña cantidad de un compuesto muy radiactivo de bismuto, que contenía un elemento hasta entonces desconocido y luego denominado polonio por los esposos Curie en honor a Polonia, patria de María Sklodowska.
Sin embargo, las sorpresas continuaron sucediéndose unas a otras. Además del polonio, lograron descubrir y separar en diciembre de 1898 una combinación de cloro con otra sustancia todavía más radiactiva a la que denominaron radio.
Por fin, al cabo de dos años más, tras de invertir en total cerca de 45 meses de trabajo pertinaz, los esposos Curie lograron extraer de una tonelada de mineral 0,1 gramos de cloruro de radio, del cual obtuvieron un granito de radio metálico puro. Su radiactividad era millones de veces más intensa que la del uranio.
El radio resultó ser, en efecto, una sustancia sorprendente. Impresionaba en poco tiempo basta dejar completamente negra la placa fotográfica, aunque la protegieran con una gruesa capa de plomo infranqueable para los rayos X. Las sales de radio emiten una tenue luz azulenca. Bajo la acción de los rayos del radio, así como de los de Röntgen, emitían luz en la oscuridad pantallas revestidas de sulfuro de zinc y platinocianuro de bario y otras sustancias. Cantidades insignificantes de radio, que no excedían de una millonésima de gramo, se dejaban ya descubrir por la intensa ionización producida a causa de su emisión radiactiva. Bajo la acción de los rayos emitidos por el radio, el vidrio blanco se teñía de
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distintos colores.
Se puso de relieve otra sorpresa: el radio ejercía un efecto enérgico sobre los organismos vivos. Sus emanaciones resultaron ser peligrosas para la salud. La primera víctima fue el propio Becquerel. En cierta ocasión, al ir al aula para dar una conferencia, puso en el bolsillo del chaleco un tubito con sales de radio. Pasado cierto tiempo apareció una grave quemadura en la piel, que después degeneró en una úlcera que no se logró curar en unos cuantos meses.
Luego se descubrió otra propiedad que distinguía mucho al radio de todas las demás sustancias conocidas en aquella época.
Como había observado por primera vez Pierre Curie, este metal tenía siempre una temperatura algo superior a la ambiente. Al medirla se vio que un gramo de radio desprende cerca de 136 calorías1 por hora. Con el calor que desprendía el radio se podían calentar 200 gramos de 0 °C hasta 100 °C, aproximadamente en seis días.
Y lo más curioso era que el peso del radio no se alteraba. El metal no experimentaba pérdida ponderal alguna.
Era una fuente misteriosa de energía, hasta entonces desconocida por el hombre.
Vale la pena recordar aquí las palabras verdaderamente proféticas de Pierre Curie pronunciadas hace más de 50 años al recibir él y su esposa el Premio Nobel por su notable descubrimiento:
"No es difícil concebir que en manos criminales el radio
1 Una caloría equivale a la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 15 °C a 16 °C
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puede ser muy peligroso: así que surge la pregunta: ¿Es, en efecto, útil para la Humanidad el conocer los secretos de la Naturaleza? ¿Ha adquirido la madurez suficiente para saberlos aprovechar correctamente o estos conocimientos sólo pueden causarle daño?
El ejemplo del descubrimiento de Nobel2 es sintomático en este sentido. Los potentes explosivos permitieron al hombre realizar notables obras, y al mismo tiempo sirvieron de terrible medio de destrucción en manos de los grandes criminales, de los que lanzaron a los pueblos a los horrores de la guerra... Yo soy de los que piensan como Nobel, que los nuevos descubrimientos acarrearán más beneficios que daños a la Humanidad... "
2. Los resultados del estudio de los rayos misteriosos
Después de haberse descubierto diversas clases de sustancias radiactivas se inició el estudio de este nuevo tipo de rayos.
Entre otros muchos se llevó a cabo el experimento siguiente: Con objeto de establecer si la radiación misteriosa era o no una corriente de partículas cargadas, se hizo pasar entre los polos de un imán potente un estrecho haz de rayos procedentes de una fuente radiactiva ya que se sabía que el campo magnético altera la trayectoria de cualquier partícula cargada.
Las suposiciones de los científicos se vieron plenamente confirmadas. El haz se dividió en tres partes.
2 Inventor de la dinamita
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Bajo la acción del campo magnético, los rayos, que parecían homogéneos, de las sustancias radiactivas se dividen inesperadamente en tres partes.
Los rayos que se desviaron menos recibieron el nombre de rayos alfa; la parte de la radiación que sufrió mayor desviación recibió el nombre de rayos beta y la parte que no se desvió a ningún lado se denominó rayos gamma.
El poder de penetración de los rayos emitidos por el radio y el polonio es distinto. Se debilitan en igual medida al atravesar las diferentes capas de sustancias indicadas en el cuadro.
Cada una de estas radiaciones se comenzó a estudiar por separado.
Resultó que las absorben de distinto modo las diferentes sustancias.
Una hoja de papel corriente no dejaba pasar los rayos alfa.
Los rayos beta mostraron ser más penetrantes, atravesaban una placa de aluminio de varios milímetros de espesor.
Ahora bien, los más penetrantes de todos resultaron ser los rayos gamma. Para cortarles el paso hubo que oponerles una plancha de plomo de varias decenas de centímetros de espesor. Al medirse la
carga y la masa de los rayos beta se estableció eran portadores de cargas negativas, eran los electrones, ya conocidos en la Física. Se les denominó partículas beta.
Los rayos alfa eran un flujo de partículas dotadas de alta velocidad con carga eléctrica positiva —partículas alfa— aproximadamente 7.000 veces más pesadas que los electrones. Debido a que su m; supera en mucho a la de los electrones y la velocidad de movimiento es inferior, su desviación en el campo magnético no era tan acusada como la de los electrones. Después de minuciosos estudios se puso en claro que eran átomos de helio doblemente ionizados, es decir, átomos de helio que, a causa de haber perdido cada uno dos electrones, habían adquirido dos cargas positivas.
Espintariscopio. Aparato físico que apareció en el comercio primeramente como curioso y atractivo juguete.
El famoso científico inglés Rutherford consiguió demostrar, recurriendo a un método muy ingenioso, que las partículas alfa eran átomos de helio.
Así se logró establecer que los rayos alfa son átomos ionizados (privados de electrones) del gas helio.
Se introdujo un trocito diminuto de radio en el interior de un recipiente de vidrio con paredes dobles, habiéndose extraído el aire del espacio comprendido entre ellas.
El grosor de las paredes se calculó de tal manera que las partículas alfa emitidas por el radio pudieran atravesar sin dificultad la pared interior, pero no la exterior. Al cabo de unos días, se descubrió la presencia de cierta cantidad de helio en el espacio intermedio.
En los experimentos sucesivos, Rutherford empleó otro aparato sencillo, pero muy práctico, para observar partículas alfa, una por una. Tratábase del espintariscopio, ideado por el físico inglés Crookes.
Una aguja, en cuya punta se halla una diminuta cantidad de una sal cualquiera de radio, se coloca frente a una pantalla luminiscente de sulfuro de zinc. Encima del aparato se instala una lente de aumento. En cuanto una partícula alfa impacte en la pantalla, se produce un punto brillante perfectamente visible a través de la lente. Ante el observador aparece un cuadro pintoresco: sobre un fondo oscuro se encienden y se apagan multitud de brillantes estrellitas.
Los rayos gamma, que en el experimento de Becquerel impresionaron la placa fotográfica (mientras la radiación alfa y beta eran absorbidas por la envoltura), resultaron ser vibraciones electromagnéticas de muy alta frecuencia, al igual que los rayos X. Se propagan en el vacío a la velocidad de la luz, es decir, de 300.000 kilómetros por segundo.
Los rayos gamma son muy peligrosos para el hombre y los animales. Su energía se debilita con la distancia, ya que se consume en la ionización de las moléculas y átomos que encuentran a su paso.
3. Familias radiactivas
Ahora bien, ¿qué ocurre con los propios átomos radiactivos? ¿Qué transmutaciones misteriosas experimentan al emitir partículas alfa
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y beta y rayos gamma?
La respuesta a estas preguntas la dio el mismo Rutherford en colaboración con el conocido físico inglés Soddy.
Ambos sabios partieron de la hipótesis de que los átomos de las sustancias radiactivas, a diferencia de los que componen las sustancias ordinarias, no son estables, que pueden desintegrarse
espontáneamente emitiendo determinadas partículas y transformarse en otro elemento. Así, por ejemplo, al emitir una partícula alfa, el radio se convierte en el gas radiactivo radón, otro elemento completamente distinto.
La desintegración espontánea de los átomos de un elemento químico —el radio— conduce a la formación de dos elementos nuevos: el radón y el helio. No obstante, el proceso de desintegración radiactiva prosigue y no cesa hasta que todo el radio, hasta su último átomo, no se transforma en radón y helio.
El radón, formado de esta manera, continúa, a su vez, despidiendo partículas alfa, convirtiéndose en otra sustancia nueva, el radio A, también radiactivo.
El proceso de desintegración radiactiva finaliza sólo cuando todo el radio se transforma íntegramente en el plomo corriente, que todos bien conocemos.
Tiene su explicación el hecho de que el radio se encuentre en los minerales de uranio. En tiempos precedentes se originó a partir del uranio y continúa formándose en todos los minerales que contienen alguna impureza de dicho elemento por pequeña que sea.
Aquí surge lógicamente una cuestión: ¿Por qué las sustancias
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radiactivas estudiadas por tantos científicos emitían las tres clases de rayos mencionados, mientras que, basándonos en lo expuesto anteriormente, cada elemento debía emitir sólo partículas alfa v beta?
Esto se debe a que en la sustancia radiactiva en cuestión existen, además del elemento emisor fundamental, las sustancias de que éste se formó, lo mismo que las derivadas de su propia desintegración, así como los numerosos productos resultantes de las desintegraciones sucesivas.
Esta es la razón de que la radiación del uranio sea tan compleja, ya que contiene las partículas de la desintegración del propio uranio y las derivadas de la fisión del radio, radón, radio A, etc.
Es posible liberarse de las sustancias, diríamos, progenitoras de la sometida a investigación, pero es extraordinariamente difícil desembarazarse de las que ella misma origina, ya que se forman continuamente en el proceso de la desintegración radiactiva.
La cadena de estos elementos que se forman uno a partir del otro constituye la llamada familia radiactiva.
Estas familias son cuatro y comprenden todos los elementos radiactivos pesados cuyo término final es el plomo corriente. En los gráficos que siguen se muestran tres de estas familias tan singulares.
La familia de los elementos radiactivos del uranio y la sucesión de sus transformaciones en otros elementos.
La familia de los elementos radiactivos del torio.
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La familia de los elementos radiactivos del actinio.
De los esquemas se infiere que los elementos radiactivos emiten en lo fundamental sólo partículas alfa y beta.
La radiación gamma no es más que un fenómeno concomitante de estos dos procesos.
Hubieron de transcurrir varios decenios de escrupulosas investigaciones antes de que se lograra establecer las leyes que rigen la desintegración radiactiva y hallar los métodos más racionales para medir la marcha del proceso.
La magnitud fundamental que define una sustancia radiactiva es el periodo de su semidesintegración o semivida. Si, por ejemplo, una sustancia tiene un periodo de semidesintegración igual a 4 días, ello significa que la mitad de la cantidad inicial de átomos del cuerpo radiactivo en cuestión se desintegra en el transcurso de 4 días, transformándose en otra sustancia. Al cabo de los 4 días siguientes se desintegra la mitad del resto. Así, pues, a los 8 días sólo quedará sin desintegrar una cuarta parte de los átomos iniciales; al cabo de 12 días quedará la octava parte y así sucesivamente. Dicho con otras palabras, para que la radiactividad de una sustancia se reduzca a la centésima parte de la inicial deben transcurrir siete períodos de semidesintegración.
Hay que tener en cuenta que estos datos no son más que un término medio de la desintegración de la sustancia radiactiva. En la realidad hay átomos que no se desintegran durante todo el período de existencia de la sustancia en cuestión, mientras que otros pueden desintegrarse casi instantáneamente o en períodos muy breves.
Periodos de semidesintegración de algunos elementos radiactivos.
Cuanto más intenso sea el proceso de desintegración de una sustancia tanto más corto será su período de semidesintegración. Así se explica que los emisores enérgicos vivan relativamente poco.
Un gramo de uranio tiene cerca de 2,5×1021 átomos. De esta cantidad se desintegran en un segundo sólo unos 12 mil átomos. Por esto, el período de semidesintegración del uranio es extraordinariamente largo, ¡cerca de 5 mil millones de años!
El período de semidesintegración del radio es igual a 1590 años; del radón, unos días; del radio A, unos minutos; del radio C, 10-4 segundos, etc.
Representación esquemática del período de semidesintegración de las sustancias radiactivas.
Los numerosos experimentos efectuados con las sustancias radiactivas pusieron de relieve otro fenómeno sorprendente. Mientras no había forma de destruir los átomos de los elementos estables, los radiactivos, por el contrario, so destruían espontáneamente, y no existe fuerza alguna en el mundo: ni la temperatura próxima al cero absoluto ni la más elevada que se puede obtener en nuestro planeta, ni la presión de varios miles de atmósferas, que sea capaz de detener, acelerar, frenar o interrumpir la marcha del proceso de desintegración.
4. La energía de la desintegración radiactiva
En la inabarcable sucesión de fenómenos de la Naturaleza, no todo tiene un carácter acabado, perfecto y definido. Por ello, no todos los
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ladrillitos fundamentales que forman el edificio del mundo material son estables.
Casi todos los elementos radiactivos naturales son los más pesados del sistema periódico. Debido a su desintegración espontánea, son también los más inestables.
Igualmente asombrosa resultó otra propiedad ya mencionada de las sustancias radiactivas. Su desintegración espontánea va acompañada de desprendimiento de enormes cantidades de energía que superan en centenares de miles de veces la energía de las reacciones químicas más enérgicas que se conocen hasta el presente.
Ya sabemos que un gramo de radio produce cerca de 136 calorías por hora.
Cuando, al cabo de varios miles de años, se desintegren todos sus átomos, la energía desprendida será igual a 2.800.000 grandes calorías.
Tal cantidad de energía sólo se puede obtener quemando aproximadamente 375 kilogramos del mejor carbón.
La diferencia consiste en que la energía obtenida de la combustión de la hulla puede desprenderse en un periodo relativamente breve, mientras que para obtener toda la energía de la desintegración de un gramo de radio habría que esperar varios milenios.
Y ¿si se lograra un bloque de radio de una tonelada métrica? Entonces, se obtendrían 136.000 grandes calorías por hora, lo suficiente para construir un motor prácticamente perpetuo de varias decenas de caballos de fuerza.
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Capítulo III
Otro enigma de la naturaleza
Contenido:
1. El gran vacío
2. ¿Cómo es el átomo?
3. Un médico curioso
4. Isótopos
5. "Artillería" atómica
6. Cómo se logró contar las partículas atómicas
7. Niebla que permite ver lo invisible
8. Un mundo de partículas minúsculas y de energías colosales
1. El gran vacío
El descubrimiento de la radiactividad mostró con toda evidencia a los científicos que los átomos de algunas sustancias emiten constantemente partículas materiales: átomos de helio y electrones
y que las cargas eléctricas —positivas y negativas— guardan relación directa con estas partículas.
En el propio fenómeno de la radiactividad aún quedaban muchas cosas por explicar, sin embargo, los hombres de ciencia se dieron ya cuenta de la inapreciable utilidad que tendría dicho fenómeno para las investigaciones de la estructura atómica.
Pertrechado con este nuevo y poderoso medio de investigación, el físico inglés Rutherford se dedicó en los años 1906-1912 al estudio de la estructura de los átomos de distintas sustancias, bombardeándolas con las partículas emitidas por los elementos
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radiactivos.
La esencia de sus experimentos consistía en lo siguiente.
Se interceptaba con una hojita de pan de oro un estrecho haz de partículas alfa emitidas por una sustancia radiactiva cualquiera. Dichas partículas se registraban mediante una pantalla luminiscente (de sulfuro de zinc).
¿Qué ocurriría al chocar las partículas alfa con los átomos de oro si estos fueran bolitas macizas? ¿Saltarían disparadas en todas las direcciones, se abrirían paso entre los átomos o los atravesarían de un lado a otro sin desviarse de su trayectoria?
Si las partículas alfa tienen que abrirse camino a través de los átomos de oro, tendrán naturalmente que sufrir multitud de colisiones con ellos y cambiarán centenares y miles de veces su dirección. En consecuencia, las partículas saldrán despedidas de la hojita de pan de oro en las direcciones más distintas.
En la realidad no ocurrió esto ni mucho menos. La mayoría absoluta de las partículas alfa atravesaba el metal sin desviarse apenas de su trayectoria rectilínea, sin embargo, hubo algunas que se desviaban bajo ángulos bastante grandes, a veces, incluso eran repelidas, reflejándose en dirección opuesta.
Veinte años después de haber efectuado sus primeros experimentos.
Rutherford decía:
“Fue éste, quizás, el fenómeno más inverosímil que he visto en mi vida. Fue casi tan increíble como si al bombardear con proyectiles de 15 pulgadas una hoja finísima de papel, dichos proyectiles rebotaran para atrás y dieran al artillero.
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Después de largas reflexiones llegué al convencimiento de que esta dispersión en sentido opuesto sólo podía ser consecuencia de un impacto directo. Pero cuando luce los cálculos pertinentes vi que el resultado, por lo que respecta a su magnitud, también era increíble, salvo en un único caso, cuando se trata de un sistema donde la mayor parte de la masa del átomo está concentrada en el minúsculo núcleo".
En efecto, la única forma posible capaz de explicar este fenómeno podía ser sólo la siguiente: la partícula alfa, con electricidad positiva, tropezaba en su trayectoria con otra de carga positiva y masa mucho mayores y, al chocar, era despedida hacia un lado o, incluso, hacia atrás, a pesar de su enorme velocidad (cerca de 20 mil km por segundo).
Este fenómeno no podía ser provocado por los electrones, ya que su masa es insignificante en comparación con la del proyectil atómico. Las enormes fuerzas de repulsión tampoco podrían aparecer en los átomos, donde la carga positiva está distribuida uniformemente en toda la esfera, como lo suponía Thomson.
El problema es completamente distinto si se admite que toda la carga positiva y la masa del átomo se hallan concentradas en un volumen muy reducido. Entonces, las dos cargas positivas de la partícula alfa se enfrentarían con las fuerzas mancomunadas de las 79 cargas positivas idénticas, reunidas en un solo bloque, del átomo que sirve de blanco. Imposibilitada de vencer la resistencia de un obstáculo tan poderoso, la partícula alfa, pese a su velocidad, se ve
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forzada a desviarse a un lado, o, en caso de un impacto directo, saltar hacia atrás.
Solo después de someter a bombardeo durante dos años todos los “rincones perdidos" del átomo se logró confirmar la última hipótesis y descubrir la parte portadora de la carga positiva, es decir, el núcleo, en el cual se concentra casi toda la masa del átomo.
Se estableció, además, que el núcleo ocupa una parte insignificante del volumen del átomo. Su diámetro es igual aproximadamente a una cienmilésima del diámetro atómico. ¡Resultó, pues, que el átomo, estaba vacío!
Si imaginamos el átomo del tamaño de la Tierra y los electrones como balones de fútbol que corren por la superficie del globo, el núcleo atómico de carga positiva, será una esfera de unos 130 m de diámetro, situada en el centro del planeta. ¡Los balones “planetas" y el núcleo estarán separados por un espacio vacío de 6.000 kilómetros!
Si pudiéramos aproximar los núcleos de los átomos hasta que quedaran en contacto uno con el otro, un centímetro cúbico de esa sustancia nuclear pura pesaría... 114 millones de toneladas.
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Así deberían difundirse las partículas alfa si los átomos de la materia bombardeada fuesen bolitas compactas. Las flechas pequeñas señalan la dirección de las partículas alfa reflejadas
desordenadamente en todos los sentidos. Se muestra asimismo, en forma muy aumentada, la trayectoria y el carácter de los reflejos experimentados por partícula alfa.
En la realidad, la dispersión de las partículas alfa por la sustancia bombardeada se produce de esta manera.
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Por esto puede decirse que el átomo es una partícula vacía.
Ya que no podremos esquivar, por más que nos esforcemos, una pregunta muy curiosa, trataremos de formularla ahora mismo y contestar por partes. ¿Por qué no pueden los núcleos juntarse y formar esa masa nuclear?
Ante todo lo impiden las cargas eléctricas negativas de los electrones atómicos: se repelen con gran fuerza y no dejan que los átomos se acerquen lo suficiente para que se verifique su fusión. Si se priva a los átomos de esta “primera línea de defensa" —las cargas de los electrones—, se repelerán aun con mayor fuerza los núcleos de los átomos, dotados de carga positiva. Hemos visto la facilidad con que el núcleo del átomo de oro repele, cual si fuera una bolita de caucho, la partícula alfa que se aproxima a él con una velocidad de 20 mil kilómetros por segundo.
Aquí dejamos de momento este problema, para volver a ocuparnos
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de él un poco más adelante.
2. ¿Cómo es el átomo?
La teoría ha explicado ya cómo debían moverse las partículas alfa al pasar cerca del núcleo atómico de oro, de carga positiva, y a qué distancia de él debían desviarse de su camino inicial, así como a qué puntos de la pantalla luminiscente debían ir a parar.
Estos experimentos, practicados por Rutherford con irreprochable meticulosidad, permitieron concebir un nuevo modelo de la estructura del átomo. Según este modelo planetario, propuesto por Rutherford, el átomo consta de un núcleo positivo, situado en su centro. Los electrones giran en torno de ese núcleo, formando toda una maraña de órbitas. Se llama planetario por analogía con el sistema solar, ya que se admite que los electrones giren alrededor del núcleo como los planetas en torno del Sol.
Las propiedades químicas de los elementos dependen precisamente del número de estos electrones.
Las ideas de Rutherford fueron desarrolladas por su discípulo, el famoso físico danés Niels Bohr.
Hablando con rigor, el mencionado modelo de átomo puede llamarse modelo Rutherford-Bohr.
El átomo más simple es el de hidrógeno. Su núcleo —el protón— pesa 1.836 veces más que el único electrón que gira alrededor de él. Los núcleos de todos los demás elementos son más pesados que el protón. Tomemos, por ejemplo, el elemento que signe al hidrógeno en la serie periódica, el helio. La masa de su núcleo es cuatro veces
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mayor que la del protón.
El núcleo del uranio pesa 238 veces más que el protón. Alrededor de él giran 92 electrones. Como se ve, es un sistema bien complejo.
El número de electrones corresponde a la carga del núcleo, razón por la cual el átomo entero resulta neutro. Este número coincide con el número de orden del elemento.
Modelo del átomo tal como lo concibieron E. Rutherford y N. Bohr.
Mendeleev tenía razón al no distribuir algunos elementos en consonancia con el aumento de su peso atómico, que, debido a ciertas causas (de eso hablaremos más adelante) no podía determinarse con exactitud.
El número de elementos y sus propiedades químicas dependen del número de electrones en la órbita exterior del átomo. Esto resultó tener más importancia que el peso atómico.
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El físico inglés Chadwick, uno de los discípulos de Rutherford, intentó calcular a base de la dispersión de las partículas alfa la carga de los núcleos de cobre y plata. Los resultados obtenidos vinieron a confirmar con pleno éxito la nueva teoría.
Este es el número de electrones que hay que reunir para equilibrar el peso de un protón.
En la serie periódica de Mendeleev, la plata tiene el número de orden 17, y los cálculos de Chadwick acusaron 46,3 ± 0,7 para el cobre, al que corresponde la casilla 29 del sistema periódico, los cálculos acusaron 29,3 ± 0,45 (los signos ± indican un posible error durante las mediciones).
No cabe duda que es una brillante coincidencia de la teoría con la práctica.
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En 1913, los científicos ingleses Fajans y Soddy determinaron con toda exactitud cómo marcha el proceso de la desintegración radiactiva.
"Células de identidad" completas del electrón y del protón
La ley establecida por ellos lleva el nombre de Ley de los corrimientos de Fajans y Soddy.
La emisión de una partícula alfa por un núcleo atómico produce la pérdida de dos unidades de carga positiva y, cuatro unidades de masa y la formación de otro elemento que está colocado dos lugares más hacia la izquierda en el sistema periódico.
Cuando la transformación radiactiva transcurre despidiendo una partícula beta, la masa del elemento prácticamente no sufre cambios, mientras que la carga positiva de su núcleo aumenta en una unidad', ya que se desprende una partícula negativa. El átomo
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originado, que ha perdido de esta forma un electrón, se desplaza una casilla hacia la derecha, viniendo a ocupar el lugar siguiente en la Tabla de Mendeleev.
Modelos de átomos de hidrógeno, helio, oxigeno y aluminio.
De esta manera, el núcleo del átomo de radio (número de orden 88, peso atómico 226), al emitir una partícula alfa se convierte, como acabamos de señalar, en radón (número de orden 86, peso atómico 222).
En cambio, el radio B (número de orden 82, peso atómico 214).
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Modelo de átomo de uranio, emisor de partículas beta, al despedir un electrón se transforma en radio C (número de orden 83, peso atómico el mismo).
La desintegración radiactiva y todas las diversas reacciones que se producen con los núcleos pueden representarse por medio de símbolos y fórmulas de manera análoga a las reacciones químicas. A la derecha del símbolo del elemento se escriben sus datos fundamentales; arriba, el peso atómico; abajo, el número de orden.
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Representación gráfica de la ley de los corrimientos de Fajans y Soddy. Así cambia la carga del núcleo y su masa en el proceso de desintegración radiactiva.
Entonces, la desintegración radiactiva del radio podría expresarse
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de la siguiente forma:
Aquí es el radio con peso atómico 226 y carga nuclear 88;
es el radón, de peso atómico 222 y carga nuclear 86; es una partícula alfa (núcleo del átomo de helio), con peso atómico 4 y carga del núcleo 2.
Este es el principio de representación al que nos atendremos en nuestro libro.
La energía de las partículas nucleares, por grande que sea la velocidad de su movimiento, es muy intima. Sería ridículo tratar de medirla a base de las magnitudes habituales. Ni siquiera el ergio, unidad tan pequeña de energía, sirve para ello,
Al levantar un libro de 900 gramos de la mesa para colocarlo en la estantería se aumenta su energía en 25 millones de ergios.
Esta unidad sería extraordinariamente grande para medir la energía de las partículas nucleares.
Existe una unidad especial aceptada para medir la energía de esas partículas. Es el electrón volito o eV.
¿Qué es el electrón voltio?
El campo eléctrico imprime a las partículas cargadas una mayor velocidad de movimiento e incrementa su energía.
Así, la nueva unidad de medida de energía equivale al incremento de energía que experimenta un electrón al ser acelerado en un campo eléctrico de 1 voltio.
Al atravesar un campo eléctrico, con diferencia de potenciales de 1
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voltio, el electrón adquiere una energía cinética igual al producto de su carga por la diferencia de potenciales, es decir, a 1,6×10-19 joule, o, 1,6×10-12 ergios. Esta es, precisamente, la energía equivalente a un electrón voltio. La energía media del movimiento térmico de los átomos de un gas, expresada en estas unidades a la temperatura ambiente, es aproximadamente igual a 0,03 electrones voltio.
3. Un médico curioso
Cuando los hombres de ciencia lograron determinar, aunque nada más que de forma aproximada, el peso atómico de los distintos elementos, les asombró la regularidad con que este peso aumenta al pasar de un elemento a otro. Si se toma por unidad el peso del más ligero —el hidrógeno—, los pesos atómicos de todos los demás elementos vienen expresados con exactitud en números enteros.
Esta regularidad tan singular indujo al médico londinense William Prout a plantear ya en 1816 la cuestión de que "si los átomos de todos los elementos químicos son partículas fundamentales primarias, verdaderos "ladrillos de Universo", indivisibles y sin la menor ligazón el uno con el otro ¿cómo se explica que el átomo de nitrógeno sea exactamente 14 veces más pesado que el de hidrógeno, y el de oxigeno exactamente 16 veces?".
Según Prout, los átomos de todas las sustancias están compuestos precisamente de átomos de hidrógeno. El átomo de nitrógeno está formado por 14 de hidrógeno estrechamente unidos; el de oxígeno, de 16 átomos de hidrógeno y así sucesivamente.
Este juicio hubiera podido ejercer enorme influencia en el desarrollo
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de la Química y la Física si, al efectuar mediciones posteriores más precisas de los pesos atómicos, no se hubiese puesto en claro que no son múltiplos exactos del peso del átomo de hidrógeno y que la diferencia es a veces tan considerable que ya no puede atribuirse a inexactitudes de medición, como ocurrió en los tiempos de Prout.
Así se imaginaban los hombres de ciencia la estructura del núcleo atómico al tratar de explicar la incomprensible diferencia existente entre su número atómico (la carga) y el peso atómico (masa).
A la sazón no se propuso ninguna teoría que pudiera dar una explicación satisfactoria a la regularidad señalada por Prout, y la brillante idea del médico fue relegada al olvido para resurgir, pero ya con más éxito y bastante modificada, a principios del siglo XX.
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Rutherford demostró que los núcleos de todos los átomos — partículas pesadas— poseen carga positiva. La masa del núcleo es prácticamente igual a la del átomo.
Pero si se considera que todos los núcleos de los átomos constan de núcleos de hidrógeno —protones—, resulta incomprensible una circunstancia.
La carga del núcleo y el peso atómico coinciden numéricamente sólo en el caso del hidrógeno. En los demás elementos, la carga resultó ser mucho menor.
¿Qué partículas, pues, entran en la composición de los núcleos atómicos, además de los protones?
A primera vista, el número de protones no puede ser superior a la carga del núcleo.
Entonces se propuso y se argumentó la teoría de la estructura del núcleo atómico, teniendo en cuenta todo lo antedicho. En líneas generales, la teoría se reducía a lo siguiente.
Los núcleos de todos los átomos constan de protones, cuyo número es igual al peso atómico. Pero junto con los protones, en la composición de los núcleos intervienen los electrones, cuya carga eléctrica neutraliza una parte de estas partículas cargadas positivamente. El número de electrones es igual a la diferencia entre el peso atómico y la carga total del núcleo.
Hubo incluso quien admitió que en los núcleos pesados puede haber también partículas alfa, además de los protones y electrones. Este sistema —cuatro protones y dos electrones formando un todo monolítico— posee particular estabilidad.
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La teoría explicaba todos los fenómenos de que se tenía noticia entonces, y la presencia de electrones en los núcleos era corroborada por la desintegración beta, ya que durante este proceso, los núcleos de las sustancias radiactivas emitían electrones.
Esta teoría se vio confirmada una vez más al descubrirse los isótopos.
4. Isótopos
El descubrimiento de los isótopos facilitó grandemente la resolución y el esclarecimiento de uno de los mayores enigmas de la Naturaleza. Sin embargo, la circunstancia antedicha impedía la total aceptación de la estructura protónico-electrónica del núcleo atómico.
Trátase de la ya mencionada contradicción entre el número atómico (es decir, el número entero de parejas de cargas positivas y negativas del átomo, que determinan las propiedades químicas del elemento) y su peso atómico, ya establecido con toda precisión y expresado en fracciones decimales.
Si se admite que el más ligero de los átomos —el de hidrógeno— consta de un protón y un electrón que gira alrededor del primero, este átomo, como lo demostró en su tiempo Prout, podría ser perfectamente el ladrillo de que se forman los demás átomos, más complejos.
Antes, el peso atómico de cualquier elemento se determinaba comparándolo con el peso del átomo de hidrógeno. Posteriormente
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se pasó a considerar como peso atómico de un elemento la relación entre el peso del átomo de cada cuerpo simple con respecto no al del átomo de hidrógeno, sino a la dieciseisava parte del peso del átomo de oxígeno.
De estar Prout en lo cierto, el peso del átomo de hidrógeno y una dieciseisava parte del peso del átomo de oxigeno serían iguales a la unidad. Pero aquí surge otro problema: el peso atómico de los demás elementos no es igual a la suma de los pesos atómicos de los átomos de hidrógeno que los componen, no son números enteros, sino fracciones.
Por ejemplo, el peso atómico del hierro es igual a 55,85. Si se admite que el peso del átomo de hierro es un múltiplo exacto del de hidrógeno, resulta inconcebible que un átomo de hierro este formado por 55 núcleos enteros y 85 centésimas de núcleo de hidrógeno.
Al proceder a la búsqueda de elementos radiactivos, los hombres de ciencia tropezaron con nuevos fenómenos incomprensibles. Muchas de las sustancias radiactivas recién descubiertas eran, por lo que respecta a sus propiedades químicas, completamente iguales a las de elementos ya conocidos.
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Tubo que permitió obtener por vez primera rayos catódicos (electrónicos), así como los rayos canales o anódicos (flujos de iones cargados positivamente)
Por ejemplo, el ionio , descubierto en 1906, resultó tener propiedades idénticas al elemento torio, conocido desde hacía mucho tiempo, por lo cual era imposible separarlos valiéndose de los procedimientos químicos usados entonces. El meso-torio, descubierto al año siguiente, no se distinguía por su comportamiento químico del radio. El plomo, resultante de la total desintegración del radio, poseía todas las propiedades del plomo ordinario, pero el peso atómico era distinto.
De esta forma, en algunas casillas del sistema periódico de Mendeleev figuraban varios tipos de átomos con igual carga eléctrica, pero diferente masa.
Estos átomos fueron denominados isótopos, lo que en griego quiere decir “ocupa igual lugar".
El meso-torio 1 es un isótopo del elemento radio; el ionio, isótopo del torio; el radio B y el radio D, isótopos del plomo, etc.
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Aparato que permite, cual una aventadora, clasificar los isótopos de los átomos (espectrógrafo de masa), y principios en que se basa su funcionamiento.
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Ahora bien, no sólo las sustancias radiactivas tienen isótopos. Valiéndose de dispositivos, aparatos e instalaciones especiales bastante complejos, los hombres de ciencia lograron demostrar que todos los elementos existentes tienen isótopos.
Así deberían llenarse las casillas «le la Tabla de Mendeleev (su ángulo izquierdo superior) si en ella se incluyeran todos los isótopos naturales de cada elemento.
¿Cómo se ha logrado demostrarlo? ¿Cómo han podido los hombres de ciencia determinar la existencia de elementos iguales con peso atómico distinto?
Para demostrarlo era necesario separar estos átomos el uno del otro. Pero ¿cómo conseguirlo?
Por procedimientos químicos es completamente imposible, ya que
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las propiedades químicas de los isótopos deben ser iguales. El campo eléctrico tampoco nos sirve, pues en los isótopos el número de electrones y la carga del núcleo son iguales.
Para separar estos átomos tan afines se idearon máquinas especiales.
En las condiciones ordinarias el átomo es neutro.
Para que pueda actuar sobre él un campo eléctrico magnético es necesario que tenga carga. Entonces, al moverse en la zona de acción del campo mencionado, deberá ponerse de relieve la diferencia de masa de los isótopos.
Lo que hay que hacer es ionizar el átomo, privándolo de uno o más electrones. Así se obtiene un ión con carga positiva, sobre el cual puede ya actuar el campo eléctrico o magnético.
Tomemos el elemento en cuestión en estado gaseoso y coloquémoslo en un recipiente, cuya representación esquemática se muestra en la figura adjunta.
Debido a varias causas, en los gases existe siempre cierta cantidad de electrones libres. Si se conecta corriente de alta tensión a los electrodos del aparato, los electrones libres serán atraídos por el ánodo, cargado positivamente. Al chocar en su camino con los átomos del gas, los ionizarán. Los nuevos electrones libres que resulten de estos choques se dirigirán, a su vez, hacia el ánodo y chocarán también con los átomos del gas que hallen a su paso arrancándole electrones.
¿Cómo se comportarán los iones positivos del gas que se van formando en el recipiente?
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Se moverán en sentido contrario, hacia el cátodo (electrodo negativo) también a grandes velocidades, pero muy inferiores a las de los electrones, pues estos son varios miles de veces menos pesados que los primeros.
Él cátodo lleva un pequeño orificio en forma de estrecho y largo canal. En este canal no penetran todos los iones que marchan en dirección al cátodo, sino los que se mueven en línea recta coincidente con el eje del orificio.
Acelerados por la tensión negativa aplicada al cátodo, los iones pasan por el canal y van a parar a la segunda parte del tubo, más larga. Aquí, bajo el efecto de electrodos suplementarios dotados de alta tensión negativa, los iones reciben cierta aceleración suplementaria y van a parar a un potente campo magnético que los hace cambiar de trayectoria de modo que vayan a impactar en un blanco especial en forma de disco.
Como es lógico, los iones que posean distinta masa experimentarán mayor o menor desviación bajo la acción del campo magnético. Cuanto más ligero sea el isótopo tanto mayor será la desviación que sufre su trayectoria por efecto del campo magnético.
Por consiguiente, después de atravesar el campo magnético, los isótopos se reúnen cada uno en una determinada parte del blanco. Después de repetir varias veces esta operación se puede descomponer casi totalmente el elemento en los isótopos que lo constituyen.
Eu este principio se asienta el espectrógrafo de masa de Aston que debe su nombre, al físico inglés Aston, autor del complejo aparato
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de separación de los isótopos.
Valiéndose de estos nuevos aparatos, los hombres de ciencia investigaron todos los elementos del sistema periódico de Mendeleev. Unos constaban de pequeño número de isótopos, otros tenían más de diez.
Después de esto, ya no era difícil explicar el enigma que había dado tanto que hacer a los científicos, el que los pesos atómicos de algunos elementos se expresaran en fracciones.
La composición isotópica de cada elemento existente en la naturaleza posee magnitud constante.
Debido a que el elemento está constituido de átomos de distinto peso, su peso atómico total puede formar una fracción.
Tomemos, por ejemplo, el gas neón, cuyo peso atómico es 20,2. Las mediciones exactas mostraron que en realidad se compone de tres isótopos; el 90% corresponde al isótopo de peso atómico 20; el 0.27%, al isótopo de peso atómico 21; el 9,73%, al de peso atómico 22.
Calculemos ahora el peso atómico de la mezcla de los isótopos del neón tal como se presenta en la Naturaleza:
20 × 0,9 + 21 × 0,0027 + 22 × 0,0973 = 20,1973 = 20,2.
El peso atómico del neón, determinado por vía experimental es igual a 20,2. Como se ve, la coincidencia es total.
El hierro nativo consta de cuatro isótopos con pesos atómicos 54, 56, 57 y 58, que mezclados dan un peso atómico medio igual a
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54,8-1.
Algunos elementos, cuyos pesos atómicos se expresaban prácticamente en números enteros resultaron también estar formados por varios isótopos.
Entre éstos figuran el hidrógeno y el oxígeno.
En el oxígeno se descubrieron tres isótopos. El fundamental es el de peso atómico 16 (le corresponde el 99,76%) pero existen, además, el de peso atómico 18 (0,2%) y 19(0,04%).
Eu el cuadro adjunto está representada la tabla de los isótopos de algunos elementos.
Así se resolvió un problema que venía preocupando durante tantos años a los hombres de ciencia.
5. "Artillería" atómica
Con ayuda de la nueva y poderosa arma —la “artillería" atómica—, es decir, las partículas emitidas por las sustancias radiactivas, los científicos pensaban realizar el viejo sueño de la Humanidad, la transformación de unos elementos en otros.
Sólo estas partículas o las aceleradas en aparatos especiales pudieron atravesar la envoltura protectora del núcleo, romperlo o alterar la estructura de un sistema tan estable y resistente.
En estos casos puede originarse un nuevo núcleo o disgregarse totalmente el núcleo en sus partículas constitutivas.
Los hombres de ciencia se daban perfecta cuenta de las dificultades que se alzaban ante ellos.
El átomo se presentaba revestido con doble coraza. Contra la
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penetración de electrones, lo protegía la fuerza repelente de una gruesa envoltura electrónica, mientras la gran fuerza repulsiva de su carga global positiva era una garantía contra la infiltración de los iones positivos.
Lo mismo que en la artillería corriente, los factores decisivos son la velocidad del proyectil y su peso. Los electrones despedidos por las sustancias radiactivas se mueven a velocidades enormes. En cambio, su masa es tan pequeña que resulta muy fácil desviarlos de su trayectoria rectilínea.
A su vez. las partículas alfa, en virtud de que son mucho más pesadas que el electrón (más de 7.000 veces), se mueven a una velocidad sólo 15 veces menor.
En general, resultó que las partículas alfa tenían más probabilidades de destruir el núcleo atómico que los electrones. Pero utilizar este método sería lo mismo que emplear piezas de artillería para cazar gorriones, con la única diferencia de que en este caso sería incluso más productivo porque el blanco, el gorrión, es proporcionalmente de mayor tamaño y el número de impactos promete ser mayor.
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Representación esquemática de la primera “pieza de artillería atómica" empleada en los experimentos de Rutherford.
En 1919, Rutherford, abrigando las esperanzas más optimistas y disponiendo de recursos más que modestos, empezó los experimentos de bombardeo de los átomos de distintos elementos estables con partículas alfa, tratando de provocar artificialmente la transformación de unos elementos en otros, del mismo modo como ocurre en la naturaleza con las sustancias radiactivas.
Estos experimentos, de excepcional ingenio y brillantez fueron efectuados con medios muy sencillos. Se colocó un minúsculo granito de sustancia emisora de partículas alfa en la punta de una varilla dispuesta en el centro de un tubo, frente a un orificio cerrado
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con una laminilla metálica muy fina. Detrás de la hoja se hallaba una pantalla luminiscente y un microscopio para observar y contar las centellas que apareciesen. Se extrajo el aire del tubo y se llenó con un gas.
La punta de la varilla debía hallarse a suficiente distancia de la pantalla con objeto de que las partículas alfa emitidas por el granito de radio no pudieran llegar a ella. El plan era el siguiente. Si la pesada partícula alfa choca con un núcleo del gas que llena el tubo, el núcleo se destruirá o se desprenderá de él un fragmento cualquiera. En uno u otro caso, la longitud de la trayectoria de los fragmentos más ligeros puede ser mayor que la de las partículas de bombardeo. Al llegar a la pantalla, los fragmentos deben provocar su luminiscencia.
Durante largo tiempo, los experimentos no daban el resultado apetecido hasta que no se licuó el tubo con nitrógeno. Entonces comenzaron a aparecer en la pantalla unos puntos luminosos, las huellas de nuevas partículas formadas.
Cuando se calculó su velocidad, recorrido y masa, se vio que eran protones, es decir, núcleos del hidrógeno que antes no había en absoluto en el tubo.
Pasado cierto tiempo, se logró descubrir en el tubo una pequeña cantidad de un isótopo muy raro del oxígeno, con peso atómico 17. No había más remedio que admitir la hipótesis de que este nuevo elemento era resultado del impacto de una partícula alfa en el núcleo del nitrógeno dando lugar a un núcleo con carga 9 y peso atómico 18. El nuevo núcleo correspondía a un isótopo inestable del
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flúor, que se desintegraba con relativa rapidez emitiendo un protón. Así se formaba el núcleo del isótopo de oxígeno con peso atómico 17.
Esta transformación de núcleos, que constituyó la primera reacción nuclear, puede representarse de la siguiente manera:
La partícula alfa, al unirse con el núcleo del nitrógeno lo convierte en el núcleo del flúor, el cual se desintegra, a su vez, dando lugar a la formación de un núcleo de oxígeno y un protón suelto.
Fue esta la primera fisión del núcleo atómico en la historia de la ciencia. Fue un disparo oído en un mismo día en el mundo entero. Los sabios prosiguieron los experimentos y establecieron que las partículas alfa son capaces de expulsar protones de los núcleos atómicos de la mayoría de los elementos ligeros, convirtiéndolos en núcleos de átomos de elementos más pesados. Por ejemplo, mediante el bombardeo de los núcleos de) aluminio con partículas alfa se consiguió transformarlos en núcleos del silicio.
Así, pues, se logró por vez primera en la historia transformar un elemento en otro bombardeando con partículas alfa los átomos de elementos ligeros. Cierto es que con este descubrimiento la ciencia no se aproximó ni un ápice a la transformación del plomo en oro y quedó tan lejos de dicha meta como en la Edad Media, pero lo logrado revestía mucha más importancia que la simple fabricación de este noble metal.
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Mediciones escrupulosas de la energía de estos protones expulsados mostraron, con gran sorpresa por parte de los investigadores, que su magnitud superaba en medida considerable a la energía de las partículas alfa que habían actuado como proyectiles, a pesar de que estas últimas eran 4 veces más pesadas y, podría parecer, que todo debía haber ocurrido al revés.
En este caso podría considerarse, no ya únicamente los núcleos de los elementos radiactivos, sino los de los elementos corrientes, como verdaderos depósitos de energía accesibles a hombre en ciertas condiciones favorables.
En efecto, cuanto más a fondo se investigaba el núcleo atómico tanto más motivo se tenía para compararlo con un muelle contra ido al máximo y retenido en tal estado por medio de unos trinquetes.
Así se logró transformar por vez primera un átomo de nitrógeno en un átomo de oxígeno.
Muy de tarde en tarde los científicos lograban, aunque a tientas, dar
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con alguno de estos trinquetes y soltarlo.
Las cifras que aducimos a continuación dan una idea aproximada de las energías que se desprenden en algunas reacciones químicas y nucleares. En la combustión del carbono, a cada átomo del elemento le corresponde una energía de 1,6×10-19 calorías, lo que equivale a 4.2 electrones voltio.
Para fisionar, por ejemplo, un núcleo del aluminio mediante el bombardeo con partículas alfa y convertirlo en núcleo del silicio, con liberación de un protón, hay que emplear una energía de 7,7 millones de electrones voltio (o 7,7 MeV). Como consecuencia de esta fisión, se desprenden simultáneamente con los fragmentos 10,7 MeV, es decir, se obtiene un beneficio de 3 MeV. Esto supera ya 700.000 veces a la energía que se obtiene quemando carbón.
Se diría que la colosal ganancia de energía que se obtiene al bombardear los núcleos atómicos con partículas alfa es ya la meta que ansiaba lograr el hombre. Se habrá cumplido la ilusión de la minúscula y maravillosa cajita de energía.
Ahora bien de cada millón de proyectiles atómicos —las partículas alfa disparadas contra los núcleos del aluminio— tan sólo unos 20 daban en el blanco y producían la fisión con el correspondiente desprendimiento de energía.
Las demás 999.980 partículas alfa pasaban de largo. Así, el número de impactos no era nada satisfactorio ni prometía mejoras.
¡Lograr la meta ansiada y deponer las armas bajo la presión de hechos tan incontrovertibles!
Los hechos mostraban que la energía que se gana con la fisión de
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20 átomos no compensa lo más mínimo la energía invertida en ese bombardeo contra gorriones. Había motivos más que suficientes para desesperarse.
Pero antes de proseguir el relato de los emocionantes descubrimientos llevados a cabo por los hombres de ciencia, veamos en qué consisten los métodos fundamentales de investigación de las partículas nucleares. Ya hemos hablado del electroscopio y el espintariscopio. Ahora se puede pasar a la descripción de aparatos más complejos.
6. Cómo se logró contar las partículas atómicas
Otra rama de la ciencia tiene sus instrumentos de trabajo, sus aparatos delicados y de alta precisión.
Los instrumentos del astrónomo son el telescopio, la cámara fotográfica, el espectrógrafo, el cronómetro, etc.; el biólogo y el fisiólogo suelen emplear en la mayoría de los casos el microscopio óptico y, últimamente, electrónico; el químico recurre en su actividad a múltiples aparatos, infinidad de reactivos, etc.
La gran mayoría de los fenómenos concernientes a la Física del núcleo atómico está fuera del alcance de la observación directa del hombre. Los órganos de los sentidos no permiten percibir átomos sueltos o partículas nucleares.
Por consiguiente, el hombre tiene que recurrir a distintos métodos indirectos para observarlos.
Casi todos estos métodos se basan, en una forma o en otra, en la ionización de la sustancia al ser sometida a la acción de partículas
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con carga eléctrica.
Eu su estado habitual, el átomo es neutro eléctricamente. Pero cuando pasa cerca de él una partícula cargada, dotada de cierta energía, puede alterar su equilibrio eléctrico. Al chocar, la partícula puede llevarse uno o varios electrones de la capa cortical del átomo. Entonces, en el lugar de la “catástrofe" se forman dos iones: la parte que quedó del átomo, positiva, y su electrón, negativo.
Representación esquemática del funcionamiento de una cámara do ionización.
Si en un medio, donde se encuentra un gran número de iones, se introducen dos electrodos con carga eléctrica de signos opuestos, los iones positivos comienzan a desplazarse hacia el electrodo negativo, y los negativos, al contrario. Ello quiere decir que en este
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medio fluirá corriente eléctrica que antes de la ionización no existía.
Representación esquemática del tipo más sencillo del detector de ionización de Geiger. Puede registrar el paso hasta de una sola partícula cargada.
Ahora bien, la presencia de corriente eléctrica en un circuito puede descubrirse de formas muy diversas.
Eu este principio se basa precisamente el primer aparato, el más sencillo, construido para las investigaciones nucleares, la cámara de ionización. La representación esquemática de la cámara se muestra a continuación.
La partícula cargada ioniza un determinado número de átomos del gas que se halla en el interior de la cámara, y los iones que se forman en consecuencia son concentrados por el campo eléctrico.
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La cantidad de cargas que se forman es registrada por un electrómetro acoplado a la cámara. Por sus desviaciones se juzga de la cantidad de partículas que pasan por la cámara.
Pero los físicos deben saber mucho más: hay que distinguir una partícula de otra, medir su energía, contarlas con exactitud y determinar la dirección de su movimiento.
Teniendo en cuenta las deficiencias de la cámara de ionización, el físico alemán Geiger propuso hace ya bastante tiempo otro aparato para registrar las partículas cargadas, perfeccionado por él posteriormente en colaboración con el físico Müller.
Trátase de un cilindro metálico con un delgado filamento metálico en su interior haciendo de electrodo axial. Entre el filamento y el tubo se crea un potente campo eléctrico (de 500 a 800 voltios o más). Comúnmente, el filamento hace de electrodo positivo. El tubo se llena con gases raros a presión reducida, del orden de 1/100 de atmósferas.
Al pasar por el aparato, la partícula cargada ioniza el gas en su interior. Los electrones, desprendidos de los átomos van a parar al potente campo eléctrico existente entre el filamento y las paredes del tubo, adquieren gran velocidad de movimiento y, al chocar con los átomos del gas que encuentran a su paso en su vuelo hacia el filamento, comienzan ellos mismos a fraccionarlos formando iones. Acelerados por este mismo campo, los electrones secundarios adquieren también el poder de ionizar el gas. Los electrones correspondientes a la tercera generación, ionizan a su vez nuevos átomos y así sucesivamente. En fin, la aparición de un electrón en
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el tubo provoca la formación de toda una avalancha de electrones que se dirigen impetuosos hacia el filamento, es decir, engendra una breve corriente eléctrica (un impulso) entre los electrodos del tubo, que puede ser captado fácilmente por los aparatos y, cuando llegue el caso, reforzado en un amplificador de válvulas.
Para localizar y medir la radiactividad se emplean muchos tipos de detectores: a— detector de descargas gaseosas (radiómetro); b— detector de partículas alfa; c— dosímetro de bolsillo.
La sensibilidad del aparato es tan elevada que permite registrar la aparición de un solo electrón, el peso de una sola partícula cargada
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en el interior del tubo. Si se le conecta un contador especial (de impulsos) se podrá contar el número de partículas que pasan por el tubo cada segundo, dado que cada impulso corresponderá al paso de una partícula.
Por fin, si en lugar de las partículas cargadas pasan por el tubo partículas alfa, radiaciones X o gamma, el contador también las registra. Al impactar contra la superficie metálica del tubo, los rayos gamma desplazan electrones de los átomos del metal, y éstos, a su vez, al hallarse en el campo eléctrico entre el filamento y las paredes del tubo, se aceleran, expulsan electrones de los átomos del gas, etc. En este caso, el aparato funciona de la misma manera que cuando pasan por él partículas cargadas.
Si se agrupan paralelamente varios aparatos de este tipo, de modo que el contador de impulsos sólo funcione cuando coincidan las descargas en los tubos en posición vertical u horizontal, se podrá determinar con toda exactitud incluso la trayectoria de movimiento de las partículas ionizantes.
Existe multitud de variedades de estos aparatos destinados a registrar las diversas partículas y radiaciones. Se denominan contadores o detectores de Geiger-Müller. Los hay de grandes y pequeñas dimensiones, portátiles y fijos, de distinto grado de sensibilidad, hasta el punto de poder registrar partículas sueltas.
Estos contadores se emplean en todos los sectores del amplio frente de la ciencia y la técnica, que operan con los métodos de la Física nuclear. Son quizás los aparatos de uso más corriente para el registro de partículas invisibles.
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7. Niebla que permite ver lo invisible
Generalmente, cuando se ve mal o cuando algo impide la buena visibilidad se dice "parece sumido en la niebla" o “está nublado". Sin embargo, en algunos casos, por lo menos en el dominio de la Física, hay nieblas que permiten ver lo invisible.
Sabemos que el aire, por muy seco y transparente que sea, contiene siempre cierta humedad evaporada constantemente por los mares, lagos, ríos, plantas y por el suelo.
A veces, en los exámenes escolares, los profesores, sobre todo los quisquillosos, suelen preguntar a los chicos: “¿Se puede ver el vapor?", a lo cual el alumno olvidadizo da una respuesta afirmativa, pero apresurada y errónea. El vapor de agua es invisible, ya que sus moléculas se distribuyen uniformemente en el aire y no alteran su homogeneidad, de la misma forma que no se ven las moléculas de las sales disueltas en el agua.
Sin embargo, si estando el aire plenamente saturado de humedad, disminuye mucho la presión atmosférica, parte del vapor queda excedente. En este caso es cuando puede verse el vapor: las moléculas sueltas de vapor acuoso empiezan a agruparse, formando primeramente nubes de gotitas pequeñas, y luego gotas grandes que, no pudiendo ya flotar en el aire, se precipitan en forma de lluvia.
Este fenómeno va ligado a una circunstancia de mucho interés para las investigaciones nucleares: la humedad excedente se agrupa en gotas alrededor de las pequeñas partículas de polvo y de las
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partículas con carga eléctrica que se hallan en el aire. Esta es la razón de que se disperse encima de las nubes arena fina o polvos de distintas sustancias químicas cuando se quiere provocar lluvia artificial.
Representación esquemática de una cámara de Wilson.
El físico inglés Carlos Wilson, que se había dedicado muchos años al estudio del origen de las lluvias y las nieblas propuso en 1911 un procedimiento genial y sencillo para la observación directa del camino que siguen las partículas cargadas.
En una cámara llena de vapor sobresaturado en cantidad excesiva,
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produjo algo así como una niebla artificial, aprovechando como núcleos de condensación las partículas cargadas que pasan a través de la cámara. El esquema de la cámara de Wilson está representado en la figura adjunta.
Consta de un cilindro de vidrio con un émbolo que hace de fondo. El cilindro se llena de vapor saturado. Si se hace bajar rápidamente el émbolo, la presión en la cámara desciende bruscamente, dando lugar a la formación de vapor sobresaturado. Si el aire que se halla dentro del cilindro no contiene polvo u otras partículas en suspensión, las moléculas de vapor tendrán grandes dificultades para agruparse y constituir gotas, debido a lo cual durante cierto tiempo no podrá formarse niebla en la cámara.
Ahora bien, si en este momento pasa por la cámara una partícula cargada, chocará durante todo su camino con las moléculas de aire que encuentre a su paso dividiéndolas en iones, es decir, partículas cargadas que se convertirán inmediatamente en centros de condensación del vapor. La trayectoria de esta partícula se poblará de infinidad de minúsculas gotitas de agua depositadas en los iones y se perfilarán huellas longitudinales que se ven con particular nitidez a la luz lateral, cuando el interior del cilindro y el émbolo son de color negro mate.
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Trayectoria de las partículas cargadas vistas en la cámara de Wilson. En la parte superior puede verse una huella (aumentada). Se ven perfectamente las gotitas de vapor acuoso condensado.
Terminada la observación o la fotografía, debe colocarse el émbolo en su posición inicial y crear en la cámara un campo eléctrico para precipitar en sus paredes los iones del gas y las gotas formadas alrededor de ellos. Pasado cierto tiempo, el aparato queda preparado para la observación siguiente.
Este aparato de construcción tan simple permite registrar las huellas de las partículas que pasan por él y determinar algunas de sus propiedades. Por ejemplo, la anchura de la huella es un elemento de juicio para apreciar la velocidad de la partícula y la magnitud de su carga. Cuanto menor sea la velocidad o mayor su carga, tanto mayor será el número de moléculas de gas que podrá ionizar en cada centímetro de su trayectoria.
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Las partículas que pasan por el campo magnético se desvían de su trayectoria de acuerdo con su carga, masa y velocidad. Dos
partículas que salen de un mismo punto de una placa de plomo (las dos líneas claras en la fotografía hecha en la cámara de Wilson) se diferencian por su velocidad. La trayectoria de la más lenta es circular, mientras que la más rápida apenas se desvía de la línea recta. En la parte superior del dibujo se muestra la trayectoria de un electrón relativamente lento, emitido por el radio; en la parte inferior, un electrón rápido, observado en la radiación cósmica.
Si se hace una fotografía de las huellas que dejan las partículas de velocidad conocida y de las huellas de partículas de velocidad
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desconocida, se podrá determinar con bastante precisión la velocidad de estas últimas comparando la anchura o la densidad de unas y otras huellas.
De acuerdo con la ley de Coulomb, cuando se van aproximando dos núcleos atómicos comienzan a actuar entre ellos fuerzas de repulsión de magnitud creciente. Si la distancia entre ellos se reduce a la mitad, la fuerza de repulsión se cuadruplica, y así sucesivamente.
Por la longitud de la huella, mejor dicho, por el número de gotitas que la forman, siempre que el comienzo y el fin se hallen dentro de
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la cámara, se puede establecer el número de pares de iones originados por la partícula cargada en cuestión.
Una vez conocida la energía necesaria para formar un par de iones, se puede calcular la energía total que tenía la partícula al aparecer en la cámara.
Posteriormente, la cámara de Wilson fue muy perfeccionada. Una aportación de particular valor hizo en este sentido el físico soviético D. Skobeltsín, que en 1927 propuso introducir la cámara en un potente campo magnético.
Este, a! entrar en interacción con las partículas cargadas las obliga a desviarse de su camino, gracias a lo cual se puede determinar el signo de su carga, así como la energía y la velocidad de las partículas, ya que cuanto más veloz sea una partícula cargada y cuanto mayor sea su masa tanto menor será la desviación que experimente su trayectoria por efecto del campo magnético.
8. Un mundo de partículas minúsculas y de energías colosales
Pese a las digresiones voluntarias e involuntarias que hemos hecho durante la exposición de los capítulos precedentes, no nos deja de interesar la cuestión fundamental del relato: ¿por qué las acciones físicas y las reacciones químicas más diversas no son capaces de causar la más mínima alteración en el núcleo del átomo?
La respuesta consiste en que bajo el efecto de las fuerzas y energías habituales, los átomos pueden aproximarse uno al otro sólo hasta tocarse y entraren interacción sus capas electrónicas corticales externas.
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Mientras tanto, los núcleos, debido a sus insignificantes dimensiones, continúan hallándose a enormes distancias el uno del otro.
Cualquier clase de reacción entre los núcleos, con la consiguiente modificación de los mismos, puede lograrse únicamente si se halla el medio apropiado para obligarlos a entrar en contacto. A este contacto entre ellos, como ya hemos visto, se oponen las cargas positivas de los núcleos atómicos.
Las fuerzas de repulsión que actúan en este caso son, de acuerdo con la ley de Coulomb, directamente proporcionales a la magnitud de estas cargas e inversamente al cuadrado de la distancia entre los centros de los núcleos. A primera vista, las fuerzas de repulsión que actúan entre los núcleos atómicos, de masa y volumen ínfimos, pueden parecer absolutamente insignificantes. Sin embargo, en la realidad no es así. Las fuerzas de repulsión de los cuerpos electrizados, a distancias próximas a las dimensiones de los núcleos atómicos, resultan ser fabulosamente grandes.
El núcleo del átomo es una acumulación de varias partículas cargadas positivamente.
La energía invertida en la compresión de esta combinación de minúsculas partículas que se repelen con fuerza violenta es millones de veces mayor que la empleada u obtenida hasta ahora en las reacciones químicas corrientes, donde todas las interacciones de los átomos se limitan únicamente al contacto de sus capas electrónicas externas.
Entonces, ¿qué fuerzas mantienen a todas estas partículas unidas y
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no las dejan dispersarse?, ¿cuál es su magnitud exacta y qué medios existen para liberar estas fuerzas?
Por el momento dejamos estas preguntas sin respuesta, á fin de dar a conocer otros aspectos, no menos misteriosos, de la estructura del átomo y de su enigma principal, el núcleo.
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Capítulo IV
El neutrón
Contenido:
1. Una nueva radiación
2. La llave de los tesoros del núcleo atómico
3. Neutrones
4. El enigma de la estructura del núcleo atómico
5. Radiactividad artificial
6. "Artillería" cósmica
7. En la encrucijada
1. Una nueva radiación
El estudio del fenómeno de la radiactividad ha hecho llegar en su tiempo a una determinada conclusión acerca de la estructura del núcleo atómico. Los hombres de ciencia consideraban que además de los protones, en su composición intervenían también electrones, encargados de neutralizar la carga de los protones excedentes. Una prueba de ello se veía en la desintegración beta: de los núcleos de los elementos radiactivos salían disparados auténticos electrones.
Todo parecía justo y convincente. No obstante, los descubrimientos posteriores demostraron que en el núcleo no puede haber electrones. Ahora bien, de acuerdo con fas teorías anteriores debía haber electrones en los núcleos de todos los elementos, excepto en el del hidrógeno.
Surgió un nuevo enigma en una cuestión que parecía clara y explicada desde hacía mucho tiempo.
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No quedaba más que admitir la hipótesis de que en c) núcleo existen partículas de masa igual al protón, pero sin carga eléctrica.
Esta idea era tan seductora que la expusieron simultáneamente en 1920 tres físicos de tres países distintos: Rutherford (Inglaterra). Masson (Australia) y Harkins (EE. UN.). El físico americano llegó incluso a proponer que la partícula, aún desconocida, pero supuesta, se denominara neutrón.
Empero, dados los recursos y métodos científicos de la época, no se logró descubrir esta partícula desprovista de carga eléctrica.
Esta es la razón de que el problema de su existencia quedase pendiente tanto tiempo hasta que los físicos no tropezaron en 1930 con un fenómeno incomprensible.
2. La llave de los tesoros del núcleo atómico
¡Inesperado!... ¡De repente! Así empiezan a menudo las descripciones de los momentos más dramáticos que llevan a los hombres de ciencia y a los inventores a (os mayores y más importantes descubrimientos técnicos y científicos.
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¿Qué cabe entender por “núcleo excitado" del átomo y qué relación guarda con la temperatura? Para facilitar la comprensión de esto se representa aquí en el interior del núcleo un termómetro con dos escalas: una señala la energía de movimiento de las partículas que forman el núcleo (en millones de electrones voltio); la otra indica la temperatura (en miles de millones de grados) que corresponde al movimiento de las partículas nucleares con tal energía: 1 — el neutrón se aproxima al núcleo bombardeado; 2 — al producirse el choque del neutrón con el núcleo, éste se excita, el movimiento de sus partículas integrantes adquiere la energía de 10 MeV; en consecuencia la temperatura interior del núcleo, equivalente a este movimiento, alcanza 70 mil millones de grados; 3 — el núcleo,
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intensamente excitado, se ve obligado a desprender (evaporar) una partícula excedente (un nucleón), con lo cual disminuye la energía del movimiento de sus partículas y, por consiguiente, la temperatura; 4 — el núcleo todavía excitado emite un cuanto de rayos gamma, después de lo cual vuelve, por fin, a su estado normal.
Tras de leer los relatos de algunos casos de esta índole, el lector llegará a la conclusión de que la mayoría de los descubrimientos en la ciencia y en la técnica se debe, en efecto, al azar o aquellos autores de los libros confieren demasiada importancia a la casualidad en lugar de atribuirlo a la previsión creadora.
Efectivamente, todo parece ser fortuito: Röntgen descubrió “casualmente" los rayos que llevan su nombre; Becquerel descubrió "por error" el fenómeno de la radiactividad; Oersted, la interacción de la corriente eléctrica y el imán, etc.
Experimento que permitió descubrir una nueva partícula, el neutrón. Al absorber partículas alfa, los átomos de berilio desprenden los neutrones que pasan inadvertidos. Estos últimos, al impactar en los núcleos de los átomos del hidrógeno integrante de la parafina, desalojan a los protones, que son capturados por el detector de Geiger.
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Si nos paramos a pensar cómo ocurre la mayor parte de los grandes y pequeños descubrimientos, veremos que son, en verdad, casuales; mejor dicho, los descubrimientos algo inopinados resultan ser muchas veces nada más que eslabones de cadenas de investigaciones y experimentos que ineludiblemente culminan en auténticos descubrimientos. Y si un sabio deja de hacer uno u otro descubrimiento, lo hará otro sabio o algunos de sus discípulos, o en todo caso se hará durante la vida de la generación venidera. Sabemos que el objetivo de Röntgen era conocer las propiedades de los flujos rápidos de electrones. Becquerel estaba empeñado en desentrañar el misterio de la luminiscencia de un sector del tubo catódico. Oersted invirtió varios años en las búsquedas de las relaciones que existen entre la electricidad y el magnetismo.
Si una persona cualquiera va a explorar una comarca ignota de un país, todo le parecerá interesante: la Naturaleza, la fauna y la flora, etc., en fin, todo lo que existe allí. La imaginación romántica concibe los cuadros de los posibles descubrimientos en la forma más seductora. Se escala una cordillera y ante la vista se abre el panorama de un maravilloso lago enmarcado en unas orillas encantadoras.
¿Inesperado? Sí. ¿De repente? No cabe la menor duda. Sin embargo, precisamente este lago era lo que buscaba el explorador sin sospecharlo al emprender el viaje.
Por eso que nos perdone el lector si entusiasmados con uno u otro descubrimiento científico, empezarnos su descripción, de tarde en
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tarde, con las palabras: “¡Inesperado!", “¡De repente!".
Fue así que en la búsqueda de accesos, aunque no fuesen más que estrechos senderos que llevasen al enigmático núcleo del átomo, los físicos alemanes W. Bothe y H. Becker se vieron en 1930 en un callejón sin salida, al dar con un fenómeno completamente contrario al que esperaban cuando iniciaron el experimento.
Al estudiar la interacción de los distintos elementos con los “proyectiles atómicos", es decir, las partículas alfa, los hombres de ciencia bombardeaban con estos proyectiles el litio, el berilio, el boro. Estos elementos son de los más ligeros: sus núcleos contienen menos protones que los de la mayor parte de los demás elementos. Los investigadores querían ver qué resultaría al impactar en ellos el núcleo del helio, que es un "proyectil atómico" de masa análoga.
Vieron que, en efecto, sucedía algo extraño. Los elementos bombardeados empiezan en estos casos a emitir una radiación muy débil, pero dotada de extraordinario poder de penetración. Las pantallas que absorbían totalmente los rayos gamma apenas debilitaban la intensidad de la nueva radiación.
Durante los dos años siguientes, muchos hombres de ciencia se dedicaron al estudio de la singular radiación, haciendo infinidad de experimentos.
Irene Curie (hija de María Sklodowska y de Pierre Curie) y su marido Federico Joliot observaron otro fenómeno curioso, mediante el cual pronto se pudo explicar la naturaleza de esta radiación y, luego, la estructura de los núcleos.
Los experimentadores interceptaron la trayectoria de los rayos
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investigados con una placa de parafina, materia que contiene hidrógeno.
Nada más iniciarse la radiación, la parafina comenzó a despedir protones —núcleos atómicos de hidrógeno— expulsados por la misteriosa radiación.
Los rayos gamma no podían expulsar de la parafina protones de semejantes velocidades. Para ello, les faltaba energía. ¿Qué era, pues, esa radiación tan extraña?
3. Neutrones
Tan sólo a fines (fe 1932, el físico inglés J. Chadwick demostró tras una serie de experimentos análogos que, efectivamente, la nueva radiación no tenía nada que ver con los rayos gamma, sino que era un flujo de partículas neutras de masa idéntica a la de los protones. Tratábase precisamente de los neutrones, partículas de cuya existencia habían hablado ya los investigadores.
Moviéndose a gran velocidad, estas partículas con esa masa podían, indudablemente, expulsar de la parafina los núcleos del hidrógeno y„ como no tenían carga, nada les impedía entrar en interacción con los núcleos de los elementos.
De esta manera Bothe y Becker dieron por vez primera con las huellas de dicha partícula, tan necesaria para los físicos.
El descubrimiento del neutrón se retrasó debido precisamente a sus asombrosas propiedades, ya que los hombres de ciencia de entonces no disponían de aparatos que permitiesen observar la partícula neutra.
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Como hemos dicho ya, las partículas cargadas, al aproximarse a los átomos de otras sustancias entran, en virtud de su carga, en interacción eléctrica con las envolturas electrónicas de estos átomos.
En resumidas cuentas, se produce la ionización de la sustancia, fenómeno que puede ser registrado por medio de aparatos especiales.
El neutrón, debido a que está privado de carga eléctrica, resultó ser una excepción. Atraviesa tranquilamente las diversas capas electrónicas que envuelven a los átomos, ya que éstas no ejercen el menor efecto sobre él. Igualmente insensible se mostró el neutrón respecto a la carga positiva del núcleo.
Sólo al hallarse casi en contacto directo con el núcleo atómico, a una distancia igual a su diámetro, el neutrón se ve sometido a la acción de fuerzas nuevas, las llamadas intranucleares, diferentes de todas las fuerzas conocidas. No tienen nada que ver con las fuerzas eléctricas de atracción ni de repulsión, ni tampoco con las de gravitación, etc. Más adelante nos ocuparemos de ellas.
De momento no señalaremos más que una circunstancia importantísima que nos facilitará la comprensión de todo lo que sigue. Son precisamente estas fuerzas, de extraordinaria potencia, las que mantienen tan unidas las partículas de carga positiva, los protones, que debido a esas mismas cargas deben repelerse con fuerza fabulosa. A ellas debe el núcleo su forma esférica estable cuando se halla en estado normal.
Una vez en la zona de acción de las fuerzas intranucleares, el
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neutrón penetra en el núcleo del átomo alterando, en cierto grado, el equilibrio de fuerzas que hasta entonces existía en él, ya que inmediatamente el núcleo adquiere un movimiento intenso, o como suelen decir, entra en un estado de excitación, que corresponde a elevadísimas temperaturas del orden de miles de millones de grados, por cuya razón puede “emitir" una o varias partículas.
Ahora bien, esta penetración del neutrón en el interior del átomo, así como su absorción no se produce siempre, sino sólo cuando se dan condiciones muy favorables para ello.
Los protones que salían despedidos de la parafina en los experimentos de Joliot se interpusieron casualmente en la trayectoria del neutrón.
En tal interacción, el neutrón puede entregar parte de su energía al núcleo de hidrógeno, continuando después su movimiento con menos velocidad. Es natural que cuanto menor sea la masa del núcleo con la que ha chocado el neutrón, tanto mayor será la energía que podría transmitirle.
Por esta razón se observa mejor este fenómeno en las sustancias con reducido peso atómico. El peso mínimo corresponde, como se sabe, a los núcleos de hidrógeno. Así se explica la interacción tan típica y evidente de los neutrones con los núcleos atómicos en la parafina. Dicha sustancia contiene multitud de átomos de hidrógeno.
El gobierno y control del movimiento de los neutrones presentó no menos dificultades que su registro, también debido a que las partículas carecen de carga eléctrica.
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Es relativamente fácil cambiar la velocidad de cualquier partícula cargada, valiéndose de campos eléctricos y magnéticos, lanzarla en la dirección que le convenga al investigador. Todo ello es plenamente factible incluso para las partículas con energías muy elevadas. El problema consiste únicamente en crear campos de potencia suficiente. Ahora bien, el neutrón, prácticamente, no se deja influir ni por el campo magnético ni por el eléctrico.
Por eso, el único medio de actuar sobre el neutrón, de influir en su movimiento, consiste precisamente en interponer en su camino núcleos de distintos elementos, los cuales al entrar en colisión, disminuirán la velocidad del neutrón y cambiarán su trayectoria.
Algunos elementos tienen la propiedad de absorber los neutrones. Esta propiedad también la utilizan los físicos, ya que por los procedimientos corrientes no se puede absorber la radiación neutrónica. Incluso gruesos filtros de plomo, capaces de absorber radiaciones gamma de alta intensidad, nada pueden hacer en la lucha contra los neutrones.
La base de la protección contra las radiaciones consiste en que la partícula o la radiación pierde parte de su energía al entrar en interacción con las envolturas electrónicas de los átomos que constituyen la sustancia de la pantalla protectora. Esta interacción no se verifica, precisamente, en los neutrones.
En cambio, una delgada placa de cadmio, a través de la cual pasan con tanta facilidad los rayos gamma, es un obstáculo insuperable para los neutrones. Esto se debe a que los átomos de cadmio absorben con gran avidez estas partículas neutras.
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Todavía hablaremos mucho de la interacción de los neutrones con la sustancia, de la moderación y absorción de los mismos. Son problemas muy importantes de la Física neutrónica, base de la Energética nuclear, rama gigantesca de la técnica de nuestros días. Por eso, todas las cuestiones relacionadas con los neutrones se estudian con particular amplitud y detalle.
La masa del neutrón es casi igual a la del protón. Casi, pero no coincide totalmente. Si tornamos como base el isótopo del oxígeno O16 y aceptamos por unidad la 1/16 parte de la masa, esta magnitud será para el protón igual a 1,00759, y para el neutrón, 1,00898. La diferencia no es grande, pero, como veremos más adelante, de importancia crucial.
Los neutrones libres son radiactivos. No pueden hallarse durante tiempo prolongado en estado libre y se desintegran originando un protón, un electrón y un neutrino, partícula con carga 0 y masa insignificante, de la que nos ocuparemos más adelante.
En la naturaleza no existen fuentes naturales de neutrones excepción hecha de un reducido número de partículas que aparecen espontáneamente en el interior del uranio, elemento pesado, y en los rayos cósmicos.
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La "cédula de identidad" del neutrón.
Los neutrones de los rayos cósmicos, como lo han demostrado los hombres de ciencia, aparecen en la envoltura gaseosa de la Tierra a consecuencia de los choques de partículas rápidas cargadas, que irrumpen en la atmósfera, procedentes del Cosmos, con los átomos de los gases atmosféricos.
En la interacción de las partículas alfa con el berilio es donde surge mayor número de neutrones. Por ello, las fuentes principales de neutrones son los compuestos radioberílicos y radonberílicos. Bajo la acción de las partículas alfa del radio y del radón, el berilio comienza a emitir neutrones.
Vemos, por tanto, que es mucho más difícil captar los neutrones que las partículas cargadas. Su observación sólo es posible a base de métodos indirectos.
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Uno de estos métodos consiste precisamente en interponer núcleos del hidrógeno en la trayectoria de los corpúsculos neutros. El núcleo de repercusión, es decir, la partícula cargada que salta a un lado durante la colisión con el neutrón puede observarse por los procedimientos corrientes.
Los demás métodos para registrar neutrones, también indirectos, se funden en la captura de los neutrones por los núcleos atómicos. En este caso, el núcleo nuevo, compuesto, puede despedir cualquier otra partícula, pero ya provista de carga eléctrica, y, por consiguiente, factible de ser registrada mediante instrumentos de medición. El nuevo núcleo puede emitir rayos gamma, lo que también ofrece una posibilidad para realizar el registro. De todo eso hablaremos más detalladamente al describir las interesantes reacciones nucleares que se producen con participación de neutrones.
4. El enigma de la estructura del núcleo atómico
El acontecimiento más importante de toda la historia de la Física nuclear moderna ha sido el descubrimiento del neutrón. Ello permitió poner en claro uno de los momentos, hasta cierto punto inexplicable, que impedía llegar al establecimiento de la estructura del núcleo atómico, cosa que preocupaba desde hacía mucho a los físicos. Quedó claro para todos que en el núcleo atómico no hay electrones, que la partícula integrante fundamental del núcleo, a la par del protón, era el recién descubierto neutrón.
La nueva teoría de la estructura del núcleo fue formulada en 1932
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por los físicos soviéticos Evgueni Gapón y Dmitri Ivanenko.
De acuerdo con esta hipótesis, los núcleos de todos los átomos constan de protones y neutrones. El número de protones en el núcleo es igual a la suma de sus cargas positivas, es decir, al número atómico del elemento en el Sistema Periódico de Mendeleev; la masa de los protones y neutrones, es el peso atómico.
Esta teoría parte de que el núcleo del helio, por ejemplo, consta de dos protones y dos neutrones. Cada protón posee una carga eléctrica positiva, razón por la cual la carga del núcleo del átomo de helio es igual a 2, y en su órbita electrónica giran dos electrones.
El número total de protones y neutrones del átomo de helio es igual a 4, que es precisamente el valor de su peso atómico.
De la misma forma, el núcleo del átomo de litio tiene tres protones, el número atómico del litio es 3, siendo ése el número de neutrones en dicho núcleo. Aquí también la suma de todos los protones y neutrones, es decir, de todas las partículas que integran el núcleo, cuyo número total es 6, corresponde al peso atómico del elemento.
La existencia del neutrón permitió explicar fácilmente la existencia de los isótopos. El peso atómico de cada isótopo depende del número de neutrones contenidos en su núcleo.
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Este es el cuadro que ofrece el núcleo atómico a partir de 1932, en consonancia con la teoría de los físicos soviéticos E. Capón y D. Ivanenko.
La nueva teoría de la estructura del núcleo atómico fue reconocida con la rapidez del relámpago, ya que se veía confirmada por multitud de datos acumulados hacia la época de su aparición, los explicaba y, al mismo tiempo, señalaba a los sabios nuevas vías de experimentación, ofrecía nuevos materiales para diferentes investigaciones de carácter teórico.
¿Qué pasa, pues, con el núcleo del átomo durante la desintegración radiactiva, cuando se desprende de él, por ejemplo, una partícula alfa?
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Es natural que el nuevo núcleo formado, al perder dos protones con carga positiva (y dos neutrones) ya no pueda retener el número de electrones precedente ni conservar la distribución anterior de los mismos en sus órbitas. Es inevitable que las capas electrónicas del átomo tengan que reorganizarse con objeto de adaptarse a las nuevas condiciones de existencia, debido a lo cual dos electrones se ven privados de su lugar en la órbita, resultan superfluos, y como nada los retiene en el átomo, lo abandonan.
Muy otro es el fenómeno que se verifica en desintegración beta. Al despedir del núcleo (precisamente del núcleo y no de las órbitas electrónicas) un electrón, el núcleo pierde una carga negativa, aumentando, por lo tanto, en una unidad su carga positiva total. También en este caso tienen que ocurrir cambios en la órbita electrónica del átomo: hay que capturar donde sea el electrón que le falta, y, de esta forma, contrarrestar o neutralizar la carga positiva que acaba de originarse en el núcleo del átomo.
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El descubrimiento del neutrón permitió explicar con facilidad la estructura de los núcleos atómicos de los isótopos de distintos elementos. Resultó que la diferencia de masa no dependía más que del número de neutrones en el núcleo.
En consecuencia, se forma un nuevo átomo cuyo lugar en el Sistema Periódico de Mendeleev ya no corresponde a la misma casilla que ocupaba antes de la desintegración beta, sino a la siguiente, a pesar de que su peso atómico no ha sufrido la menor variación. Así se explica, en particular, que en una misma sustancia radiactiva siempre puedan encontrarse átomos de distintos elementos.
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La existencia de distinto número de neutrones y protones en el núcleo
permite explicar otro fenómeno más, os decir, el caso cumulo los núcleos con idéntica masa (numero de nucleones) resultan ser isótopos de distintos elementos, llamados isóbaros. En el dibujo se muestra la diferencia entre los isótopos y los isóbaros.
De ahí que en la Naturaleza pueden existir átomos de idéntico peso atómico, pero correspondientes a distintas casillas de la Tabla de Mendeleev, es decir, ser átomos de elementos distintos. Estos átomos se llaman isóbaros.
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Tres tipos de desintegración radiactiva do núcleos atómicos: A — desintegración con desprendimiento de partículas alfa; /i - en la radiactividad artificial, los núcleos atómicos emiten positrones (partículas con carpa positiva) de masa absolutamente igual a la «leí electrón; C — desintegración con emisión de electrones.
Por ejemplo, si en un núcleo atómico existen cinco protones y cinco neutrones, mientras que en otro se encuentran cinco protones y seis neutrones, por el número de protones, es decir, cargas positivas (cinco), ambos serán isótopos de un mismo elemento, el boro, y se distinguirán únicamente por su masa (peso atómico): la del primero será 10 y la del segundo, 11.
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En la desintegración radiactiva del núcleo atómico, el electrón sólo puede desprenderse si un neutrón (leí núcleo inestable se convierte en protón. El átomo que resulta de tal reacción nuclear conserva su masa, pero, debido al aumento en una unidad de la carga positiva de su núcleo, se transforma en isótopo ligero del elemento que se halla en la casilla inmediata a la derecha en la Tabla Periódica de Mendeleev. Si en la desintegración radiactiva del núcleo atómico se desprende un positrón (esto ocurre en la desintegración de los elementos radiactivos artificiales) uno de los protones del núcleo se transforma en neutrón. El átomo que resulta de tal reacción conserva su masa, pero, dada la disminución en una unidad de la carga eléctrica de su núcleo, se convierte en isótopo pesado del elemento que se halla en la casilla inmediata anterior (a la izquierda) de la Tabla de Mendeleev.
Si en el núcleo del átomo de masa 10 existen en un caso cuatro protones y seis neutrones, y en otro, cinco protones y cinco
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neutrones, se tratará ya de átomos de distintos elementos: el primero, del berilio, el segundo, del boro.
Existen átomos de potasio y de calcio con igual masa 40, átomos de cadmio y de estaño con idénticas masas 112, 114, 116 y así sucesivamente.
Ahora bien, si en el núcleo no hay electrones ¿cómo aparecen durante la desintegración radiactiva?. Esta pregunta se planteó, lógicamente, en cuanto se formuló la nueva teoría de la estructura del núcleo.
Según dicha teoría, el neutrón y el protón pueden considerarse, como una sola partícula denominada nucleón. El nucleón tiene dos estados: el neutrónico y el protónico.
Al producirse la desintegración beta, un neutrón del núcleo pasa al estado protónico. Entonces es cuando aparece el electrón. Su carga está llamada a compensar la carga positiva del neutrón recién nacido. Sin embargo, en virtud de las leyes que rigen la reacción nuclear de la desintegración beta, este electrón debe abandonar inmediatamente el núcleo y lo abandona desprendiéndose en forma de partícula beta. La carga positiva total del núcleo aumenta, pues, en una unidad.
A su vez, el protón también puede convertirse en neutrón. Pero en este caso debe desaparecer su carga. Se la lleva una partícula que es copia exacta del electrón, pero con la única diferencia de que su carga es positiva. Esta partícula se denomina positrón.
5. Radiactividad artificial
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El bombardeo de los átomos de unos elementos con partículas alfa para transformarlos en otros daba los mejores resultados cuando se elegían como blanco los más ligeros: el litio, el berilio, el boro.
La energía de las partículas alfa, emitidas durante la desintegración de las sustancias radiactivas, era a todas luces insuficiente para destruir los núcleos de elementos más pesados. La carga positiva total del gran número de protones de estos núcleos obligaba a desviarse de su trayectoria hasta a las partículas alfa más rápidas.
Para este fin convendría emplear los neutrones, sobre los cuales no puede ejercer influencia alguna la potente carga positiva de los núcleos pesados.
No obstante, las fuentes emisoras existentes a la sazón daban muy pocos neutrones. 1 gramo de radio no lograba desalojar de la placa de berilio más que 107 neutrones por segundo. Tal flujo de proyectiles, aun teniendo en cuenta la facilidad que tienen los neutrones de penetrar en los núcleos atómicos, es insignificante en el mundo de las partículas elementales.
Movidos por su afán de lograr un flujo mucho más intenso de neutrones, los físicos Irene y Federico .Joliot-Curie descubrieron en 1934 un fenómeno admirable, completamente nuevo, que vino a ampliar los fundamentos de la Física y la técnica nucleares de nuestros días. Para sus experimentes emplearon el polonio puro, más activo que el radio y capaz de emitir partículas alfa con energía superior a 5 MeV.
Este poderoso flujo de partículas alfa se aprovechó para bombardear distintas sustancias, entre ellas, el boro, el aluminio y el magnesio.
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Los esposos Joliot-Curie, con objeto de esclarecer todos los pormenores de la composición de la radiación secundaria que aparecía al producirse este bombardeo, emplearon en sus experimentos la cámara de Wilson.
Al dirigir a la cámara un haz de radiación procedente del aluminio bombardeado, los investigadores descubrieron un gran número de huellas de partículas positivas ligeras. Eran precisamente las huellas de positrones, electrones positivos descubiertos hacía dos años por el físico americano Anderson.
Fotografía (la primera en el mundo) de la huella dejada en la cámara de Wilson por un positrón, partícula que sólo se distingue del electrón por el signo de su carga.
Junto con los neutrones, los positrones eran desprendidos por las sustancias bombardeadas.
Pero, lo más interesante vino después. Cuando se suprimió la fuente emisora de partículas alfa, es decir, cuando cesó el
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bombardeo de la placa de aluminio y, como era de esperar, desaparecieron los neutrones. Sin embargo, continuó el desprendimiento de positrones, disminuyendo paulatinamente su intensidad. Cada 2.5 minutos, el número de positrones emitidos se reducía a la mitad.
Ninguno de los elementos radiactivos naturales conocidos poseía ese periodo de semidesintegración. Además, a diferencia de la radiactividad natural, la emisión de positrones por la placa de aluminio se reanudaba en cuanto se volvía a bombardear el aluminio con partículas alfa.
Todo ello era prueba de que por efecto de la irradiación con partículas alfa se formaba en el aluminio cierto elemento artificial nuevo cuya desintegración radiactiva iba acompañada de emisión de positrones.
Estudios más detallados de este nuevo tipo de reacción nuclear permitieron establecer que el núcleo del átomo de aluminio (Al1327), al capturar una partícula alfa (He24), desprende un neutrón y se convierte en el isótopo del fósforo con peso atómico 30 (P1530). Sin embargo, no existen isótopos estables del fósforo con tal masa. Por esta razón, dicho isótopo debe desintegrarse. En el proceso de esta desintegración desprende precisamente el positrón. Esto sólo ocurre en el caso de que en el núcleo del átomo de fósforo uno de los protones se convierta en neutrón, dando lugar a la formación de un positrón, en estas condiciones, en vez del insólito fósforo se forma silicio (Si1430) con una unidad menos en la carga del núcleo.
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Esquema del experimento que condujo a Irene y Federico Joliot-Curie al descubrimiento de la radiactividad artificial. El aluminio bombardeado por partículas alfa continúa emitiendo positrones
incluso después de interponerse entre él y el manantial de partículas alfa una pantalla de plomo que intercepta totalmente el paso a dichas partículas. Parte de los átomos de aluminio se ha convertido en fósforo radiactivo inestable, el cual, al transmutarse en silicio, emite positrones.
Dicho con otras palabras, en la nueva reacción, el núcleo debía perder una carga eléctrica positiva excedente, pero conservar invariable la masa.
Ya hemos hablado de la posibilidad de tal transformación del protón en neutrón.
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El proceso puede representarse de la siguiente manera:
El fósforo radiactivo formado de este modo se desintegra y, tras de emitir un positrón, se convierte en silicio:
Después de este descubrimiento, los científicos de distintos países pasaron a bombardear con partículas nucleares todos los elementos químicos de la Tabla Periódica de Mendeleev. De esta forma se puso en claro que casi todos los elementos pueden originar nuevos isótopos radiactivos. En breve plazo el número de estas fuentes radiactivas artificiales llegó a 1.000, y cada año se descubren nuevos y nuevos isótopos.
En la actualidad, los isótopos radiactivos artificiales ocupan un lugar de extraordinaria importancia en la ciencia y la técnica.
Con su ayuda se efectúan numerosas investigaciones en el dominio de la Física de los elementos trazadores; los átomos de distintas sustancias se hacen radiactivos artificialmente, se les “marca", después de lo cual se estudia su distribución e interacción en la sustancia en la cual han sido mezclados.
La esencia del método consiste en que los átomos radiactivos pueden ser registrados debido a su radiación, portándose en todos los demás aspectos como átomos corrientes, estables.
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Es imposible calcular el valor tan inmenso que tuvo para la Humanidad la gran aportación de los esposos Joliot-Curie con su descubrimiento.
6. "Artillería" cósmica
Numerosos experimentos de bombardeo de átomos con partículas cargadas mostraron que para la consecución del objetivo es preciso aumentar la energía de estos “proyectiles atómicos", es decir, incrementar su velocidad. Ello es fácil de comprender. Cuanto mayor sea la energía de la partícula, más hondo penetrará en las misteriosas profundidades del núcleo y más difícil será hacerla desviar de su trayectoria.
Los hombres de ciencia procedieron a la construcción de máquinas para aumentar la velocidad de las partículas, de instalaciones denominadas aceleradores.
Se idearon dos tipos de instalaciones: aceleradores de partículas pesadas y las destinadas a acelerar el movimiento de los electrones. Precisamente en estas dos direcciones se encauzó el desarrollo de la técnica de construcción de aceleradores.
Las principales reacciones nucleares, la transmutación de los núcleos se producen con la participación de partículas pesadas.
A esto se debe la multitud de tipos de instalaciones destinadas a acelerar dichas partículas. Estas instalaciones pueden «acelerar distintos tipos de partículas pesadas: partículas alfa, protones, deuterones (núcleos del isótopo pesado de hidrógeno), etc. y otras más pesadas aún.
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La velocidad de una partícula cargada puede aumentarse mediante un campo eléctrico, en tanto que para cambiar su movimiento se emplean el campo eléctrico o el magnético. En estos dos campos se basa el funcionamiento de todos los modelos de aceleradores
modernos. Unas veces se emplean juntos, otras, independientemente.
Por ejemplo, en el ciclotrón, el acelerador más corriente, se emplea el campo eléctrico para acelerar las partículas, mientras que el magnético se utiliza para obligarlas a moverse a lo largo de los arcos del círculo. Dado que a medida que se van acelerando los electrones aumenta el radio de los arcos, la partícula describirá en tales aceleradores una trayectoria helicoidal.
Al seguir su trayectoria en espiral en el campo eléctrico alterno de aceleración en el ciclotrón, la partícula cargada adquiere una enorme
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velocidad. Ahora bien, a medida que crece la velocidad del movimiento de la partícula cargada aumenta paulatinamente su
masa, debido a lo cual la partícula comienza a retrasarse y no puede ya seguir los cambios de tensión que la aceleran. En consecuencia, sobreviene un momento en que se hace ya imposible acelerar más la partícula. Para superar tal limitación, la frecuencia de la tensión aceleradora se disminuye según vaya aumentando la velocidad y, por consiguiente, la masa de la partícula. Ello permito prácticamente acelerar las partículas hasta energías de miles de millones de electrones voltio. En este principio se basa el funcionamiento del sincrociclotrón moderno.
Examinemos con mayor detalle lo que es un acelerador lineal. Es un tubo recto de varias decenas de metros de longitud, del que se ha extraído escrupulosamente el aire.
En su interior están dispuestos unos a continuación de otros, gran número de pequeños tubitos de latón, cuya longitud va aumentando a medida que se alejan con respecto a la entrada en el acelerador. Los iones cargados positivamente, procedentes de un manantial especial, se aceleran previamente en un pequeño tubo hasta que adquieren una energía del orden de 100 a 200 mil electrones voltio, después de lo cual van a parar al acelerador lineal propiamente dicho. A cada dos tubitos contiguos se suministra corriente alterna de tensión no muy elevada producida por un generador de alta frecuencia. En consecuencia, la tensión eléctrica en cada electrodo de aceleración cambia constantemente tanto de magnitud como de
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signo, ya positiva, ya negativa.
La función fundamental del acelerador lineal consiste precisamente en cambiar la tensión en los electrodos de tal manera que, al pasar por la diferencia de potencial, la partícula acelerada positivamente aumente sin cesar su velocidad, lo que sólo puede lograrse si la alta tensión eléctrica negativa se halla siempre delante de la partícula en movimiento, en el momento en que ésta pasa por cualquiera de los intervalos entre los electrodos. Esto se parece al procedimiento anecdótico de arrear al camello perezoso. Se ata a una vara un brazado de heno fresco y apetitoso de modo que quede pendiente delante de sus narices.
También se puede incrementar la velocidad de las partículas en el acelerador lineal mediante su aceleración sucesiva en cada electrodo. A medida que crece la velocidad y, por consiguiente, la masa de la partícula, debe aumentarse la longitud de los electrodos de aceleración.
Él animal trata de alcanzar la golosina marchando más de prisa,
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pero el heno se aleja con la misma velocidad con que avanza el propio camello.
Por ejemplo, cuando una partícula cargada positivamente se aproxima al electrodo tubular es preciso que el potencial eléctrico del tubo en cuestión tenga la magnitud máxima negativa y atraiga la partícula a su interior. Después de que la partícula pase por el tubo y esté a punto de abandonarlo, el potencial del tubo debe cambiar y adquirir la magnitud máxima positiva, a fin de repeler e impulsar la partícula más hacia adelante. La carga máxima negativa debe conectarse en ese momento al tubo siguiente, y así sucesivamente.
Caso de que no se observe esta alternancia de las cargas en los tubos a tono (en resonancia) con el movimiento de la partícula, ésta no se acelerará, sino, al contrario, se frenará. En virtud de que la velocidad de las partículas aumenta continuamente en el acelerador, mientras que la frecuencia del cambio de la tensión eléctrica en cada par de electrodos se mantiene siempre la misma, los tubos tienen que ser cada vez más largos, pues la tensión de aceleración actúa sobre la partícula solamente en el espacio comprendido entre los tubos, en el interior del tubo, las partículas separadas no se hallan influenciadas por el campo eléctrico, y se mueven a velocidad constante o, como suele decirse, se “hallan a la deriva".
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Así vienen aumentando la energía de los aceleradores de partículas nucleares y sus dimensiones a partir de 1935.
Así, pues, mediante múltiples impulsos en los intervalos de aceleración producidos por una tensión eléctrica de magnitud no muy alta, pero que actúa en resonancia con la velocidad siempre creciente de las partículas, se consigue imprimir enormes energías, del orden de decenas de millones de electrones voltio, a las
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partículas de carga positiva, y del orden de centenares de millones de electrones voltio a los electrones. Aumentando la longitud de los aceleradores lineales, se pueden obtener energías de magnitudes cósmicas, o sea de miles de millones de electrones voltio.
El acelerador lineal funciona tanto mejor cuanto más perfecto sea el vacío en su interior. A esto se debe la complejidad y el volumen de las bambas y demás instalaciones afines.
Las partículas aceleradas salen al exterior por una ventanita especial, muy estrecha, situada al final del acelerador y se dirigen a instalaciones especiales para el bombardeo de las sustancias a investigar.
Los primeros aceleradores eran bastante imperfectos y no imprimían más de 100 mil electrones voltio a las partículas. Sin embargo, incluso eso suponía ya un gran progreso para la Física del núcleo atómico, para la técnica en general, fue una prueba de la inagotable agilidad del pensamiento humano, aunque no era suficiente para lograr el objetivo que se habían planteado los hombres de ciencia.
No obstante, a partir de 1929, se comenzaron a construir aceleradores que permitían obtener partículas con energía muy superior a la de las partículas emitidas por los elementos radiactivos.
Hacia 1935, la potencia de los aceleradores ascendió a 5 MeV. El año 1915 conoció ya instalaciones que imprimían a las partículas una energía de 200 MeV. Y, por fin, en 1955 los hombres de ciencia pudieron bombardear las sustancias sometidas a investigación con
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partículas dotadas de energía verdaderamente cósmica, equivalente a 6.200 MeV.
Eu 1957, se puso en explotación en la URSS el acelerador de partículas para 10 mil millones de electrones voltio. En la actualidad se construye una instalación que imprimirá a las partículas una energía de 50 mil millones de electrones voltio. Pasarán algunos años y la potencia de la “artillería" pesada atómica, creada por el hombre, superará a la energía de los proyectiles naturales “cósmicos" que caen en la superficie de nuestro planeta procedentes de los infinitos espacios siderales.
Las investigaciones efectuadas por los hombres de ciencia con ayuda de los aceleradores de partículas, y los asombrosos e importantísimos resultados obtenidos son tan amplios y revisten tanto interés que su descripción merece un libro especial. Su exposición aquí, aunque de la forma más breve y superficial, nos obligaría a alejarnos del tema fundamental.
7. En la encrucijada
Los cálculos efectuados por hombres de ciencia habían mostrado ya en 1928 que el mejor proyectil para el bombardeo de los núcleos atómicos debía ser el protón, dada la rapidez de su movimiento.
Para ello había muchas razones. El protón es una partícula bastante pesada y, por lo tanto, es más fácil dirigirlo contra el núcleo de otro átomo.
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Bajo el efecto del protón que choca con el núcleo del átomo de litio, éste se transforma en dos núcleos de átomos de helio, desapareciendo una masa igual a 0,0185 unidades atómicas. ¿Qué suerte corre esta masa?
Esto puede parecer extraño e incomprensible a primera vista, el neutrón se acelera con más facilidad que, por ejemplo, las partículas alfa. Podría estimarse que lo más sencillo es acelerar la partícula alta, ya que su carga eléctrica es dos veces mayor que la del protón y, al pasar por una misma diferencia de potencial, adquiere una energía dos veces mayor. No obstante, el efecto repulsor de la suma de cargas positivas de cualquier núcleo atómico se manifiesta con menos intensidad cuando se aproxima a él una partícula con una sola carga positiva.
Así, los protones acelerados hasta adquirir una energía elevada resultan ser proyectiles más eficaces que las partículas alfa.
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Partiendo de esta conclusión, los físicos ingleses Cockcroft y Walton efectuaron en 1932 un experimento que había de desempeñar en la Física moderna un papel de extraordinaria importancia.
Los físicos lanzaron un fino haz de protones acelerados sobre un blanco hecho del isótopo litio-7. Las partículas resultantes del bombardeo se dirigían a la cámara de Wilson para determinar allí su carga, masa y velocidad.
Según todas las hipótesis, de dicha reacción debían resultar partículas alfa.
Los cálculos de los físicos se vieron confirmados. El átomo de litio, tras de absorber el protón que chocaba con él, despedía dos partículas alfa, es decir, el núcleo del átomo de litio, al unirse con el núcleo del átomo de hidrógeno (que chocaba con él), se dividía en dos núcleos del helio:
A los hombres de ciencia asombró no sólo este hecho, sino también otro fenómeno muy importante. Cuando se intentó calcular con el lápiz en la mano el balance de energías, masas y velocidades de todas las partículas que intervenían en tales reacciones, se advirtieron toda una serie de "ganancias" y "pérdidas" verdaderamente extrañas.
Ya se sabía con toda exactitud que la suma de las masas de dos partículas alfa es sensiblemente inferior a la masa del núcleo del litio y del protón. Pero nadie se asombraba de ello, ya que se trataba
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de masas correspondientes a elementos que existían como tales desde hacía mucho tiempo.
En cambio, aquí los experimentadores se encontraban con la transmutación de unos núcleos en otros y desaparecía con destino desconocido una masa igual a la diferencia entre los estados inicial y final de las sustancias que intervenían en la reacción nuclear.
Unidades atómicas
Masa del núcleo de litio 7.0182
Protón 1.0081
Masa de las partículas que intervienen en la reacción 8,0263
La suma de las masas de dos partículas alfa es 4,0039×2 8,0078
Diferencia 0,0185
Como se ve, la diferencia, bien sensible, no podía por menos de preocupar a los físicos, sobre todo, teniendo en cuenta que la Física teórica había ya dado soluciones satisfactorias y brillantes a muchas cuestiones de esta índole mucho antes de los experimentos de Cockcroft y Walton.
En la nueva reacción nuclear parecía desaparecer parte de la masa de la sustancia.
¿Cuál podía ser su destino?
Por otra parte, aparecía no se sabe de qué fuente una enorme energía en forma de energía cinética del movimiento de las partículas que resultaban de la reacción nuclear.
Se imponía lógicamente la conclusión: la masa se convertía en energía, hipótesis que desde el punto de vista del materialismo dialéctico es un absurdo, ya que la energía sólo puede ser una
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forma de existencia de la materia, pues sólo puede moverse una realidad física, es decir, la materia, o bien se admite que, la masa y la energía son dos formas de existencia de la materia, única suposición justa.
El sincrofasotrón soviético, superpotente instalación para acelerar las partículas hasta la energía de 10 mil millones de electrones voltio.
De acuerdo con la ley de la conservación de la materia y la energía, la disminución de una de ellas debe compensarse, en consonancia con las leyes rigurosas de la Física, mediante el aumento de la otra. Estos experimentos y conjeturas señalaron la orientación que debía seguir la Física en la búsqueda de nuevas fuentes de energía.
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Había que encontrar reacciones nucleares cuyos productos fueran, por lo que respecta a su masa, inferior a la suma de todas las partículas que participaban en la reacción.
Tales reacciones fueron halladas, con la particularidad de que muchas de ellas se descubrieron primero en el papel, y después en el laboratorio.
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Capítulo V
Se ha descubierto la fuente de energía
Contenido:
1. Neutrones bombardean el uranio
2. El neutrón fisiona los núcleos del uranio
3. La familia de los isótopos del uranio
4. La meta deseada
1. Neutrones bombardean el uranio
En la cuarta década de nuestro siglo3 trabajaba en la universidad de Roma el joven y talentoso físico italiano Enrique Fermi.
Con un grupo de colaboradores se dedicaba al estudio de los resultados que daba el bombardeo neutrónico de distintas sustancias. Utilizaba como “cañón" atómico una fuente emisora a base de radio y berilio.
Fermi, investigador inteligente y escudriñador, bombardeó en un plazo relativamente corto, con su sencilla fuente de neutrones, los átomos de todos los elementos del Sistema Periódico. Como era de esperar, en muchos casos se obtuvieron sustancias radiactivas artificiales.
Por fin le llegó la hora al uranio. Fermi suponía que, al capturar uno o varios “proyectiles", neutrones, el uranio podía transmutarse en otro elemento, aún más pesado y todavía no descubierto. Estos elementos se formaron, en efecto, en el uranio bombardeado y fueron denominados posteriormente transuránicas.
3 Siglo XX
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Ese experimento se llevó a cabo por vez primera en 1934. Los cálculos del sabio se continuaron brillantemente. El uranio bombardeado por los neutrones resultó ser mucho más radiactivo que antes de la experiencia. Es más, se descubrieron en él cuatro tipos distintos de núcleos radiactivos con diferentes períodos de semidesintegración.
Esto le dio motivos a Fermi para considerarse autor de cuatro nuevos elementos.
Huelga describir aquí la emoción con que los hombres de ciencia de todos los países se dedicaron a obtener e investigar estos nuevos elementos, llamados transuránicos, repitiendo en infinidad de variantes los experimentos de Fermi.
Los resultados parecían coincidir en su conjunto, pero surgían fenómenos inexplicables para los investigadores. Les intrigaba, ante todo, la facilidad con que fue creciendo ulteriormente el número de los descubrimientos de nuevos tipos de radiactividad, atribuidos a nuevos elementos. Además, pese a toda la ingeniosidad, habilidad y obstinación de los sabios, nadie lograba obtener en forma pura a partir de la masa del uranio los elementos recién formados.
Todos los intentos en este sentido fueron infructuosos por espacio de cinco años. Pero, en 1939, ocurrió algo imprevisto. Uno de los nuevos elementos radiactivos, obtenido por los químicos alemanes H. Hahn y F. Strassmann a partir del uranio bombardeado con neutrones, que según todos los cálculos debía tener un número de orden 93, 94, 95, 96 o incluso 97, resultó no ser otra cosa que el bario, en el centro de la tabla de elementos, con el número de orden
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56.
La perplejidad de los sabios era lógica: al chocar con el núcleo del elemento 92 y ser capturado por él, el neutrón no podía de ninguna manera transformar este elemento en bario, ya que el bario es casi dos veces más ligero que el uranio. Repitiendo multitud de veces los experimentos, los sabios obtenían siempre el mismo resultado: la formación de bario al bombardearse con neutrones el uranio. Cuanto más ahondaban en sus investigaciones más les parecía a los hombres de ciencia que lo descubierto se hallaba en contradicción con todos los datos experimentales acumulados por la Física nuclear hasta entonces.
Sólo en 1939, los físicos alemanes Lise Meitner y su sobrino Otto Robert Frisch, que habían huido de Alemania para salvarse de las persecuciones fascistas y trabajaban a la sazón en la Universidad de Copenhague (Dinamarca), lograron poner en claro todo lo que pasaba en el uranio al ser sometido a bombardeo neutrónico.
Mediante experimentos muy sutiles demostraron que en dicha reacción se forman dos partículas de masa aproximadamente igual que, al salir despedidas, se separan una de la otra siguiendo trayectorias distintas.
En las fotos obtenidas posteriormente en la cámara de Wilson se veían claramente las huellas de los fragmentos que se desprendían del núcleo del uranio.
No quedaba lugar a dudas. Por efecto de los neutrones, los núcleos del uranio se escindían en dos partes, desprendiéndose al mismo tiempo una cantidad enorme de energía.
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2. El neutrón fisiona los núcleos del uranio Meitner y Frisch explicaron el fenómeno.
Había fundamento para suponer que las partículas que integran los núcleos de los distintos átomos se comportan como las moléculas en las gotas de cualquier líquido (el agua, por ejemplo). Cuanto mayor sea la gota, tanto menor será su estabilidad. Cuando en un núcleo más o menos estable penetra una partícula extraña, esta le comunica energía complementaria, debido a lo cual el núcleo adquiere intenso movimiento, gran excitación y, al darse ciertas condiciones, puede disgregarse o romperse.
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Cualquier gota esférica de agua con carga eléctrica mantiene su forma debido a una compleja interacción de la tensión superficial del agua, las fuerzas de cohesión molecular de sus partículas y las
cargas eléctricas distribuidas en su interior. Al alterarse el equilibrio de estas fuerzas se produce la división de la gota. En forma análoga a la gota de agua puede imaginarse la fisión del núcleo de uranio. Al chocar con el neutrón (a) el núcleo pierde su estabilidad (b), se estira en forma de un 8 (c) y se divide en dos (d). Los fragmentos resultantes se separan y salen disparados en direcciones opuestas con enorme energía (e).
Por eso es muy probable que el núcleo del átomo de uranio, ya inestable de por sí, en lugar de perder una o varias partículas al capturar un neutrón, como ocurre en los bombardeos de elementos más ligeros, se divide en dos núcleos de masa aproximadamente igual. Este proceso se denomina fisión nuclear.
Como resultado de esta fisión se obtienen dos nuevos núcleos de elementos con peso atómico aproximado 115-120 cada uno, por ejemplo, el bromo y el lantano, el bario y el criptón, etc. Estos fragmentos son radiactivos y se hacen estables solamente después de varias emisiones sucesivas de partículas beta.
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En consecuencia de la fisión del núcleo de) uranio se forman dos núcleos de átomos de otros elementos, del criptón y del bario, por ejemplo.
Al mismo tiempo, como lo demuestran los cálculos, en esta desintegración del pesado núcleo del uranio se desprende la energía cinética de los fragmentos que salen despedidos en direcciones opuestas. Esta energía es centenares de veces superior a la desprendida en la fisión de los núcleos bajo la acción de las partículas alfa y protones.
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Esto es lo que ocurre con los fragmentos del núcleo del uranio después de su división en dos partes.
Una vez descubierto el nuevo proceso de la fisión nuclear, cesaron por doquier los experimentos con los otros elementos y el fuego de la "artillería" atómica se concentró en el núcleo del uranio, que con gran sorpresa para todos resultó ser tan inestable. Era éste un sector todavía más reducido del frente general de la Física nuclear. En la artillería corriente todos los esfuerzos de los hombres de
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ciencia, de los ingenieros proyectistas c inventores iban siempre encaminados a lograr la velocidad mayor posible para el peso máximo del proyectil. Tales proyectiles poseen mayor energía cinética y su golpe al chocar es más destructivo.
Al bombardear los núcleos de los átomos, los investigadores también se esforzaban por que sus "proyectiles" tuviesen la mayor masa posible y volasen a la velocidad máxima. Lo ideal era poder imprimir a la partícula alfa, al protón o al neutrón una velocidad próxima a la de la luz.
La energía cinética con que se separan los fragmentos del núcleo del uranio después de la división es igual, aproximadamente, a 200 MeV.
En este caso, al desviarse de las reglas generalmente aceptadas, se obtuvieron resultados absolutamente inesperados, pero muy agradables. Los neutrones, que poseen una energía relativamente pequeña, fisionaban perfectamente al uranio. Bastaba un ligero contacto para que los núcleos del uranio se escindieran en dos partes.
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¿Qué tenia, pues, de admirable este nuevo fenómeno que despertaba tan vivo interés entre los hombres de ciencia del mundo entero?
Ante todo, el hecho de que la fisión nuclear va acompañada de desprendimiento de una cantidad enorme de energía.
Los cálculos teóricos, y, posteriormente, las mediciones prácticas, mostraron que durante cada fisión del núcleo del uranio en dos partes se desprende una energía de 200 MeV aproximadamente.
Además, como se demostró muy pronto, la fisión de un núcleo del uranio va acompañada de la emisión de varios neutrones nuevos. Esta particularidad, de importancia extraordinaria, indujo a pensar en la posibilidad de una reacción con surgimiento de un número creciente sin cesar de nuevos neutrones capaces de fisionar más y más núcleos del uranio.
Todavía hablaremos mucho de estos fenómenos. Es mejor que examinemos con mayor atención lo que ocurre con el uranio. Este elemento tiene varios isótopos. Ahora bien, ¿cuáles de ellos se fisionan bajo el efecto de los neutrones y qué propiedades deben poseer estos últimos? Para una contestación correcta a estas preguntas hubo necesidad de investigar primero todos los aspectos de la interacción de los neutrones con los distintos isótopos del uranio.
3. La familia de los isótopos del uranio
Cuatro años antes de descubrirse la fisión del uranio, en 1935, en uno de los laboratorios de la Universidad de Chicago tuvo lugar un
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acontecimiento que, entonces, apenas llamó la atención a nadie, pero que tenia, a pesar de ello, una enorme importancia para toda la Física del núcleo atómico.
El tamaño de un lingote de 1 kg de uranio comparado con el de una caja de cerillas.
En dicho centro trabajaba entonces el químico canadiense Arthur Dempster. Su especialidad, era el estudio de diversos elementos mediante el espectrógrafo de masas, instalación muy complicada.
Valiéndose de este aparato, los hombres de ciencia ya habían establecido que los átomos de muchos elementos naturales de propiedades químicas absolutamente iguales poseían pesos atómicos distintos. Tratábase de los isótopos, ya conocidas por nosotros.
Cuando investigaba en uno de sus experimentos el espectro del uranio puro, Dempster descubrió inopinadamente en la placa fotográfica, junto a la raya gruesa correspondiente al uranio-238, otra rayita apenas perceptible. Resultó ser la huella del uranio-235,
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segundo isótopo, muy raro. Poco más tarde, se descubrió otro isótopo todavía más raro, el uranio-234.
Mediciones más escrupulosas mostraron que el uranio natural puro contiene el 99,28% de uranio-238, el 0,714% de uranio-235 y nada más que el 0,006% de uranio-234.
Sólo cinco años después de este hecho, a primera vista sin particular importancia, se consiguió establecer que bajo el bombardeo con neutrones lentos se escinden intensamente los núcleos de un solo isótopo, muy raro, el uranio-235, cuyo porcentaje en la composición del elemento natural no excede de 6,7. El isótopo fundamental, el uranio-238, se divide débilmente sólo bajo la acción de neutrones más rápidos, dotados de gran energía.
Pronto se logró extraer del uranio una porción insignificante de uranio-235, al que se sometió a irradiación neutrónica. Los nuevos experimentos confirmaron los resultados iniciales.
Reviste mucha importancia y es muy sintomático para la Física de nuestros días el hecho de que después del descubrimiento de los isótopos de uranio, el físico dinamarqués Niels Bohr, en colaboración con el joven físico J. Wheeler de la Universidad de Princeton, predijeran teóricamente la posibilidad de la fisión precisamente de este isótopo, el uranio-235, al someterse a la acción de neutrones lentos.
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Las huellas dejadas en la placa fotográfica del espectrógrafo de masa, revelaron el misterio de la composición de la mezcla natural de uranio.
Poco tiempo después, el 30 de abril de 1939, en un periódico apareció la siguiente noticia:
“El doctor Niels Bohr, de Copenhague, ha declarado que el bombardeo de una pequeña cantidad del isótopo puro del uranio-235 con neutrones lentos produce una “reacción en cadena", o una explosión atómica de tanta potencia que saltarán por los aires el laboratorio y todos los edificios e instalaciones vecinos en un radio de muchas millas".
4. La meta deseada
En toda la serie de descubrimientos relacionados con la fisión de los núcleos del uranio, quizás el más notable e importante sea el hecho de que en el momento de la fisión del núcleo en cuestión se despiden simultáneamente dos o tres neutrones libres que no están
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unidos a los núcleos de los fragmentos recién formados. De esto ya hemos hablado anteriormente.
Teniendo en cuenta que los neutrones poseen la facultad de dividir por la mitad los núcleos de los átomos de uranio, puede admitirse, por el momento teóricamente, que si se dan ciertas condiciones favorables, cada uno de los tres neutrones despedidos del núcleo fisionado, podría entrar en colisión con el átomo vecino y fisionarlo también.
La reacción de fisión nuclear en cadena del uranio-235 comienza con un neutrón y crece como un alud.
En el momento de la fisión, este último átomo emite otros tres neutrones nuevos que, a su vez, darán lugar a un número tres veces mayor de núcleos fisionados contiguos, y así sucesivamente.
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A consecuencia de este proceso, es de esperar, pues, que en el uranio comenzase y se desarrollase con vertiginosa velocidad (3, 9, 27, 81, 243, 729, etc.) una reacción de fisión nuclear en cadena.
El material fisionable sólo podía ser, como señalaba Niels Bohr, el uranio-235, ya que los neutrones liberados durante la fisión pierden rápidamente su velocidad durante las colisiones con los núcleos vecinos de uranio y no pueden escindir los núcleos del isótopo fundamental, el uranio-238.
Si se dispone de suficiente cantidad de uranio-235 en torno al punto inicial de la fisión que se triplica sucesivamente, se puede lograr una explosión instantánea de fuerza colosal, millones de veces superior a la que produce idéntica cantidad del explosivo más enérgico que conoce el hombre.
Las conclusiones fueron tan asombrosas que dejaron perplejos a todos los sabios dedicados al estudio de estos problemas. Inmediatamente cesó la publicación de artículos y noticias relativas a este tema en todos los países.
Al parecer, los hombres de ciencia habían dado con las huellas que conducían directamente a la meta. Sobrevino un largo periodo de silencio agravado por la segunda guerra mundial. Pero...
El 16 de julio de 1945 ocurrió un acontecimiento de excepcional importancia para la historia de la Humanidad. Ante la mirada de hombres de ciencia, ingenieros, técnicos, militares y autoridades civiles, todos con la respiración en suspenso, en el baldío de Álamo Gordo (estado de Nuevo México) a las 5 horas y 30 minutos de la madrugada tuvo lugar la primera explosión de una bomba atómica,
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en medio de una tormenta y lluvia torrencial.
Una pequeña cantidad de sustancia fisionable —el uranio— al entrar en reacción instantánea en cadena, puso en libertad una cantidad colosal de energía oculta en el interior del núcleo atómico.
He aquí como describe la explosión un testigo presencial: "Primeramente brilló una luz de intensidad sin parangón. Nos volvimos todos y vimos, a través de gafas especiales de cristal negro, una bola de fuego. Al cabo de unos cuarenta segundos vino la onda explosiva seguida por el estampido, pero ni una cosa ni la otra no nos causó tanto asombro, como la extraordinaria intensidad de la luz. Se formó una inmensa y compacta nube que, apelotonándose y haciendo remolinos, se elevó con enorme fuerza. Y en
cinco minutos, aproximadamente, llegó a la subestratosfera... La nube subió a gran altura, al principio en forma de bola, luego adquirió la configuración de un bongo, transformándose después en una enorme columna, parecida a un tubo de chimenea, que finalmente fue disipada en distintas direcciones por los vientos variables a diferentes alturas".
Muchos de los hombres de ciencia que presenciaron la explosión creyeron sinceramente en que con la liberación de la energía atómica comenzaría la edad de oro para la Humanidad. Desaparecerían las guerras. Se lograría la abundancia general; la energía barata, casi gratuita, ayudaría a convertir en realidad los
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deseos más recónditos, más audaces, más nobles, y diríase irrealizables, del hombre. Apenas pasaron unas semanas, y toda la Humanidad quedó indignada al ver que se empleaba con fines tan distintos e inhumanos esta energía ilimitada, arrancada a la Naturaleza tras tantos esfuerzos.
Los militaristas norteamericanos se propusieron aprovechar la energía atómica para atemorizar a los pueblos y a las naciones. A este objeto, al final de la guerra, cuando la capitulación del Japón militarista era cuestión de días o semanas, los norteamericanos perpetraron un espantoso crimen. Sus aviones arrojaron dos bombas atómicas, causando la muerte a más de 130 mil personas y la destrucción casi total de Hiroshima y Nagasaki, dos prósperas ciudades del Japón.
Solamente el 27 de junio de 1954 se difundió por el mundo una emocionante noticia que alegró a la Humanidad. Los hombres de ciencia y los ingenieros, gracias a los esfuerzos de todo el pueblo soviético, habían puesto en explotación por vez primera en el mundo una central átomo-eléctrica de carácter industria, funcionando a base de la energía liberada por la fisión nuclear del uranio.
Poseedora de los secretos de las armas atómicas y de hidrógeno, la Unión Soviética, con plena conciencia de su fuerza y de la razón que le asistía, dio al mundo entero el primer ejemplo del empleo de la energía atómica con fines auténticamente pacíficos, para el bien de la Humanidad.
Precisamente esta fecha pasará a la historia como el día del comienzo de la verdadera edad del átomo, la edad del empleo
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pacifico de la colosal energía que entraña el átomo.
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Capítulo VI
Reacción nuclear controlada
Contenido:
1. Nacimiento de los primeros elementos artificiales
2. Control de la reacción en cadena
3. Los átomos y el juego de billar
4. Agua más pesada que el... agua
5. Cálculo preliminar
6. La “hoguera" en el laboratorio
7. La bomba atómica
1. Nacimiento de los primeros elementos artificiales
Volvamos a los acontecimientos que precedieron a la aparición de la bomba atómica.
Muchos hombres de ciencia no podían abandonar la idea de que durante el bombardeo del uranio con neutrones podía producirse aunque fuese un solo átomo de sustancia superpesada después de varios millones de colisiones. En efecto, en 1940 lograron descubrir en el uranio bombardeado por neutrones, además de la multitud de fragmentos resultantes de la fisión del uranio-235, una sustancia con número de orden 93 y peso atómico 239.
El estudio minucioso de la insignificante porción de este elemento transuránico, realmente nuevo, por los métodos de la llamada micro- química permitió cambiar de criterio acerca del papel que desempeña el uranio-238.
Se vio que no todos los neutrones que penetran en el uranio natural
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corren la misma suerte.
Lo mismo que cualquier partícula nuclear, el neutrón posee distintas velocidades de movimiento, según sea su energía. El movimiento más lento de los neutrones corresponde a la velocidad del movimiento térmico de las moléculas a las temperaturas ordinarias. Expresada en electrones voltio, esta energía no excede de 0,03-0,01 eV. El neutrón reduce su velocidad hasta tal grado en consecuencia de las numerosas colisiones con los núcleos de otros elementos. Estos neutrones suelen llamarse térmicos, a diferencia de los rápidos, emitidos por las distintas fuentes de dichas partículas. En la figura adjunta se muestra cómo actúan los distintos neutrones sobre los núcleos del uranio.
Una parte de los neutrones, los más rápidos, que poseen energías de 1 MeV y. más, como ya dijimos, es capaz de fisionar no sólo los núcleos del uranio-235, sino también los del uranio-238.
Si todos, o por lo menos la mayoría de los neutrones emitidos durante la fisión de los núcleos del uranio, poseyesen velocidades superiores a 1 MeV, sería muy sencillo resolver el problema de la liberación de la energía intranuclear. La fisión del uranio-238 y la provocación de la reacción en cadena en él sería tan fácil como en el uranio-235 puro.
Pero la energía de la inmensa mayoría de los neutrones emitidos en la fisión del uranio-235 es mucho menor de 1 MeV, por cuya razón no pueden provocar la fisión de los núcleos del uranio-238.
Algunos neutrones dotados de grandes energías pierden velocidad después de las colisiones con los núcleos de uranio, por lo cual,
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tampoco pueden originar la fisión de los núcleos del uranio-238. Paro fisionar con éxito los núcleos del uranio-235, además de los neutrones más rápidos, pueden emplearse neutrones térmicos, con energías muy inferiores a 0,1 eV.
En el intervalo de energía de 7 a 1 eV, aproximadamente, se halla la zona en la que los núcleos del uranio-238 absorben (capturan) con particular avidez casi totalmente cualquier cantidad de neutrones que llegue al trozo de uranio natural. Trátase de la llamad# zona de absorción por resonancia de neutrones.
Por consiguiente existen zonas de velocidades o de energías de neutrones muy favorables para la fisión de unos isótopos del uranio y menos favorables para la fisión de otros, zonas de intensa absorción de neutrones por unos núcleos del uranio y de débil absorción por otros núcleos.
Pero esto no es lo más importante.
Tras de absorber un neutrón que posee velocidad de resonancia, el núcleo del uranio-238 no se fisiona, sino que se convierte en un isótopo artificial, en estado de alta excitación, del uranio —el uranio-239 (U92239). Es un isótopo extremadamente inestable, y su mitad, al emitir un electrón, se desintegra al cabo de 23 minutos dando lugar a otro elemento radiactivo con número de orden 93 y peso atómico 239. Este elemento fue denominado neptunio (Np93239).
Al cabo de dos o tres días se desintegra la mitad del neptunio
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obtenido, despidiendo un electrón y originando en su lugar otro elemento radiactivo, pero ya más estable, con número de orden 94 y peso atómico 239, denominado plutonio. Este es un emisor de partículas alfa con periodo de semidesintegración de 24.000 años. Al emitir una partícula alfa se convierte en uranio-235.
Lo más interesante del plutonio es que se fisiona con la misma facilidad que el uranio-235, lo mismo bajo la acción de los neutrones lentos como de los rápidos.
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Proceso de transmutación del uranio-238 en plutonio tras de capturar un neutrón, y después, al cabo de 24 mil años, en uranio-235.
Así, pues, la ciencia disponía no de una, sino de dos sustancias fisionables: el uranio-235 y el plutonio.
Ambos elementos se obtuvieron a base de procesos físicos completamente distintos, y como es lógico, surgió la pregunta de cuál de las dos sustancias era más adecuada para la obtención de
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grandes cantidades de combustible nuclear. La respuesta dependía de la solución de ciertos problemas puramente técnicos relacionados con la producción de cantidades considerables de uranio-235 y plutonio.
Transmutación del torio-232 estable en uranio-233, isótopo fisionable del uranio.
Sabemos perfectamente las dificultades que hay que superar para fisionar los isótopos de un elemento químico, concretamente del uranio-235 y del uranio-238.
Si se pudiese convertir el uranio-238 en plutonio, mediante bombardeo neutrónico, sería ya más fácil separarlo del uranio natural, puesto que el uranio y el plutonio son elementos químicos distintos, aunque muy afines, y, por consiguiente, podrían separarse uno del otro por procedimientos químicos.
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Sin embargo, para valerse del segundo procedimiento de obtención de sustancias fisionables, era necesario poseer una fuente de neutrones tan potente que permitiese bombardear el uranio-238 y convertirlo con suficiente rapidez en deseables cantidades de plutonio.
No cabía hablar del radio y berilio, ya que dicha fuente era demasiado débil incluso para la obtención de porciones microscópicas de plutonio.
Los neutrones se encuentran muy raramente en los rayos cósmicos. Ni siquiera los aceleradores más potentes de partículas podrían suministrar la necesaria cantidad de neutrones.
¿Dónde, pues, había que buscarlos? Existe otro elemento fisionable: el torio.
Lo mismo que el uranio-238, no se fisiona más que bajo el efecto de los neutrones más rápidos y no puede utilizarse como combustible nuclear.
Sin embargo, al igual que el uranio-238, el torio-232 captura los neutrones de menos energía, se convierte en emisor de partículas beta, y, después de dos desintegraciones, se convierte en uranio-233, isótopo del uranio, que no existe en la naturaleza. Este se fisiona bajo la acción de los neutrones lentos con la misma facilidad que el uranio-235 o el plutonio.
Así, pues, también el torio puede servir de materia prima en la obtención de combustible para las instalaciones nucleares.
Ahora bien, ¿cómo se puede obtener la cantidad de neutrones necesaria para esta operación?
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2. Control de la reacción en cadena
Admitamos que en la masa del isótopo fisionable puro de uranio-235 aparece un neutrón que choca inmediatamente con uno de los núcleos vecinos del uranio y produce su fisión. Surgen dos o tres neutrones nuevos que, a su vez, pueden provocar la fisión de otros dos o tres núcleos, y así sucesivamente. En virtud de que cada fisión se produce con mucha rapidez, en el curso de cienmillonésimas de segundo, la cantidad de neutrones que se forma aumenta instantáneamente, a modo de avalancha y adquiere magnitudes colosales.
Comienza la reacción espontánea en cadena, no controlada.
Para determinar la rapidez con que aumenta tal reacción en cualquier porción de materia fisionable se establece una magnitud especial denominada factor de multiplicación.
Este factor indica cuántas veces se multiplica cada nueva generación de neutrones, es decir, en cuántas veces aumenta el flujo de neutrones con cada fisión.
Si esta magnitud es mayor que la unidad, el número de neutrones, y por lo tanto el número de fisiones de los núcleos del uranio-235 o de plutonio, aumentará infinitamente y culminará de modo inevitable con una explosión, que es lo «que pasa en la bomba atómica.
Ahora bien, para aprovechar la reacción nuclear con fines pacíficos, ésta debe ser controlada, debe lograrse que el número de fisiones por unidad de tiempo y, en consecuencia, la cantidad de energía
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desprendida, se moderen en medida considerable y no superen una magnitud constante.
Por lo visto, esto sólo es posible en el caso de que el factor de multiplicación sea igual a la unidad. Si es inferior a la unidad, por pequeña que sea la diferencia, la reacción se extingue. ¿Cómo lograr, pues, el control de la reacción en cadena?
La reacción en cadena no puede producirse en el uranio natural porque en este elemento el factor de multiplicación es muy inferior a la unidad. Los neutrones que se originan durante la fisión espontánea o artificial del uranio-235 son frenados y capturados por el uranio-238 y la formación de nuevos neutrones capaces de proseguir la reacción cesa mucho antes de que puedan llegar a chocar en su trayectoria con los núcleos del uranio-235.
No obstante, había un camino para conseguir también la reacción en cadena en el uranio natural.
El problema consistía en que después de cada fisión del núcleo del uranio-235 se disminuyese inmediatamente por un procedimiento cualquiera la velocidad de los neutrones hasta tal punto que fuese imposible su captura por el uranio-238, es decir, se superase lo más pronto posible, la zona de las velocidades de resonancia. Entonces, lo único que les queda a los neutrones es dividir los escasos núcleos del uranio-235.
En este caso, cuando se dispone de suficiente cantidad de uranio natural, es posible la reacción en cadena.
De ahí se deduce la tarea primordial que se planteaba ante los hombres de ciencia', descubrir una sustancia que permitiese
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moderar en el espacio mínimo de tiempo los neutrones rápidos libres, frenarlos hasta velocidades térmicas del orden de 0,3-0,1 eV, y que, además, no absorbiese los neutrones.
Así, pues, primero había que introducir en el uranio natural un moderador de neutrones.
¿En qué consiste este proceso de moderación de neutrones?
3. Los átomos y el juego de billar
Ya hemos dicho que los neutrones pueden chocar con los núcleos de distintos elementos, transmitiéndoles parte de su energía y perdiendo, en consecuencia, velocidad y energía propia.
Los neutrones sólo pueden perder velocidad en el caso de que sus colisiones con los núcleos de la sustancia moderadora tengan un carácter elástico, es decir, que las partículas que chocan rebotan una en la otra. Dicho de otro modo, como moderadores deben emplearse sustancias cuyos átomos no capturen neutrones.
De las leyes de la Mecánica se infiere que si se reduce la velocidad de un cuerpo en movimiento mediante colisiones elásticas con otro cuerpo inmóvil o en movimiento lento, la pérdida máxima de energía se logra cuando las masas de los dos cuerpos que chocan son iguales.
Resulta que para disminuir la velocidad de los neutrones se deben emplear núcleos de átomos ligeros, del hidrógeno, por ejemplo, cuya masa es casi igual a la del neutrón.
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Mecanismo de la moderación del movimiento de los neutrones mediante choques elásticos con los núcleos de elementos ligeros: a — hidrógeno; b — carbono.
Para reducir la energía del neutrón despedido durante la fisión de un núcleo del uranio hasta la magnitud térmica no se necesitan más que 20 choques elásticos con núcleos del hidrógeno. Después de éstos, la energía de movimiento del neutrón apenas difiere de la energía de los átomos del moderador, determinada, como sabemos, por su temperatura.
Si la energía del mismo neutrón se modera con núcleos de átomos de carbono que son doce veces más pesados que el neutrón, las
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veinte colisiones harán perder al neutrón nada más que el catorce por ciento de su energía inicial. Para reducir dicha energía hasta el nivel térmico se necesitan ya 123 choques con núcleos del carbono, es decir, seis veces más que si se emplean núcleos del hidrógeno.
Un excelente moderador sería el helio, dado su escaso peso y la facultad de no absorber casi los neutrones. Pero es un gas y no se le puede dar la densidad necesaria ni siquiera sometiéndolo a presiones superelevadas. El helio en estado líquido no puede conservarse durante períodos prolongados. Por las mismas razones no se puede utilizar el hidrógeno gaseoso.
Después de largas búsquedas se llegó a la conclusión de que el moderador de neutrones más conveniente es el hidrógeno pesado, el deuterio (H12), que entra en la composición del agua pesada.
4. Agua más pesada que el... agua
¿Qué son el hidrógeno pesado y el agua pesada?
Ya en 1920, los físicos Rutherford y Harkins predijeron, los dos al mismo tiempo, pero independientemente el uno del otro, la posibilidad de la existencia de un isótopo de hidrógeno con masa dos veces mayor que la del hidrógeno ordinario. En 1931 se hizo un intento para obtener este isótopo.
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Los isótopos del hidrógeno.
Para ello, se procedió a la evaporación de una gran cantidad de hidrógeno líquido, partiendo de la suposición lógica de que el hidrógeno corriente había de evaporarse más pronto que el pesado. Así ocurrió efectivamente. El isótopo descubierto, el hidrógeno pesado, fue denominado deuterio, y su núcleo, deuterón.
Sin embargo, este método de obtención de deuterio resultó ser muy complicado y excesivamente caro, por cuya razón los hombres de ciencia decidieron emplear el agua en lugar del hidrógeno líquido. Es lógico que, si en la Naturaleza pueden existir átomos de hidrógeno pesado, y el agua es una combinación del oxígeno con el hidrógeno, el hidrógeno pesado deberá entrar sin falta en la composición de las moléculas del agua pesada y, por consiguiente, se le podrá obtener a partir del agua ordinaria, descomponiéndole mediante la corriente eléctrica. Tal agua pesada fue descubierta en forma de impureza insignificante en el agua corriente.
A diferencia del agua ordinaria (H2O), la molécula del agua pesada (D2O) contiene el isótopo pesado del hidrógeno, el deuterio (D.). El núcleo de este isótopo del hidrógeno consta de un protón y un
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neutrón.
En el cuadro que sigue puede verse la diferencia de propiedades de ambas aguas, ordinaria y pesada.
Propiedades del agua ordinaria y del agua pesada
Agua ordinaria Agua pesada
(H2O) (D2O)
Punto de congelación (en grados) 0.0 3,82
Punto de ebullición (en grados) 100,0 101,42
Densidad máxima 1,000 1,1071
Temperatura correspondiente a la 4,0 11,6
densidad máxima
El agua pesada ejerce un efecto depresivo sobre el organismo vivo, en grandes cantidades es muy tóxica. Las semillas impregnadas con agua pesada pierden su capacidad de germinación; los mamíferos y peces colocados en agua pesada mueren al poco tiempo.
En 1931, Rutherford descubrió y obtuvo por vía artificial otro isótopo del hidrógeno, todavía más pesado, el llamado tritio, cuyo núcleo, el tritón, pesa tres veces más que el núcleo de hidrógeno corriente y consta de un protón y dos neutrones.
La producción de agua pesada es un proceso largo, complejo y difícil. Para obtener un kilogramo de agua pesada es preciso desintegrar como mínimo 6 toneladas métricas de agua ordinaria, lo que requiere la inversión de grandes cantidades de energía eléctrica. Por esto, se emplea muy a menudo como moderador el grafito de máxima pureza química en lugar del agua pesada.
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5. Cálculo preliminar
Partiendo de los razonamientos y hechos expuestos anteriormente. Enrique Fermi y sus colaboradores pusieron manos a la obra para construir una instalación donde se pudiese lograr la liberación controlada de la energía nuclear. De los demás objetivos que se perseguían entonces hablaremos en otros capítulos.
Esta instalación consistía en una enorme pila en cuyo interior se hallaban los bloques de uranio natural y del moderador. Se llamaba reactor nuclear.
Pero, además del moderador, había que instalar en ella otros dispositivos, cuyo fin era, por más extraño que parezca, absorber los neutrones.
Pero ¿cómo comprender esto?, preguntará el lector. "Todos sabemos que hubo necesidad de buscar un moderador exento absolutamente de sustancias absorbentes de neutrones, por lo cual fue preciso purificar al máximo el uranio. Entonces, ¿para qué se necesitan en este caso las sustancias absorbentes?"
Ocurre lo siguiente. Es muy difícil calcular con exactitud el valor del factor de multiplicación. Además, el número de neutrones puede aumentar en la pila a consecuencia de distintas causas. Finalmente, se necesita un elemento de arranque para poner la pila en marcha.
Todo ello está relacionado con una serie de interacciones sutiles y complejas, cuya explicación resulta prácticamente imposible en la fase presente dé nuestro relato. Por este motivo, nos detendremos
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nada más que en los aspectos más importantes.
Para que en la pila se inicie la reacción en cadena es preciso que en su interior exista tal cantidad de uranio y grafito para la cual el factor de multiplicación de neutrones sea superior, aunque sólo sea en lo más mínimo a la unidad, es decir, que cada acto de fisión del núcleo del uranio-235 vaya acompañado de la aparición por término medio de más de un neutrón.
Supongamos que el factor de multiplicación de los neutrones es igual a 1,001. En este caso, las fisiones de los núcleos del uranio, que se suceden con intervalos de 0,001 segundos, acrecentarán 10 mil veces la potencia de la pila al cabo de 10 segundos.
Es extraordinariamente difícil, e incluso imposible, idear dispositivos de control capaces de reaccionar con la rapidez debida ante semejantes cambios de la potencia del reactor.
No obstante, hubo quien considerase que, a pesar de todo, se puede controlar con suficiente seguridad y relativa facilidad el funcionamiento del reactor si se tiene en cuenta la existencia de los llamados neutrones retardados.
¿Qué neutrones son éstos, por qué y cómo se retrasan?
Para aclarar esto volvamos al proceso de fisión de los núcleos de uranio-235 o de plutonio.
El caso es que los dos o tres neutrones despedidos durante la fisión no aparecen simultáneamente, sino con cierto intervalo de tiempo. Primeramente son despedidos los neutrones instantáneos, que constituyen, aproximadamente, el 99% del total de neutrones.
Para ello no se requiere más que 10-12 segundos desde el momento
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en que es capturado el neutrón por el núcleo del uranio. Si existiera sólo esta clase de neutrones es muy probable que todavía durante muchos años no se pudiese ni siquiera pensar en la posibilidad de controlar las reacciones en cadena en las sustancias fisionables.
Sin embargo, por fortuna, los demás neutrones son despedidos por los fragmentos de la fisión y su emisión se retrasa entre 0,0001 de segundo y 1 minuto, aproximadamente, con respecto a los instantáneos.
Por tanto, si incluso se interrumpe bruscamente el funcionamiento de la pila mediante la intromisión de un absorbente ávido de neutrones, la emisión de estas partículas, despedidas por los productos de la fisión, proseguirá todavía en el transcurso de un minuto.
Precisamente estos neutrones retardados sugirieron la idea de la posibilidad de controlar la marcha de la reacción en cadena, ya que sólo gracias a ellos se puede reducir con gran rapidez el factor de multiplicación hasta una magnitud inferior a la unidad.
Ilustremos este proceso con un ejemplo convencional. Admitamos que la vida media de un neutrón instantáneo es de 0,001 de segundo, y que la de los neutrones retardados sea de unos 10 segundos aproximadamente. Entonces, la duración media efectiva de la vida del neutrón en la pila debe aumentar considerablemente hasta alcanzar el valor aproximado de 0,1 de segundo.
Con esta duración media de la vida del neutrón existen ya posibilidades de ejercer un control seguro de la pila mediante instalaciones automáticas e, incluso, de accionamiento a mano.
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Esta es la razón de que se introduzcan en la pila sustancias absorbentes de neutrones. Hemos dicho ya que algunas sustancias muestran particular avidez por absorber los neutrones, como por ejemplo, el boro y el cadmio. Estos elementos se emplean precisamente para las llamadas barras de control. ¿Cómo actúan estas barras?
Se introducen previamente en la pila atómica y el factor de multiplicación se reduce a menos de la unidad. Cuando se halla en el reactor la cantidad conveniente de uranio y de sustancia moderadora se van retirando lentamente las barras de control hasta conseguir que el factor de multiplicación alcance la magnitud necesaria. Entonces comienza la reacción en cadena, y las barras se encargan de vigilarla. En cuanto la potencia sobrepasa el nivel establecido, un dispositivo automático vuelve a introducir las barras. Inmediatamente éstas comienzan a absorber gran cantidad de neutrones y el factor de multiplicación desciende hasta adquirir de nuevo la magnitud requerida.
Hemos dicho que para mantener la reacción en cadena en la pila es necesario que el factor de multiplicación llegue a la unidad. En la práctica, esto no ocurre, pues de ser así, habría que construir pilas de dimensiones ilimitadas.
Veamos el ejemplo siguiente. Supongamos que se ha puesto a calentar un lingote grande de metal en un hornillo de kerosene. ¿Se logrará fundirlo al cabo de unos días, semanas o meses de calentamiento incesante?
Al principio, la temperatura del lingote comienza a subir con relativa
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rapidez, pero al cabo de cierto tiempo, deja de elevarse por más que se prolongue el calentamiento del metal. Llegará a alcanzar el estado de equilibrio térmico cuando el lingote, calentado hasta una temperatura determinada, comience a irradiar al espacio circundante la misma cantidad de calor que reciba del hornillo. En este caso sólo se puede elevar la temperatura del metal, aumentando la del fuego. Entonces sobrevendrá un nuevo estado de equilibrio.
Desde el punto de vista teórico, el metal se puede fundir. Para ello, basta colocarlo en un recipiente ideal que preserve al lingote de la pérdida de calor por radiación.
Pero, materiales capaces de producir aislamiento térmico tan absoluto no existen.
La analogía de este ejemplo con la reacción en cadena consiste en que parte de los neutrones resultantes de la fisión de los núcleos del uranio-235 se mueven durante cierto tiempo en el interior del lingote y luego salen al exterior. A medida que vaya aumentando el número de fisiones de los núcleos del uranio-235, la cantidad de estos neutrones que salen fuera de la pila crecerá de modo incesante hasta que sobrevenga el estado de equilibrio, o sea, cuando el incremento del número de neutrones resultantes de la fisión nuclear quede plenamente compensado a costa de los neutrones que escapan fuera de la pila.
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En el uranio, la reacción en cadena sólo puede producirse con determinadas dimensiones del lingote: a — cuando es pequeño el volumen del lingote, la mayor parte de los neutrones sale fuera del mismo; b — cuando el volumen del lingote es grande. La mayor parte de los neutrones tiene tiempo para fisionar los núcleos del uranio; c — si se utilizan reflectores de neutrones pueden emplearse cantidades mucho menores de uranio para dar comienzo a la reacción en cadena.
Entonces es cuando el número de fisiones en la unidad de tiempo se convierte en una magnitud perfectamente definida, es decir, el reactor alcanza una potencia determinada.
Es lógico que cuanto menores sean las dimensiones de la pila tanto más rápidamente sobrevendrá el estado de equilibrio y tanto menor será la potencia de la instalación. En una pila de dimensiones reducidas puede no producirse la reacción en cadena: para poder escapar en este caso del reactor, los neutrones tienen que recorrer distancias relativamente pequeñas y no tienen, tiempo de chocar
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con los núcleos del uranio-235.
Si se adoptan las medidas oportunas para devolver los neutrones que escapan fuera de la pila, se puede disminuir las dimensiones de la instalación sin variar su potencia.
Esto se logra construyendo en torno al reactor una coraza bastante gruesa de alguna sustancia que refleje bien los neutrones; por ejemplo, se puede emplear el grafito. El reflector es también moderador, pues los neutrones, al incidir en los núcleos del moderador, pueden reflejarse hacia atrás.
Después de reflejarse reiteradas veces al chocar con los núcleos del reflector, la mayor parte de los neutrones se reincorpora al reactor. De esta forma, las pérdidas de neutrones son menores, lo que permite disminuir las dimensiones de la pila.
Examinemos ahora otro problema importante que, como veremos en seguida, despertó particular interés en los primeros constructores de pilas atómicas.
¿Dónde van a parar los neutrones que resultan de la fisión de los núcleos del uranio-232? Parte de ellos escapa al exterior, parte se invierte en la fisión de nuevos núcleos, parte son capturados por el uranio-238 y las impurezas. De todas estas cuestiones ya hemos hablado antes. Pero, si la captura de los neutrones por los núcleos de las impurezas es perjudicial, y tratamos de reducirla a cero, ¿puede decirse lo mismo respecto a la captura de los neutrones por los núcleos del uranio-238?
Claro que no, ya que bajo la acción de los neutrones, estos núcleos producen plutonio, nueva sustancia fisionable artificial. Hace poco
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que nos preguntamos incluso ¿qué manantial de neutrones puede aseguramos la obtención de grandes cantidades de plutonio? Ahora ya se conoce tal manantial.
La pila atómica es al mismo tiempo fuente de energía y una especie de fábrica de plutonio.
A los primeros constructores de pilas nucleares interesaba más, precisamente, este aspecto del problema, pues sus actividades iban encaminadas al descubrimiento de métodos de obtención de materias primas para fabricar bombas atómicas. En esta pila atómica hallaron la fuente de neutrones necesaria para sus fines. Más adelante explicaremos cómo se obtuvo en la pila el plutonio a partir de bloques de uranio natural.
Esto es todo lo que se precisaba saber para encender la primera “hoguera atómica" en el mundo.
Su potencia estaba limitada de antemano a una magnitud relativamente pequeña, de varias decenas de vatios. Sin embargo, los hombres de ciencia sabían que operaban con una fuerza desconocida y extremadamente peligrosa, razón por la cual había que tomar medidas de precaución. En caso de que fueran erróneos todos estos razonamientos e imprecisos los cálculos preliminares, la reacción nuclear podría resultar incontrolable, y el reactor, una bomba atómica que explotaba de modo momentáneo, por descuido, en el laboratorio.
6. La “hoguera" en el laboratorio
El 2 de diciembre de 1942, en una pila de grafito y uranio, o como
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solía decirse, en una caldera de barras de uranio con bloques de grafito interpuestos, se excitó la primera en el mundo reacción nuclear en cadena, donde la misión principal a cumplir correspondía al neutrón, moderado mediante choques repetidos con los núcleos del grafito hasta la velocidad térmica, del orden de 0,02 electrones voltio.
Para protegerse contra cualquier imprevisión se colocaron ya durante la construcción de la pila unas placas revestidas de ambos lados con una capa de cadmio, absorbente enérgico de neutrones. La cantidad de cadmio era suficiente para capturar “en caso de emergencia" la totalidad de los neutrones que se producía durante la fisión del uranio.
La pila se montó del siguiente modo.
Eu tomo al futuro reactor se erigió una especie de pozo hecho de bloques de grafito. El espesor de las paredes y del fondo era de unos 60 cm. Esta coraza cilíndrica debía servir de reflector de neutrones.
Todos los neutrones que por una u otra razón lograsen salir fuera del reactor propiamente dicho sin cumplir su misión, o sea, la de fisionar los núcleos vecinos del uranio-235, al chocar con la capa compacta de carbono eran reflejados y devueltos al reactor.
Después, se colocaron en el interior del pozo reflector varias capas de bloques de grafito: una de bloques compactos, y la otra de bloques con dos orificios, donde se introducían barras metálicas de uranio de 2.5 kg cada una, revestidas de aluminio.
Así se obtuvo un enrejado metálico donde cada lingote de uranio en el bloque activo o de trabajo estaba separado del lingote vecino por
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medio de una capa de grafito del espesor de un bloque. El esquema de este reactor puede verse en la figura adjunta.
Además de los canales destinados a la introducción de placas de cadmio, había en la pila un gran número de orificios de distinta profundidad. Su misión consistía en captar la aparición y la acumulación de partículas radiactivas, radiaciones gamma y neutrones que se originaban durante la reacción en cadena en el reactor.
Conforme se aumentaba el número de bloques de manió, las placas de cadmio colocadas inicialmente en el interior de la pila se iban extrayendo poco a poco hasta no quedar una sola.
Por fin, cuando se colocó la quincuagésima capa de bloques de uranio y se extrajo totalmente una barra de cadmio, comenzó, como se esperaba, la reacción en cadena, controlada por el hombre. Después de ello, se añadieron varias capas más de bloques compactos, la tapa del reflector de neutrones. Comenzó la investigación profunda y minuciosa de la marcha de esta reacción, nueva para la Física.
La primera pila tenía dimensiones bastante grandes: 9 × 6, 3 × 9,6 m. Su peso total excedía de 1.400 toneladas.
Contenía aproximadamente 52 toneladas de uranio, de las cuales cerca de 10 toneladas, distribuidas en 3.200 cartuchos especiales, eran de uranio puro (metálico), y el resto, colocado en 14.500 cartuchos era óxido de uranio, puesto que en aquel tiempo no se disponía de la cantidad suficiente de uranio puro para poder llenar toda la pila.
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El control y el gobierno de la reacción se efectuaban Introduciendo o extrayendo convenientemente cinco placas de bronce, de 5,2 m de longitud cada una, revestidas de cadmio.
Estructura interior de la primera pila nuclear de uranio y grafito.
Para el moderador y la capa reflectora se emplearon 472 toneladas de grafito.
Esta primera pila nuclear era aún muy imperfecta. Al principio su potencia era hasta ridícula, era inferior a 1/20 de vatio. ¡Verdaderamente la fuerza de un mosquito!
Sólo pasado cierto tiempo se logró aumentarla hasta 200 patios.
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El reactor carecía de sistema de refrigeración; la energía obtenida no se aprovechaba. Tampoco poseía medios de protección contra las radiaciones.
Sin embargo, no era eso lo que preocupaba a los científicos.
Los cálculos teóricos, las hipótesis referentes tanto a la construcción del propio reactor como a todo el edificio de la Física nuclear, erigido al precio de tantos esfuerzos, podían desmoronarse o, al revés, verse confirmados de la manera más patente e incontrovertible, dependiendo todo ello del funcionamiento de esta primera instalación.
Era la comprobación práctica de la labor efectuada por los físicos en los cincuenta años precedentes, el primer intento de obtener una energía de magnitud apreciable de las reacciones nucleares. Nacía una nueva era, la era de la energía atómica.
Por lo que se refiere a la propia pila, se corroboraron los cálculos y todas las predicciones acerca de los procesos que habían de producirse en ella. Todo ocurría tal y como lo esperaban los hombres de ciencia.
Naturalmente, la puesta en marcha de la pila transcurrió en medio de infinidad de contratiempos y dudas pasajeras, a los que pronto reemplazó el júbilo de los investigadores.
La instalación del primer reactor atómico abría multitud de caminos por los que debían dirigirse poderosos destacamentos de sabios, y era muy difícil prever si coincidirían en algún punto las rutas de sus investigaciones quién llegaría más adelante, quién volvería sobre sus pasos, de dónde y a dónde habría que mandar refuerzos, etc.
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En los países capitalistas, el primer y más numeroso destacamento de hombres de ciencia se orientó por el camino de la producción de combustible atómico; el uranio-235 y el plutonio, necesarios para fabricar la bomba atómica, el arma más temible de nuestros días.
7. La bomba atómica
La fisión de un núcleo del uranio-235 se produce con rapidez inusitada aproximadamente en el transcurso de una cienmillonésima de segundo. Si se tiene en cuenta que cada acto de fisión supone la emisión de dos o tres neutrones, cada uno de los cuales fisiona, a su vez, un nuevo núcleo, está claro que al cabo de 100 ciclos, lo que dura alrededor de una millonésima de segundo, se fisionan los 3,0 × 1024 átomos que contienen 1 kg de uranio-235. Tiene lugar una explosión de enorme potencia destructora, durante la cual se desprende una energía equivalente a la detonación de unas 2.500 ó 3.000 toneladas del explosivo químico más enérgico.
Ahora bien, tal explosión puede producirse solamente cuando existen ciertas condiciones perfectamente determinadas.
Si la reacción en cadena se excita en una cantidad pequeña de uranio-235, no todos los neutrones libres pueden originar la fisión de los núcleos sucesivos. Muchos escapan fuera del lingote sin haber fisionado los núcleos del uranio que les correspondía. El factor de multiplicación en este sistema será inferior a la unidad, por cuya razón es imposible la reacción en cadena en pequeños lingotes de uranio-235, incluso del más puro.
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Para que se inicie la reacción en cadena, el lingote de uranio-235 debe poseer, además de la masa crítica, la forma más compacta (el volumen máximo con el mínimo de superficie).
Si se toma un lingote de tales dimensiones que el número de neutrones que aparecen en él sea mayor que el de los que lo abandonan, lo reacción en cadena tendrá el carácter de explosión.
La masa mínima de uranio-235 fisionable, suficiente para que se inicie la reacción, se llama masa crítica.
La determinación de la magnitud de esta masa crítica costó un trabajo arduo y supuso un gran riesgo para los constructores de la bomba atómica. Cualquier imprecisión en los cálculos y el más mínimo error podía causar la explosión atómica.
Una de las formas posibles de construcción de la bomba atómica es la siguiente. La masa crítica del uranio (o incluso un poco superior a la crítica) se divide en dos semiesferas, de forma que cada una sea sensiblemente inferior a la masa crítica.
Las semiesferas se separan la una de la otra a suficiente distancia, resultando así completamente imposible la reacción en cadena; la bomba en tal estado no representa peligro alguno.
Si se juntan con gran rapidez las dos semiesferas, por ejemplo,
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disparando una contra la otra, la masa total del lingote obtenido en el momento de unirse, será superior a la masa crítica, se iniciará la reacción nuclear en cadena y se producirá la explosión.
La masa crítica de cada semiesfera puede disminuirse si se la reviste con una envoltura que refleje los neutrones y los haga volver al lingote.
La necesidad de unir con gran rapidez las semiesferas se debe a que la reacción en cadena en la esfera total comienza una fracción ínfima de segundo antes de verificarse el acercamiento total, y la fuerza de la explosión incipiente puede dispersar los trozos de uranio en distintas direcciones antes de que comience la fisión de sus núcleos. También es un obstáculo para ello la compacta y pesada envuelta de la propia bomba. Según ciertos datos publicados, en_ la bomba atómica deben reunirse varios kilogramos de uranio-235 o plutonio.
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Capítulo VII
Teorías "aterradoras"
Contenido:
1. Partículas y ondas
2. Propiedades fundamentales de las partículas
3. Propiedades del movimiento ondulatorio
4. Cómo surgen las ondas electromagnéticas
Hasta ahora hemos expuesto sólo datos que, acumulándose poco a poco, orientaron y condujeron a los hombres de ciencia hacia la comprensión de las particularidades más sutiles que distinguen la estructura de la materia y permitieron descubrir las enormes reservas de energía que oculta en sus entrañas el núcleo atómico.
Los núcleos de los átomos de elementos químicos, que antes parecían ser diminutos “ladrillos" en la estructura del mundo material que nos rodea, resultaron estar, en la realidad, compuestos a su vez de partículas aún más pequeñas que se mueven con colosal energía y a velocidades fantásticas, quedando parte de ellas, pese a sus enormes fuerzas de repulsión, unidas por fuerzas todavía más monstruosas que actúan cual gigantescos muelles.
Aunque el origen y la verdadera naturaleza de estas fuerzas extraordinarias y antes desconocidas no se han puesto en claro todavía con aceptable exactitud, los hombres de ciencia no sólo supieron entrar en contacto con ellas, sino que incluso dieron con los medios de desencadenarlas.
Sería un error pensar que todas las búsquedas se hacían a tientas,
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a ciegas, sin bases teóricas que les sirvieran de guía. Todo lo contrario. Profundísimas investigaciones teóricas sugerían continuamente a los hombres de ciencia la dirección a seguir en sus búsquedas, explicaban las causas de que este o aquel proceso descubierto en el micromundo, por muy asombroso e inusitado que pareciese, transcurriera de una manera determinada, a pesar de que se sabía que en nuestro mundo habitual, el macromundo, estos procesos debían marchar por otro curso, y a veces completamente opuesto.
Es lógico que, al tropezar con fenómenos incomprensibles, a veces en contradicción con el sentido común humano, la teoría haya conducido en algunas ocasiones a los laberintos de la mera fantasía, sobre todo cuando la práctica colocaba a la teoría en situaciones sin salida, cosa que ocurría con bastante frecuencia. Sin embargo, precisamente la práctica científica impulsa el perfeccionamiento de la teoría y obliga a los hombres de ciencia a refutar, a echar por la borda las teorías caducas o demasiado precoces y poco fundamentadas.
Los experimentos efectuados con elementos radiactivos y el estudio de sus radiaciones muy pronto proporcionaron a los hombres de ciencia la suficiente cantidad de datos y hechos para formular nuevas teorías, más perfectas, verosímiles y rigurosas acerca de la estructura de la materia y explicar la existencia de la colosal energía encerrada en las entrañas del núcleo atómico, acusada en todos los experimentos, pero inexplicable por la llamada Física clásica.
Y por grande que sea el deseo de continuar la exposición de los
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acontecimientos que fueron causa de los primeros éxitos del hombre en la liberación de la energía atómica, recurriendo para ello en dicha descripción a las concepciones, imágenes y comparaciones habituales para dar una idea clara y justa de los procesos físicos que se producen en el mundo de los núcleos atómicos, debemos abordar, además, algunas cuestiones de carácter teórico, y con tal motivo volver un poco atrás, a los conocimientos que tenemos de las partículas, la masa, las ondas, las cargas eléctricas y la luz.
1. Partículas y ondas
El descubrimiento de la radiactividad es notable, además, porque obligó a los físicos a revisar de modo radical muchas de las numerosas concepciones precedentes, al parecer incontrovertibles, que tenían acerca de la naturaleza de los fenómenos físicos.
Por ejemplo, antes se consideraba que la energía podía transferirse por dos métodos completamente distintos: mediante el movimiento de las partículas (corpúsculos) o a través de ondas, oscilaciones excitadas en determinados medios materiales.
Al principio parecía que las emisiones radiactivas venían a confirmar la diferencia existente entre estos dos medios de transmisión de energía. Los rayos alfa resultaron ser núcleos de átomos de helio, de carga positiva; los rayos beta, electrones, es decir, partículas con carga negativa dotadas de enorme velocidad de movimiento. Solamente los rayos gamma mostraron ser verdaderos rayos, es decir, ondas electromagnéticas muy cortas, de longitud inferior a la de los rayos X.
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Los otros tipos de radiación nuclear, descubiertos posteriormente — los protones, neutrones, positrones, etc. también mostraron poseer propiedades de partículas.
Sin embargo, con el progreso de las investigaciones físicas se puso en claro que la anterior división de las radiaciones en partículas y ondas presentaba cada día mayores dificultades. En algunos experimentos, las ondas electromagnéticas se comportan como auténticas partículas, mientras que en otros ocurre todo lo contrario, las partículas muestran efectos explicables tan sólo como fenómenos ondulatorios.
En consecuencia, se comenzó a hablar de su naturaleza dual, es decir, del carácter ambiguo de las partículas y de las ondas.
2. Propiedades fundamentales de las partículas
Según la Física clásica, la partícula es un cuerpo material limitado por un espacio definido y poseedor de inercia, es decir, de la facultad de oponer resistencia a todo intento de ponerlo en movimiento cuando está en reposo, o de cambiar su velocidad o dirección cuando se mueve.
La inercia se mide por la masa de la partícula y se designa generalmente por la letra m. Por unidad de masa en el sistema de las mediciones físicas se emplea el gramo.
En consonancia con las leyes de la mecánica clásica, cualquier cuerpo en movimiento posee una reserva de energía cinética igual a la mitad del producto de su masa por el cuadrado de la velocidad, según la fórmula:
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E = ½mv2,
donde m representa la masa; v, la velocidad de movimiento del cuerpo o de la partícula.
Se admite que la velocidad puede adquirir en este caso cualquier valor, desde cero hasta la velocidad de la luz (c) y puede variar en cualquier sentido, según vaya adquiriendo o perdiendo energía la partícula durante su movimiento.
Experimentos muy escrupulosos y de alta precisión permitieron determinar primeramente la carga y luego, la masa de partículas tan diminutas como el electrón, que resultó ser igual a 9,11 ×10-28 de gramo.
Sin embargo, era imposible determinar con exactitud las dimensiones del electrón o el lugar que ocupa en el átomo en un momento dado. Lo que ocurre es que en este mundo de partículas tan diminutas y tan veloces, cualquier intento de localizarlas o medirlas conduce a que la partícula entra indefectiblemente en interacción con el agente físico externo (instrumento, aparato, sustancia, luz, calor, campos eléctricos y magnéticos, etc.) que se introduzca en este micromundo con fines de medición. Como consecuencia de esta acción externa, las propiedades de la partícula experimentan bruscos cambios, se modifica su velocidad, dirección del movimiento, energía, etc. Así, pues, el aparato de medición no acusa las propiedades que realmente tenían las partículas antes del experimento, sino las que resultan de su interacción con el
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instrumento. En tales casos, al objeto de poderse formar una idea de las auténticas propiedades de las partículas, se debe tomar en consideración su interacción con el instrumento, por más compleja y variada que sea. Cuanto mayor sea la exactitud con que se prevé y calcula esta interacción, cuanto más se repita, tanto mejor se logrará conocer las verdaderas propiedades de las partículas.
Por eso, en los casos en que no surgen contradicciones profundas, el electrón puede considerarse como un punto material que, lo mismo que en geometría, carece de dimensiones. Más exactamente, el electrón debe considerarse como un cuerpo de forma esférica de radio igual, aproximadamente, a 5,6×10-13 centímetros.
En la Física de las micropartículas, los hombres de ciencia no tuvieron más remedio que deducir unas dimensiones medias de las partículas, adivinar o predecir su posición o propiedades, basándose en el gran número de observaciones y mediciones efectuadas. Además, hay que tener en cuenta que al verificar cada una de estas mediciones la partícula se halla en una fase distinta de su auténtica posición o movimiento. El análisis global de las observaciones sólo nos da una idea aproximada de las verdaderas propiedades de las partículas.
Al chocar con cualquier obstáculo móvil o fijo, la partícula en movimiento le entrega parte o toda su energía cinética. La experiencia de la vida cotidiana permite imaginarse fácilmente este proceso. Mucho más difícil es llegar a comprender la transmisión de la energía en el movimiento ondulatorio.
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3. Propiedades del movimiento ondulatorio
El tipo más sencillo de movimiento ondulatorio es la sucesión de olas que se forman en la superficie del agua. Al caer una piedra en el estanque, el agua parece precipitarse con gran velocidad en todas direcciones, tendiendo a alejarse del centro de la vibración o perturbación. Sin embargo, el agua no inunda las orillas ni tampoco deja el menor hoyo en el lugar de la caída de la piedra. Las astillas o corchos que flotan en la superficie no son llevados a la orilla, sino que quedan en su sitio meciéndose repetidamente al compás de las olas. El medio que propaga las olas no se traslada con ellas, sino que permanece en su sitio. No se traslada más que la perturbación.
El movimiento ondulatorio también tiene sus particularidades y leyes. La más importante es su frecuencia, es decir, el número de vibraciones por segundo (ν). La frecuencia no depende del medio en que se propaga la onda, sino de la naturaleza de la fuente que ocasiona las perturbaciones. Cualesquiera que sean las circunstancias, la frecuencia de la onda que se propaga en algún medio sólo puede ser idéntica a la frecuencia de la fuente productora de las vibraciones. En cambio, la velocidad de propagación de la onda depende enteramente de las propiedades del medio y no guarda la menor relación con el manantial de ondas. El medio es el que determina la velocidad de propagación de las ondas. Si la frecuencia del manantial es ν, y la velocidad de propagación de las ondas en el medio dado es c, la longitud de onda en un segundo será:
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λ = c/ν
Otro índice característico de la onda es su amplitud, de la que depende la energía, propia de la onda a una determinada velocidad de propagación. Se llama amplitud de la onda la semidistancia vertical desde la posición de equilibrio o en reposo del medio, por ejemplo, la superficie del agua en el estanque, y el punto de elevación máxima de la onda. Las amplitudes pueden ser muy distintas, basta comparar las suaves ondas en el estanque y la fuerza poderosa del oleaje durante un temporal en el océano.
El tipo más expresivo de movimiento ondulatorio — las olas en la superficie del agua— y sus características más importantes.
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Dado que las ondas se propagan uniformemente en todas las direcciones (en círculos o esferas), a partir del foco o centro de excitación, cualquier circunferencia donde todos sus puntos tienen igual desplazamiento se llama frente de la ola.
El movimiento ondulatorio guarda relación con numerosos fenómenos comunes a todas las ondas.
Cuando una onda, o un rayo luminoso, si se trata de la luz, incide en una superficie lisa, se refleja, dándose la particularidad de que el ángulo de reflexión es igual al de incidencia. Debemos señalar que la reflexión se produce no sólo en el movimiento ondulatorio. Si cae una bolita de acero sobre una plancha liana, el ángulo que forma con la normal al rebotar es igual al ángulo que tenía al chocar.
Cuando la onda pasa de un medio a otro donde la velocidad de propagación es distinta, cambia su dirección de movimiento (fenómeno de la refracción).
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Interferencia de las ondas: arriba, suma; abajo, sustracción.
Cuando dos ondas de igual longitud y amplitud, pero de fase contraria, se superponen de modo que la cresta o punto máximo de una coincida con la depresión o punto mínimo de la otra, tiene lugar el amortiguamiento o neutralización de ambas, se produce su extinción.
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Ondas transversales y longitudinales; o — desplazamiento transversal de las partículas del medio; b — desplazamiento longitudinal.
Si las ondas que se superponen coinciden en sus puntos máximos y mínimos, se refuerzan mutuamente y se duplica su amplitud. Este fenómeno se denomina interferencia y es característico solamente para el movimiento ondulatorio.
El proceso ondulatorio encierra, además, algunas diferencias esenciales y muy sutiles. Por ejemplo, las ondas pueden distinguirse por la dirección del desplazamiento de las partículas del medio en que se propagan (del aire, del agua, de algún cuerpo sólido, etc.).
En las ondas sonoras, la vibración de las moléculas del aire se produce a lo largo de la dirección de propagación de la onda. El aire se comprime y se dilata sucesivamente. Tal onda se denomina longitudinal. Al caer una piedra en el agua, la onda que se forma es transversal y en ella las moléculas del agua se desplazan en
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dirección perpendicular a la del movimiento de la onda.
Además de las ondas transversales, pueden surgir en el agua ondas sonoras longitudinales.
4. Cómo surgen las ondas electromagnéticas
Sabemos que los cuerpos cargados con electricidad de distinto signo se atraen, y los cargados con electricidad del mismo signo se repelen. Esta propiedad de los cuerpos con carga eléctrica, gracias a la facilidad con que se comprueba en los experimentos, se ha hecho tan habitual y corriente que quizás no ha suscitado nunca la menor duda.
Una circunstancia importantísima relacionada con el efecto que ejercen las cargas eléctricas una sobre la otra consiste en que si se cambia la distancia o la disposición recíproca entre las cargas, desplazando una de ellas, la otra no reacciona instantáneamente ante el cambio, ni tampoco en el mismo momento de haber sido tocada la primera carga, sino sólo después de transcurrir cierto tiempo, es decir, pasado el tiempo que la luz necesita para recorrer la distancia entre estas dos cargas.
En relación con esto conviene recordar un acontecimiento que conmovió a los físicos del mundo entero.
En 1938 se descubrió en los archivos de la Royal Society de Gran Bretaña una carta de Miguel Faraday fechada en 12 de marzo de 1822. Por orden del autor, la carta sólo podría abrirse pasados cien años.
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“La propagación del efecto magnético requiere cierto tiempo —escribía el sabio—, es decir, cuando un imán actúa sobre otro o sobre un trozo de hierro situado a distancia, la causa influyente (a la que me permito llamar magnetismo) se transmite a partir de los cuerpos magnéticos gradualmente y requiere para su propagación cierto tiempo que, evidentemente, será de magnitud muy pequeña.
Supongo asimismo que la inducción eléctrica se propaga de modo idéntico. Me inclino a admitir que la difusión de las fuerzas magnéticas a partir del polo magnético se parece a las ondulaciones de la superficie del agua agitada o a las vibraciones sonoras de las partículas del aire, es decir, estoy dispuesto a aplicar, tal como se ha procedido respecto al sonido, a los fenómenos magnéticos la teoría vibratoria, que es la que ofrece la explicación más probable de los fenómenos lumínicos".
En esta carta Faraday remarcaba que en todos los fenómenos eléctricos y magnéticos el papel fundamental corresponde al ambiente físico intermedio.
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Si se desplaza en el espacio una carga eléctrica, la otra carga no reacciona simultáneamente ante tal cambio, sino pasado el tiempo que necesita la luz para cubrir la distancia entre estas dos cargas.
Así es como el desplazamiento de cargas eléctricas da lugar al surgimiento y la difusión de ondas electromagnéticas en todas las direcciones a la velocidad de la luz.
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El conocido físico inglés James Maxwell, discípulo de Faraday, formuló la hipótesis de que en torno a las cargas en movimiento surge un campo electromagnético alterno que se propaga con la velocidad de la luz en todas las direcciones en forma de ondas electromagnéticas. Maxwell demostró que la luz visible es un sector muy estrecho de las vibraciones electromagnéticas de muy alta frecuencia, es decir, estableció la ligazón y semejanza entre los fenómenos eléctricos y luminosos.
Lo mismo que la luz, son vibraciones electromagnéticas las ondas de radio, la luz invisible ultravioleta e infrarroja y los rayos X y gamma emitidos por las sustancias radiactivas.
5. ¿Qué es la luz?
En 1899, el físico ruso P. Lébedev, profesor de la Universidad de Moscú, realizó una serie de experimentos en los que se requería extraordinaria sensibilidad y maestría, y demostró que la luz ejerce presión en todas las sustancias sobre las que incide, y logró medir con exactitud el valor de dicha presión.
Una plaquita metálica muy delgada, interpuesta en la trayectoria de un rayo luminoso, comenzaba a moverse en la dirección de propagación de la luz por efecto de la presión lumínica.
El asombroso descubrimiento de que la luz ejerce presión condujo a la conclusión de que el flujo lumínico posee masa. Este descubrimiento fue otra brillante confirmación de la razón que asiste al concepto materialista de la naturaleza de los distintos fenómenos físicos.
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Por algo lo recibieron de uñas los filósofos reaccionarios.
Ahora bien, como hemos visto ya, la masa es una de las propiedades físicas fundamentales de la materia.
Claro está, que no son idénticos ni mucho menos los conceptos “materia" y “masa" y que, por consiguiente, no puede explicarse la materialidad de alguna cosa por el solo hecho de poseer éstas propiedades de masa.
Por eso, el descubrimiento de P. Lébedev proporcionó una nueva y muy importante demostración científica de la unidad indisoluble de la materia y el movimiento en forma de relación perfectamente real y regular entre la masa y la energía de la luz.
Permitió a los hombres de ciencia sacar la única deducción acertada de que la luz es una de las formas de la materia en movimiento, o sea, que todo el mundo material —la materia en movimiento — existe bajo dos formas fundamentales que guardan estrecha relación mutua; en forma de partículas de sustancia en movimiento y en forma de luz.
Pero una cosa es llegar a la conclusión de que la luz es una de las formas de existencia de la materia en movimiento, y muy otra es poder demostrarlo experimentalmente.
6. Los cuantos son partículas de luz
Aunque la conducta de la luz, los rayos X y los rayos gamma en las condiciones corrientes parecía demostrar su naturaleza ondulatoria, se observaban al mismo tiempo varios fenómenos que la teoría del proceso ondulatorio no podía explicar y que sólo era posible
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comprender en caso de admitir que las ondas, por lo menos en su interacción con la sustancia, poseen propiedades de partículas con magnitud determinada, finita.
Uno de estos fenómenos está relacionado con el llamado efecto fotoeléctrico, que consiste en lo siguiente. La iluminación de una plaquita metálica con rayos ultravioletas o X origina en ella la emisión de electrones cuya energía cinética depende de la frecuencia de los rayos que iluminan la plaquita, pero no guarda relación con la intensidad de la luz incidente. Esta última sólo influye sobre la cantidad de electrones emitidos en la unidad de tiempo.
Otro fenómeno del mismo orden es el famoso experimento de A. Compton. Su esencia consiste en lo siguiente: un fino haz de rayos X incide en un trocho de carbón y es dispersado por él en todas las direcciones. En torno al carbón gira un espectrógrafo de rayos X, aparato destinado a descubrir los rayos X que se reflejan del carbón bajo distintos ángulos. De acuerdo con la teoría ondulatoria, la energía de los rayos X debe transmitirse a los electrones de los átomos de carbono y convertirlos en nuevos centros de excitación, de los cuales estos rayos parten ya como ondas secundarias. Este proceso no puede, por lo visto, cambiar más que la dirección en que se reflejan los rayos y no altera en absoluto la longitud de sus ondas. En lugar de ello, las mediciones muestran que la longitud de onda de los rayos secundarios dispersos, coinciden con la longitud de onda de los rayos primarios sólo en el caso de que el ángulo de reflexión sea igual a 0°. Para todas las demás direcciones, la longitud de onda crece a medida que aumenta el ángulo de
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desviación del rayo.
Si la radiación incidente no fuese en la realidad más que movimiento ondulatorio, el fenómeno observado no tendría explicación. Ahora bien, Compton afirma que este proceso de interacción de los rayos X con los electrones se debe a que los primeros se comportan no sólo como ondas, sino también, en cierto modo, como partículas que poseen cada una su determinada energía e impulso.
Experimentos posteriores confirmaron la conclusión de Compton. Sin embargo, el rayo X no se asemeja totalmente al flujo de partículas. Se mueve con velocidad c constante que no depende de su energía.
Así se estableció que las propiedades ambiguas de ondas y partículas pueden atribuirse con igual fundamento tanto a la luz como a los rayos X y gamma.
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Representación esquemática del efecto fotoeléctrico de la luz
(desplazamiento de electrones). El fotón, portador de cierta porción de energía (cuanto Σ - hv), invierte toda o cierta parte de esta energía en el trabajo E necesario para desplazarlo desalojar el electrón del átomo. Gracias a ello, el electrón adquiere una energía cinética igual a la diferencia entre la energía del cuanto ajeno y la invertida en el desplazamiento del electrón desalojado (Σ - E.). Si la magnitud de la energía del cuanto Σ es inferior a la magnitud E, el electrón no abandona el átomo y no se produce efecto fotoeléctrico. Sin embargo, la intensidad de la luz no influye en la energía cinética de los electrones desplazados. Sólo influye en la cantidad de electrones desplazados en una unidad de tiempo, es decir, en la intensidad de la corriente fotoeléctrica. La energía cinética de los electrones y, por consiguiente, la tensión de la corriente eléctrica creada por el flujo lumínico depende de la velocidad de los electrones, es decir, de la energía (Σ - hv) de los cuantos de emisión que desplazan a estos electrones.
En 1901, el eminente físico alemán Max Planck formuló su teoría cuántica, según la cual en el proceso de las transformaciones físicas y de la interacción de los átomos de la sustancia, la energía no se desprende ni se consume en continuo torrente, sino que, diríase, se concentra en pequeñas cantidades o porciones finitas. Dicho de otro modo, el sabio expuso una hipótesis de existencia de algo así como átomos de energía. Posteriormente estas porciones de energía se denominaron cuantos.
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Por consiguiente, la absorción de luz por las distintas sustancias, así como la emisión de luz por los átomos de las sustancias excitadas, por ejemplo, calentadas hasta hacerse luminosas, se produce en cuantos, o sea en porciones bien determinadas.
El célebre experimento de Compton. La longitud de onda de los rayos X difundidos por los átomos de la sustancia depende directamente del ángulo de reflexión de los rayos. Si la radiación incidente fuese de índole ondulatoria, semejante fenómeno no tendría explicación. De ahí la deducción de Compton de que en el proceso de interacción de los rayos X y los electrones, los primeros no se portan como ondas, sino como partículas cada una de las cuales está dotada de determinada energía e impulso. Al chocar con el electrón bajo distintos ángulos, los
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cuantos de los rayos X les transmiten distinta cantidad de energía:
mayor en los ángulos pequeños, menor en los grandes.
Planck consideraba que la magnitud de la energía del cuanto se haba mediante la fórmula:
E = hν,
donde E es la energía en ergios; ν la frecuencia de las vibraciones radiadas por el manantial; h, cierta magnitud constante igual a 6,62 × 10-27 ergios por segundo, la "constante de Planck".
De esta simple igualdad se deduce que cuanto mayor sea la frecuencia de la radiación electromagnética absorbida o emitida por una sustancia, tanto mayor será la energía de cada cuanto de dicha radiación.
Al aumentar la energía del cuanto, se reduce la longitud de onda.
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Tal es la compleja relación que guardan entre sí la energía del fotón,
la longitud de la onda electromagnética, inherente al cuanto de energía de dicho fotón, y la masa que corresponde a semejante energía.
Sin embargo, la energía sólo puede consumirse o emitirse al alcanzar una magnitud determinada, inherente sólo al proceso físico en cuestión, correspondiente a un número entero de cuantos» lo mismo que no puede existir una carga eléctrica menor que la del electrón o del protón.
En 1905 Alberto Einstein, el más eminente físico de los últimos años dio a conocer varios trabajos suyos que ejercieron enorme influencia en el desarrollo de la física moderna. En particular,
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enfocó de una manera original uno de los problemas fundamentales de la Física, el de la naturaleza de la luz. Esto permitió al famoso físico danés Niels Bohr explicar la emisión de luz por los átomos de un gas luminiscente enrarecido, partiendo de que cada electrón, hallándose el átomo en estado energético normal, puede permanecer en él en condiciones estrictamente determinadas de movimiento (llamados estados cuánticos) y pasar de uno de tales estados a otro sólo después de emitir o absorber un cuanto de energía de radiación de frecuencia también rigurosamente determinada. Dicho con otras palabras, el electrón, que gira en torno de su propio eje y alrededor del núcleo atómico, no puede ocupar lugar más que en una de las órbitas electrónicas bien limitadas (en las alejadas del núcleo, cuando el átomo se halla a un elevado nivel energético, y en las próximas, al tratarse de bajo nivel energético) y saltar de una órbita a otra sólo después de absorber o emitir un cuanto de luz.
Los átomos de gas luminiscente atravesado por una corriente eléctrica adquieren un estado energético elevado (estado de excitación) tras de absorber un cuanto de energía de magnitud rigurosamente determinada y dependiente de las propiedades físicas de la sustancia dada. Ahora bien, los átomos no pueden permanecer mucho tiempo en tal estado de excitación, por cuya razón el electrón retorna inmediatamente a su estado normal (se traslada a la órbita anterior, más próxima al núcleo atómico). Al producirse este fenómeno, el átomo irradia el exceso de su energía en forma de cuanto de luz o lo transmite a otro electrón. Cuanto más cerca del núcleo se baila el electrón, mayor es la fuerza que los une, más
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energía se requiere para arrancarlo del átomo o trasladarlo a una órbita más distante del núcleo. En cambio, al volver a este nivel, el electrón desprende un cuanto de luz dotado de más energía que si volviese a una órbita situada a mayor distancia del núcleo del átomo.
Dado que la luz, al ser una de tantas formas de existencia de la materia, se comporta al mismo tiempo como partícula y como onda, la partícula lumínica, portadora de un cuanto de energía se denomina fotón, por analogía a tales partículas materiales como el electrón, el protón, etc., con lo cual se subraya su carácter corpuscular.
7. Naturaleza ondulatoria de las partículas
Gracias al desarrollo posterior de las investigaciones teóricas y, principalmente, experimentales, el físico francés Luis de Broglie formuló en 1925 la hipótesis que parecía llamar a la puerta ella misma, de que cualesquiera partículas en movimiento pueden también poseer propiedades ondulatorias. Es más, dedujo la fórmula de la longitud de onda equivalente de la partícula en movimiento:
λ = h/mν
donde h es la constante de Planck.
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El físico francés Luis de Broglie descubrió que la difracción de un haz de partículas (electrones), que pasan a través de una lámina de estaño cristalino, se produce exactamente de la misma manera que la a difracción del haz lumínico.
Esta hipótesis teórica se vio luego confirmada experimentalmente. Un haz electrónico proyectado sobre la superficie de un cristal o una laminilla metálica se porta de la misma manera que los rayos X o lumínicos. Propiedades análogas se observaron también en otras partículas, átomos de hidrógeno, helio, neón y, últimamente, en los neutrones.
Empero, se puso en claro otra circunstancia muy importante, demostrativa de la diversidad infinita de los fenómenos en la naturaleza.
Las “ondas de la materia", previstas por Luis de Broglie,
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relacionadas con la partícula en movimiento, no son al propio tiempo ondas electromagnéticas como, por ejemplo, los rayos X o gamma, a pesar de que pueden tener longitudes de onda iguales a ellos.
8. La gran ley
Sin embargo, volvamos un poco atrás. En 1905, Einstein hizo otro descubrimiento, todavía más importante, que revolucionó los conceptos que se tenían entonces de la naturaleza de la sustancia.
Hablando con propiedad, no era un descubrimiento, sino toda una teoría fundamental, que entró en la ciencia con el nombre de la teoría de la relatividad. Una de tus conclusiones más importante de esta teoría consistía en que ningún cuerpo puede moverse en el vacío a velocidades superiores a la de la luz.
Sirvieron de estímulo a la formulación de la teoría los experimentos efectuados ya en 1900, con los cuales se había establecido que la masa del electrón en reposo se distingue de la masa del mismo en estado de movimiento y crece con el aumento de la velocidad del movimiento.
Esta afirmación estaba en pugna con la ley fundamental de la mecánica de Newton, dominante entonces, de que la masa de un cuerpo no depende de la velocidad y que, por consiguiente, cualquier esfuerzo adicional aplicado al cuerpo en estado de movimiento, debe aumentar proporcionalmente su velocidad. Por ejemplo, un proyectil que sale disparado de la boca de un cañón a la velocidad de 1.000 metros por segundo adquiere la velocidad de
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1.300 metros si el canon se emplaza en un avión que vuela en la dirección del disparo a la velocidad de 300 m por segundo. Si se dispara en la dirección contraria al vuelo del avión, la velocidad del proyectil será igual a 700 m por segundo, es decir, la velocidad del vuelo del proyectil es igual a la suma o a la diferencia de las velocidades del avión y del proyectil en el momento de salir del cañón.
De acuerdo con la mecánica clásica, la fuerza constante que actúa sobre la masa de un cuerpo cualquiera incrementará continuamente la velocidad de éste hasta llegar a la velocidad de la luz. En cambio, la teoría de la relatividad afirma que esto es imposible, puesto que debe tenerse en cuenta la existencia de dos masas completamente distintas: la masa en reposo m0 y la masa m que corresponde a la velocidad de movimiento del cuerpo en cuestión.
Para las velocidades pequeñas v, la masa m es prácticamente igual a la masa en reposo m0. Pero, si la velocidad se aproxima a la de la luz, la masa m comienza a crecer rápidamente.
Así, pues, la acción de la fuerza trae como consecuencia tal aumento de la masa del cuerpo que su velocidad se mantiene siempre inferior a la de la luz.
Basándose en estas conclusiones, así como en los trabajos de P. Lébedev sobre la presión lumínica, Einstein dedujo una importante relación que liga la masa y la energía, medida física de su movimiento.
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Tal es la compleja relación que guardan entre sí la energía del electrón, la velocidad de su movimiento, la masa y la temperatura que corresponde a esta energía de movimiento.
La masa y la energía se hallan en estrecha relación mutua. Cualquier cuerpo material —bien sea sustancia o luz— posee su masa y la energía que le es proporcional, y viceversa, cualquier cuerpo material que posee energía, posee también una masa que le es proporcional.
La energía es inconcebible sin la materia y sólo puede existir donde
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exista materia. Por consiguiente, el movimiento y la energía existen sólo como movimiento y energía de la materia.
Lo que pasa con un proyectil corriente disparado desde un avión en pleno vuelo, y lo que ocurriría con un proyectil que tuviese la velocidad de la luz.
Este principio, que se convirtió en importantísima ley de la Física
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moderna, se expresa matemáticamente por la siguiente fórmula:
E = m0c2
donde E es la energía expresada en ergios; m0 es la masa, expresada en gramos, del cuerpo en reposo; c, la velocidad de la luz en centímetros por segundo.
A medida que crece la velocidad de movimiento, aumenta
infinitamente la masa del cuerpo, debido a lo cual éste no puede moverse, en ningún caso, a velocidades mayores que la de la luz. Las cifras que se ven bajo la escala inferior del dibujo representan la relación entre la velocidad del cuerpo y la de la luz; las que figuran al
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lado de la curva expresan el ritmo de aumento de la masa del cuerpo en movimiento.
De este modo, si la masa se mide en gramos, la cantidad de energía, expresada en ergios e indisolublemente unida a ella, es igual al número de gramos multiplicado por el cuadrado de la velocidad de la luz. Dado que la luz, y por consiguiente, el cuanto de radiación electromagnética tiene masa, posee también una energía proporcional a dicha masa.
Si un átomo excitado emite un cuanto de luz (un fotón), pierde junto con la energía cierta porción de su masa: se la lleva consigo el fotón. Autos de la radiación, era la masa de una parte del campo electromagnético de las cargas del átomo; después de la radiación, es la masa del fotón, que sólo puede propagarse a la velocidad de la luz.
Aquí hay que subrayar que no se trata ni puede jamás tratarse de transformación directa de la masa en energía ni tampoco de transformación inversa, como se afanan en afirmar los físicos burgueses haciendo deducciones erróneas de los trabajos de Einstein.
Algo más tarde Einstein dijo que el fenómeno de la radiactividad, gracias al gran desprendimiento de energía que lo acompaña, permite comprobar en la práctica, siempre y cuando se verifiquen adecuadamente los experimentos, la fórmula deducida por él acerca de la relación cutre la masa y la energía. El sabio escribió:
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"La masa de un cuerpo expresa la medida de la energía que contiene este cuerpo; si la energía aumenta multiplicándose por cuatro, la masa aumentará en el mismo sentido, multiplicándose por 4/(9×1020) con la particularidad de que la energía se mide en ergios, mientras que la masa, en gramos. No está excluido que la comprobación de la teoría dé los mismos resultados para los cuerpos de energía extremadamente inconstante (las sales de radio, por ejemplo)".
9. ¿En qué consiste el defecto de masa?
La aplicación de la fórmula de Einstein al problema que estamos examinando pone en claro las conjeturas de los hombres de ciencia sobre las enormes reservas de energía ocultas en las entrañas del átomo y relacionadas con el movimiento de las partículas elementales que lo componen.
Si en el proceso de una reacción nuclear se produce cierta disminución de la masa de sustancia, esto debe ir acompañado inevitablemente de la liberación (radiación) de gran cantidad de energía.
¿Por qué, entonces, no advertimos, en las condiciones ordinarias, el aumento o la disminución de la masa, y por tanto, del peso de los cuerpos cuando su energía se incrementa o reduce sensiblemente, por ejemplo, durante el calentamiento o enfriamiento intenso? La cosa es muy sencilla.
Supongamos que se calienta una tonelada métrica de agua a la
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temperatura de 100°. En este caso, la velocidad del movimiento de las moléculas del agua aumenta en grado considerable. El peso del líquido aumentará, aproximadamente, 5 millonésimas de gramo (4,65 × 10-6 g) debido a la energía adquirida con el calentamiento. En la práctica es imposible percibir tal aumento de masa.
En el mundo de las partículas atómicas operamos con velocidades muy distintas, que superan muchos miles de veces a las velocidades del movimiento de las moléculas al calentarse la sustancia.
Por ejemplo, la partícula beta (un electrón) que sale del núcleo durante la desintegración del mismo puede tener una velocidad de hasta 248 mil kilómetros por segundo. A tales velocidades, la energía del electrón aumentará en tal medida que la proporción entre este incremento y el de la masa del electrón será, aproximadamente, igual a 1,78 veces.
Este hecho se confirmó brillantemente cuando comenzaron a utilizarse los potentes aceleradores modernos de partículas cargadas.
Si se emplease toda la energía que produce en un año la Central Hidroeléctrica Lenin (en el Volga), la más potente del mundo, para cargar un acumulador fantástico, el peso de éste no aumentaría más que unos 400 gramos.
Si tomamos cierta cantidad de sustancia, 1 gramo, por ejemplo, la energía encerrada en su seno, que se halla en relación mutua con su masa, calculada de acuerdo con la fórmula de Einstein, debe ser igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz, es decir:
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E = m0c2 = 1(3×1010)× (3×1010) = 9×1020 ergios.
El ergio es una magnitud muy pequeña, equivalente al trabajo mecánico realizado cuando el punto de aplicación de una fuerza de una dina se desplaza en la longitud de un centímetro en la dirección de dicha fuerza.
Es tan pequeña esta magnitud que la unidad de medida de la energía eléctrica habitual —el kilovatio-hora— es igual, aproximadamente, a 3,6 × 1020 ergios. Sin embargo, la cantidad de energía encerrada en un gramo de sustancia y calculada según la fórmula antes mencionada es tan grande que equivale a 25 millones de kilovatios- hora, ni más ni menos. Es igual a la producción anual de una central eléctrica importante.
1 kilogramo de no importa qué sustancia —ya sea hulla, piedra o plumón— podría desprender, teóricamente, una energía de 25 mil millones de kilovatios-hora, en tanto que la combustión de la misma cantidad de carbón en un horno corriente no produce más que 8,5 kilovatios-hora. La diferencia es, como vemos, bien sensible, de unos 3 mil millones de veces.
Sin embargo, de estos cálculos no se infiere de ninguna manera que el hombre logre algún día liberar toda la energía encerrada en la sustancia. Ello significaría que todas las partículas que integran la sustancia, al entregar toda su energía adquirirían el estado de reposo absoluto, lo que contradice al principio de la conservación de la energía.
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Ahora bien, para superar las fuerzas que mantienen unidas a las partículas del núcleo atómico es preciso invertir inicialmente cierta cantidad de energía. Sólo entonces, el núcleo, al desintegrarse o cambiar de estructura, tras de perder algunas partículas desprende con ellas cierta cantidad de energía. Por tanto, resulta que las partículas elementales no siempre se hallan unidas en los átomos de la sustancia de tal forma que la diferencia entre la energía desprendida durante la desintegración del núcleo atómico o durante su reestructuración es mayor que la invertida para su destrucción.
En qué casos se gasta menos (a la izquierda) energía y más (a la derecha) que la que se obtiene.
Por consiguiente, para obtener grandes cantidades de energía no se deben destruir o reestructurar más que los núcleos de los elementos
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para los cuales la inversión de energía para su destrucción sea inferior a la energía liberada.
Desde el punto de vista de la Física nuclear, vivimos en un mundo lleno de infinidad de muelles de las más diversas clases, contraídos al máximo en el proceso de su formación, donde cada uno de ellos puede soltarse en determinadas condiciones para efectuar, al extenderse un trabajo y desprender la energía que lleva acumulada. Es evidente que si se pueden soltar los muelles también se los podrá contraer por vía artificial. Por el momento, el hombre está interesado en soltar el trinquete de estos muelles, en hallar resortes y trinquetes que permitan invertir el mínimo de la energía que posee en cantidades relativamente modestas.
Sería mejor si, al soltar un muelle pequeño, se lograra abrir los trinquetes de otro muelle mucho mayor. Empecemos por el “muelle" más grande que conocemos. Aunque como sabemos ya lo primero que logró el hombre fue abrir el trinquete de un “muelle" pequeño. Algo dijimos de su origen al referirnos a los notables experimentos de Cockcroft y Walton.
En el curso de la reacción nuclear se produce cierta disminución de la masa de la sustancia y, al mismo tiempo, la liberación (emisión) de gran cantidad de energía. ¿De dónde procede, pues, esta energía? Como ya se sabe, el núcleo del átomo de helio consta de dos protones y dos neutrones. Para desintegrar el núcleo en sus partículas elementales se precisa superar enormes fuerzas de atracción que mantienen unidas a estas partículas, pero que actúan sólo a una distancia aproximadamente igual a dos diámetros del
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núcleo.
Sobre los protones que integran el núcleo atómico actúan fuerzas de distinto carácter: las fuerzas repelentes de sus cargas positivas y las de atracción intranuclear (más potentes) que comprimen y mantienen a los protones juntos. La acción de las primeras comienza a grandes distancias, mientras que la de las fuerzas intranucleares no se extiende más allá de dos diámetros del núcleo atómico.
Ello requiere, como es natural, la inversión de grandes cantidades de energía. Se necesita lograr, por ejemplo, que impacto en el núcleo del helio alguna partícula pesada acelerada hasta una velocidad colosal. En cuanto las partículas del núcleo hendido del helio se dispersen separándose a una distancia superior a dos diámetros del mismo, cesa la acción de las fuerzas intranucleares y entran en función las fuerzas repelentes de los dos protones cargados eléctricamente que salen despedidos en direcciones opuestas con no menos energía. Desde este momento, el núcleo que se fisiona deja
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de absorber energía y pasa a desprenderla.
Veamos lo que sucede cuando se unen cuatro núcleos atómicos de hidrógeno. Es lógico suponer que para que se unan estas partículas se necesita primero vencer la acción repelente, muy enérgica, de los cuatro protones cargados positivamente.
En los casos de transmutaciones (reacciones) nucleares también tiene lugar desprendimiento o absorción de energía. Estas reacciones se producen tanto en los casos de desintegración de los núcleos (a) como en los casos de su fusión (b).
Luego, cuando las partículas se hallen en la esfera de acción de las
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fuerzas nucleares de atracción, deberán comprimirse aún más, y su masa disminuirá, lo que irá acompañado del desprendimiento consiguiente de energía. Naturalmente esta energía no se desprenderá en forma de sustancia imponderable e inmaterial. Serán cuantos de radiación (fotones) perfectamente reales y provistos de energía extraordinaria, electrones y positrones superfluos (pie se hallan en exceso en el átomo de helio, así como otras partículas y radiaciones. Esta disminución de la masa de la sustancia acompañada de desprendimiento de energía se llama defecto de masa.
Comprobemos este cuadro, no es del todo exacto, pero más o menos gráfico, del cambio que experimenta la masa y la energía de la sustancia durante la reestructuración de las partículas, en el ejemplo de la formación del núcleo del helio (He24) a partir de dos protones y dos neutrones.
La suma de las masas de los protones y neutrones que se unen para formar el núcleo del átomo de helio será igual a:
2 protones × 1.0076 + 2 neutrones × 1.0089 = 4,033 unidades de masa atómica (u.m.a.).
La masa del núcleo del helio, constituido en su debido tiempo a partir de idénticas partículas, medida con la mayor precisión a base de procedimientos modernos, es igual a 4,003 u.m.a., es decir, 0.03 u.m.a. menos.
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Cómo desaparece la masa que constituye la diferencia entre la masa de las partículas que se fusionan y la de la partícula resultante (defecto de masa).
Si se reducen estas magnitudes a unidades de peso, al formarse 1 átomo-gramo de helio, la cantidad de sustancia cuyo peso en gramos es numéricamente igual al peso atómico del elemento químico, es decir, a 4 gramos, el defecto de masa equivaldrá a 0,03 gramos. Con arreglo a la fórmula que expresa la relación entre la masa y la energía, esta pérdida de masa corresponderá a un desprendimiento de energía nuclear en las siguientes proporciones:
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E = mc2 = 0,03×(3×1010)2 = 2.7×1010 ergios,
o sea, ¡más de 750 mil kilovatios-hora!
Si una central eléctrica de 100 mil kilovatios que funciona a base de carbón consumiese en lugar de su combustible habitual protones y neutrones que se fusionan para formar núcleos de helio, todo el consumo de 24 horas no pasaría de 12,8 g, lo que en un año constituiría cerca de 4,5 kg. Para obtener la misma cantidad de energía por otro procedimiento habría que quemar cerca de 100 mil metros cúbicos de hulla, o sea, unas 500 mil toneladas métricas.
Así pues, la unión de varias partículas sueltas para constituir un núcleo atómico con desprendimiento de cantidades tan grandes de energía es un proceso muy complejo y bien distinto de la simple suma de protones y neutrones, en tales reacciones se produce una profunda reestructuración cualitativa de la materia.
Al juntarse dos protones y dos neutrones para formar un núcleo de átomo de helio desaparece súbitamente una masa igual a 0,03 unidades atómicas. Tal desaparición de masa debe acompañarse de desprendimiento de cantidades considerables de energía.
Al calcular por el mismo procedimiento la masa de los núcleos de todos los elementos, se ve claramente que es siempre inferior a la
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suma de las masas de los protones y neutrones sueltos, a base de los cuales se formó el núcleo del elemento en cuestión.
El defecto de masa desempeña un importante papel no sólo en la fusión de protones y neutrones para formar un núcleo, sino también en la fisión del núcleo de un elementa pesado en otros dos más ligeros.
La energía que se desprende durante la formación de un núcleo de cualquier elemento químico a partir de protones y neutrones se llama energía de enlace del núcleo o energía de formación del núcleo.
10. Energía de enlace del núcleo atómico
En el caso abstracto de formación del núcleo del helio a partir de dos protones y dos neutrones, que acabábamos de examinar, la energía que se desprende, es decir, la energía de enlace del núcleo es igual a 28 MeV.
En el ya mencionado experimento de Cockcroft y Walton en el que se verifica la unión de un protón con un átomo de litio con formación de dos partículas alfa, se desprendía una energía de 17,2 MeV.
El núcleo atómico está constituido de varias partículas nucleares (cuando no es preciso especificarlas, se suelen denominar en conjunto, nucleones), y a cada nucleón corresponde sólo una parte de la energía total.
La parte de energía que corresponde a un nucleón se llama energía media. Para el núcleo del helio, que consta de cuatro nucleones, esta energía será igual a 28/4 =7 MeV por nucleón.
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Así se puede calcular, lo mismo la energía total como la energía media de enlace del núcleo de cualquier elemento químico del Sistema Periódico de Mendeleev.
Curva de la energía de unión por nucleón para todos los elementos del Sistema Periódico de Mendeleev
Los datos referentes a la energía media de unión pueden verse en el gráfico.
En el eje horizontal se dan los valores del peso atómico del elemento (el número de masa), y en el vertical la energía media de enlace del núcleo atómico expresada en millones de electrones voltio por nucleón.
Este pequeño gráfico explica muchos fenómenos antes incomprensibles en la Física nuclear.
En primer lugar, permite establecer con precisión en qué casos puede esta energía liberarse y en qué casos no.
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En segundo lugar, muestra qué cantidades de energía se desprenden en la fisión y en la fusión (síntesis) nuclear.
En tercer lugar, explica qué núcleos deben emplearse para la fisión y cuales para la fusión, a fin de obtener energía.
Del gráfico se deduce que el valor máximo de la energía media de enlace (aproximadamente 8,6 MeV) corresponde a los núcleos de los átomos de elementos químicos que se hallan casi en el centro de la Tabla de Mendeleev. Al dividir o sumar estos núcleos en cualquier combinación, la cantidad de energía invertida en estas operaciones será igual a la desprendida durante la reacción. Por consiguiente, tal procedimiento no ofrece la menor utilidad práctica.
La cantidad de energía que primero se consume y luego se desprende durante la suma convencional de un núcleo del átomo de helio y dos núcleos del d tu Itrio.
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Cantidad de energía que se desprende durante la fisión de un núcleo de elemento pesado —el uranio-235— convencionalmente en dos fragmentos con peso atómico 117 y 118 cada uno.
En cambio, los elementos situados en los extremos de la curva se distinguen por las grandes diferencias que presentan sus energías medias por nucleón. Aquí pueden elegirse combinaciones de reacciones nucleares con desprendimiento ventajoso de energía. Veamos tres ejemplos de este tipo:
1. ¿Qué ocurriría en la formación convencional de un núcleo del helio a partir de dos núcleos del hidrógeno pesado H12 (deuterio)?
La energía total de enlace del núcleo del helio integrado por 4 nucleones es igual, como ya sabemos, a 7×4=28 MeV.
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Según la curva, la energía total de enlace del núcleo de deuterio, que consta de 2 nucleones, es igual a 2 × 1,09 = 2,18 MeV.
Al constituirse un núcleo del helio a partir de dos núcleos del deuterio se libera una energía igual a la diferencia entre la energía de enlace del núcleo del helio y la que poseen los dos núcleos del deuterio:
28 - (2×2.18) = 23,64 MeV.
Esta es la energía máxima que puede obtenerse en los procesos de síntesis de núcleos ligeros para formar otros más pesados.
Veamos qué cantidad de energía se podría liberar durante la formación de un kilogramo de helio.
Un átomo-gramo de helio (He24) contiene 6,02×1023 átomos (número de Avogadro) de helio. Por consiguiente, un kilo de helio tiene:
(6,02×1023×1000)/4 = 1,505×1026 átomos
En la síntesis de un kilo de helio a partir de núcleos del deuterio se liberará una energía igual a:
1,505×1026×23.64 = 35.6×1026 MeV, ó 1,36×1014 calorías.
Para obtener tal cantidad de energía a base de cualquier combustible ordinario, haría falta quemar, por ejemplo, 13.600 toneladas de gasolina.
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2. ¿Qué ocurre cuando se fisiona un núcleo del elemento pesado del uranio-235 en dos partes de magnitudes aproximadamente iguales? Admitamos convencionalmente que el peso atómico de cada uno de los fragmentos sea, por término medio, igual a 235/2 = 117-118 u.m.a. que se hallan en la parte central de la Tabla de Mendeleev con el valor máximo (8.6 MeV) de energía de enlace por nucleón.
El total de la energía de unión del núcleo de uranio-235, que tiene
235 nucleones, es igual a 235×7,6 = 1786 MeV. La energía de enlace de los dos fragmentos iguales, que son núcleos de elementos más ligeros, es igual a 118×8,6 + 117×8,6 = 2021 MeV.
Por consiguiente, la diferencia entre la energía del núcleo del átomo de uranio y la de sus dos fragmentos será:
2021 —1786 = 235 MeV.
En la fisión de los núcleos de todos los átomos contenidos en un kilogramo de uranio-235 se desprende una energía igual, aproximadamente, a 1,96×1013 calorías, que, obtenida por otros procedimientos, requeriría el consumo de unas 1.800 toneladas de gasolina como mínimo.
De este modo, la reacción de síntesis de núcleos de elementos ligeros, llamada también reacción termonuclear proporciona aproximadamente de 8 a 10 veces más energía que la reacción de fisión de núcleos de elementos pesados.
3. ¿Qué resultados daría la fisión de núcleos de los elementos que se hallan en la parte central de la Tabla de Mendeleev?
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Cierto tiempo después de haberse descubierto el modo de liberar la energía nuclear, e incluso hoy día, hay quien opina que en la sustancia de cualquier piedra de la calle o cualquier puñado de arena se halla oculta una enorme cantidad de energía que con el tiempo el hombre ha de aprender a liberar y aprovechar como le parezca mejor. Estas predicciones más que optimistas parten de la comprensión errónea de la famosa ecuación de Einstein referente a la relación entre la masa y la energía:
E = mc2,
la cual nos dice que la liberación de energía en las reacciones nucleares de fisión o síntesis va acompañada de reducción de masa de los núcleos iniciales que intervienen en la reacción.
De esta circunstancia se llegaba a una sola conclusión: si toda la masa de la sustancia que participa en la reacción se convirtiese en energía, cada gramo de sustancia desprendería una energía de 25 millones de kilovatios-hora. Al mismo tiempo se hacía una deducción, puesto que toda sustancia posee masa, es lógico que cualquier sustancia se pueda convertir en energía, sin excluir a la piedra que yace al lado de la carretera.
El error de todas estas profecías consiste en que la energía sólo puede desaparecer o desprenderse junto con alguna partícula material y a través de la radiación cuántica, y que para poder salir despedida del núcleo, la partícula debe poseer una energía determinada.
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Por ello, enfoquemos este problema desde el punto de vista de la energía de unión de las partículas, núcleos de los átomos de elementos que ocupan la parte central de la Tabla de Mendeleev.
Tomemos, por ejemplo, un núcleo con número de masa 118 (estaño) y supongamos que se escinde por la mitad, dando lugar a dos núcleos con número de masa 59 (cobalto o níquel).
En la curva del gráfico, la energía de unión que corresponde a cada nucleón de la sustancia que tiene el número atómico 118, es igual a 8,4 MeV, y la correspondiente al nucleón de masa 59 es igual a 7,5 MeV. La energía global de los nucleones del estaño es:
118×8,4 = 991,2 MeV,
la energía de los nucleones-fragmentos es:
(59+59) × 7,5 = 885 MeV
885 - 991.2 = -106,2 MeV
Para obligar a un núcleo del estaño a hendirse en dos partes es preciso invertir complementariamente una energía de 106,2 MeV, sin recibir compensación alguna.
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¿Se desprenderá energía durante la fisión de núcleos de elementos situados en la parte central (estaño o antimonio) del Sistema Periódico de Mendeleev?'
Por tanto, el adoquín de la carretera continuará aún mucho tiempo yaciendo inútilmente y, si no se hacen descubrimientos basados en principios nuevos, permanecerá indefinidamente siendo adoquín y nada más, si no se da el caso fortuito de que se trate de un trozo de uranio o... granito.
El lector preguntará ¿por qué granito?
Resulta que el granito encierra una fuente perfectamente real de energía nuclear, aunque de índole algo distinta. 100 toneladas de granito contienen cerca de 400 gramos de uranio y cerca de 1 kilogramo de torio. Por ello, la energía que encierra una tonelada de
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granito equivale a la energía química de unas 50 toneladas de hulla. Solamente en este sentido puede el adoquín de la carretera convertirse en fuente de energía.
100 toneladas de granito contienen, además del uranio y del torio ya mencionados, 8 toneladas de aluminio, 5 toneladas de hierro, 2 toneladas de magnesio, 90 kilogramos de manganeso, 35 kilogramo-de cromo, 20 kilogramos de níquel, 15 kilogramos de vanadio, 10 kilogramos de cobre, 5 kilogramos de wolframio e incluso 2 kilogramos de plomo.
Felizmente, tanto el uranio como el torio van unidos en el granito natural a sustancias que constituyen menos del 1% de la masa total del granito. Esta es la razón de que con el tiempo pueda resultar plenamente factible y conveniente desde el punto de vista económico y técnico extraer sustancias fisionables del granito con obtención simultánea de metales muy valiosos e indispensables para la industria de nuestros días.
Ahora bien, para ello hay que triturar el granito, beneficiarlo y separar las sustancias útiles que van incluidas en él, en fin, efectuar un trabajo bien conocido en la minería. Si se tienen en cuenta que durante estas operaciones se llega a extraer no más que el 20% de todo el uranio y torio contenidos, incluso en este caso las 100 toneladas de granito equivaldrán, por su energía, a 1.000 toneladas de hulla. Como se ve, el juego vale la pena.
Todo el trabajo de extracción de las sustancias útiles requiere la inversión de una energía equivalente a la que pueden proporcionar unas 3 toneladas de carbón, es decir, la ventaja neta será igual a la
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energía correspondiente a 997 toneladas de hulla. Aquí se incluye la energía consumida en la extracción, trituración, beneficiación y transporte del granito y otros gastos de energía. Expresada en dinero, la proporción nutre el costo del combustible nuclear obtenido de fuente tan inusitada y la energía que se obtiene de dicho combustible no es tan favorable como cuando se emplea el uranio y el torio extraídos de sus minerales corrientes. Sin embargo, la Humanidad, interesada ante todo en hallar nuevas fuentes de combustible nuclear, obtiene así un manantial casi ilimitado de materias primas nucleares, puesto que el granito es el mineral que más abunda en nuestro planeta.
11. La reacción nuclear y la temperatura
En el capitulo V hemos mostrado ya cómo se efectúa la fisión nuclear. Pero ¿cómo puede realizarse una reacción de síntesis de núcleos ligeros para formar núcleos de helio? Para liberar una energía de miles de millones de calorías es preciso invertir también una energía enorme, aunque menor, pero del orden de cientos de millones de calorías.
Para extraer un tesoro muy valioso enterrado a gran profundidad se necesita emplear una pala e invertir cierta energía para la excavación.
Aquí tendremos que recurrir a otro dominio de la Física, que desempeña un importante papel en todos los procesos físicos, pero que hasta ahora no se ha mencionado en nuestra narración. Trátase de temperaturas muy elevadas.
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En la Física nuclear corresponde una función básica a la temperatura, la cual, como sabemos, guarda estrecha relación con la energía de movimiento de los átomos y las moléculas.
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Esta es la relación que guardan entre si la temperatura, la energía correspondiente (en electrones voltio} del movimiento de las partículas y la longitud de la onda de radiación que corresponde a las partículas durante su movimiento. El símbolo Å representa un ángstrom (10-8 centímetros).
Sin embargo, esta definición general sería poco comprensible si no recordáramos cómo se comportan en realidad las partículas de la
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materia en movimiento.
Existe una relación cuantitativa perfectamente determinada entre la temperatura y la energía en todos los casos que nos ofrece la Naturaleza.
A una temperatura elevada corresponde un alto nivel de energía y viceversa. A altas temperaturas, las partículas se mueven a mayores velocidades. Las colisiones entre ellas son más enérgicas. A temperaturas bajas, la velocidad de movimiento de las partículas es menor y no son tan violentos los choques entre las mismas.
En el gráfico de la figura que sigue están representados; los valores de la temperatura absoluta T habituales o que pueden existir en la Naturaleza y algunos procesos físicos que corresponden a cada nivel de temperatura, la energía E del movimiento de las partículas que intervienen en estos procesos, así como la longitud de las ondas de la radiación electromagnética λ que corresponden al movimiento de las partículas para los valores dados de energía y abarcan todas las formas de vibraciones electromagnéticas empezando por las ondas de radio más largas y terminando por los rayos X, los más rígidos.
Si un átomo cualquiera absorbe luz ultravioleta, lo hace en porciones determinadas, en cuantos de energía de unos 10 electrones voltio aproximadamente. Por otra parte, si un átomo, después de su reestructuración electrónica tiene que entregar cierta parte de su energía, lo hace emitiendo luz ultravioleta, también en porciones determinadas, iguales a 10 electrones voltio.
Al examinar las dos primeras columnas de la figura vemos varios ejemplos de fenómenos donde a determinados valores de energía
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corresponden determinadas temperaturas.
Por ejemplo, en la parte superior del dibujo vemos la magnitud de la energía que por término medio debe invertirse para arrancar una partícula al núcleo atómico (un protón o un neutrón).
Más abajo, se muestra la energía que se requiere para arrancar totalmente un electrón al átomo o para desplazarlo de un nivel de energía a otro dentro del mismo átomo.
Todavía más abajo vemos el valor o nivel de energía que hay que comunicar a una molécula de agua para separarla de la masa restante y convertirla en vapor.
Muy poca energía se precisa invertir para separar un átomo de helio del helio líquido.
Así se explica que en la Física nuclear, los hombres de ciencia recurran relativamente pocas veces a los conceptos y valores de temperatura, prefiriendo por lo general los conceptos de nivel de energía.
De ahí que la mayor parte de todas las moléculas de la sustancia se disocien en átomos a temperaturas de 10 mil grados; los átomos pierden una parte o la mayoría de sus electrones a los 100 mil grados; el núcleo atómico se divide en protones y neutrones a temperaturas del orden de billones de grados, dado que en todos estos procesos se consume la energía necesaria para superar las fuerzas de atracción que mantienen unidas bis partículas formando moléculas, átomos y, por fin, núcleos.
No obstante, debemos hacer una observación de suma importancia. El rasgo característico principal de la energía del calor consiste en
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que es mía energía de movimiento desordenado de las partículas. Por ejemplo, en el gas corriente, las moléculas se mueven desordenadamente en todas las direcciones.
A consecuencia de los numerosos choques de unas moléculas con otras surge cierta distribución natural de las velocidades de movimiento de las partículas.
Sólo en este caso de distribución desordenada natural de las direcciones y velocidades de las partículas es cuando tenemos fundamento para identificar este movimiento con la temperatura del sistema gaseoso de las partículas.
Muy otro es el cuadro físico que observamos en el caso del movimiento de un flujo de partículas nucleares en el vacío, acelerado en instalaciones modernas especiales hasta imprimirles una energía de 1.000 MeV.
Podría parecer que con tales energías deberíamos obtener la temperatura de un gas formado por estas partículas equivalente a 10 billones de grados.
Sin embargo, no lo observamos, ya que el movimiento de estas partículas tiene un carácter organizado, todas ellas se mueven en una misma dirección, chocan raramente entre sí, lo que es muy distinto del movimiento desordenado térmico que tendría lugar en el gas a semejantes temperaturas.
12. Reacciones termonucleares
De este modo, el continuo calentamiento de la sustancia produce un movimiento cada vez más enérgico de sus partículas. A medida que
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aumenta la temperatura comienzan primero a vibrar, y luego, a separarse unas de las otras, las moléculas y después los átomos, así como las partículas de que están éstos formados (electrones y núcleos) y, por fin, comienzan a desintegrarse los núcleos atómicos. Como es natural, todos estos procesos implican el gasto de gran cantidad de energía.
Ahora bien, el aumento de temperatura puede dar lugar tanto a la alteración de los enlaces existentes entre las partículas, como a la creación, si se dan ciertas condiciones favorables, de nuevas formas de enlaces.
Recordamos perfectamente que al bombardear los núcleos de distintos elementos, por ejemplo, con protones éstos sólo lograban vencer la fuerza repelente de la carga total positiva del núcleo en el caso de poseer una energía del orden de varios millones de electrones voltio, o, lo que es lo mismo, en el caso de moverse a una velocidad enorme, correspondiente a esta energía.
Pero esta energía podría comunicarse al protón calentando, por ejemplo, el hidrógeno a temperatura extraordinariamente alta, del orden de decenas de millones de grados.
Entonces, el protón podría aproximarse a otro protón o núcleo de un átomo de algún elemento ligero, el litio por ejemplo, a tan corta distancia que las fuerzas repelentes de la carga positiva del núcleo resultaran superadas y el protón penetraría en la zona de acción de las fuerzas intranucleares, las cuales lo arrastrarían al centro del núcleo atómico.
La misma suelte podrían correr un deuterón, una partícula alfa,
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varios protones, etc.
En resumidas cuentas, trátase de procesos de fusión de núcleos atómicos ligeros para formar otros más pesados, por ejemplo, de núcleos de hidrógeno para formar núcleos de helio. Por consiguiente, estos procesos sólo pueden verificarse a temperaturas extraordinariamente elevadas. Empero, sabemos bien que las fuerzas nucleares que mantienen unidas entre sí a las partículas con carga del mismo signo, superan en millones de veces a las fuerzas que actúan en las reacciones químicas.
Si se observa atentamente lo que ocurre en estos casos con la energía, se verá un cuadro muy interesante y aleccionador. Al principio, para aproximar las partículas una a la otra a muy corta distancia, es decir, para imprimirles la debida velocidad, hay que invertir una determinada cantidad de energía, por cierto bastante grande. En este caso, hay que calentar la sustancia a temperaturas inconcebiblemente elevadas. Pero tal proceso sólo puede durar hasta un momento determinado. En cuanto las partículas se aproximan a la distancia en que actúan las fuerzas intranucleares, desaparece la necesidad de calentarlas. A partir de ese instante, su movimiento proseguirá con mayor velocidad aún, sin la menor intervención externa, debido a lo cual en lugar de absorción de energía comienza el desprendimiento de grandes cantidades de la misma.
¿Cómo lograr semejantes temperaturas para provocar la fusión de partículas nucleares o núcleos de elementos ligeros, a fin de formar núcleos de elementos más pesados? ¿Existen tales temperaturas en
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el mundo?
La Astronomía da una respuesta positiva a esta pregunta. Semejantes temperaturas existen en el centro del Sol y de otras estrellas. La fuente principal de la radiación infinita de enormes cantidades de energía por el Sol y las estrellas es el proceso de síntesis de núcleos de elementos ligeros para dar lugar a elementos más pesados, el proceso de la llamada reacción termonuclear. Hace muy poco tiempo, al explotar la bomba de hidrógeno, el hombre logró reproducir semejante reacción en la Tierra.
El estudio de la estrella más próxima —el Sol— y los trabajos efectuados para crear la bomba de hidrógeno dan motivo para considerar que la reacción de síntesis de núcleos de elementos ligeros más investigada y conocida es, por el momento, la formación del núcleo del helio. Para ello, la teoría conoce varias combinaciones.
Un importante rasgo que distingue fas reacciones termonucleares con núcleos de elementos ligeros de las reacciones de fisión de núcleos de elementos pesados consiste en que la última, incluso en el caso de que transcurra lentamente (en una pila nuclear regulada) o instantáneamente (como la explosión de la bomba atómica), no requiere para su comienzo ni temperaturas ni presiones elevadas, fin cambio, la reacción termonuclear sólo puede iniciarse y transcurrir a temperaturas superiores al millón de grados y a presiones del orden de decenas de miles de millones de atmósferas.
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Ejemplos de algunas reacciones de fusión ^síntesis) nuclear para constituir núcleos de átomos de elementos más pesados, con indicación de la energía desprendida.
Sólo a estas temperaturas, el movimiento de fas partículas bue intervienen en la reacción adquiere la debida velocidad para superar las crecientes fuerzas de repulsión de los núcleos que se aproximan uno al otro.
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Esta es la razón de que el calor tenga importancia tan decisiva en las reacciones de dicho tipo. De la palabra calor, del griego thermos, proviene la denominación termonuclear.
La explosión de la bomba atómica es la única fuente que puede proporcionar temperaturas y presiones suficientes para efectuar reacciones termonucleares en la Tierra. En el primer momento de la explosión, en un reducido espacio, se crean por una o dos millonésimas de segundo estas condiciones térmicas verdaderamente “estelares
En sus rasgos generales, la bomba de hidrógeno, consta de una bomba atómica alojada en el interior de un espacio Heno de una mezcla de hidrógeno pesado (deuterio) y superpesado (tritio). Primeramente explota la bomba atómica, con lo cual se crea la necesaria temperatura y presión en el interior de la bomba de hidrógeno. Juego, al cabo de una millonésima de segundo, explota la masa de hidrógeno calentado y comprimido. Dado que las temperaturas y presiones ultraelevadas no pueden obtenerse más que por espacio de fracciones insignificantes de segundo, no se conoce por el momento el medio de efectuar reacciones termonucleares de curso lento.
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Capítulo VIII
El reactor nuclear
Contenido:
1. La puerta de acceso al “corazón" del átomo
2. Reactor con moderador de grafito
3. Reactores de agua pesada
4. Reactor homogéneo
5. Reactor de piscina
1. La puerta de acceso al “corazón" del átomo
El reactor nuclear es un manantial maravilloso, capaz de suministrar incesantemente la colosal energía oculta en los núcleos de los átomos de uranio y plutonio, Su construcción es relativamente sencilla; el manejo y control completamente seguros.
El reactor o pila nuclear es la base de la técnica atómica de nuestros días.
En los capítulos anteriores hemos ya expuesto los principios de su funcionamiento. Cae de su peso que nos sería imposible, además de inútil, describir aquí absolutamente todos los tipos de reactores ya construidos o en proyecto. Partiendo de este criterio, nos limitaremos a describir nada más que los tipos fundamentales de reactores o pilas, sus formas de construcción y funcionamiento.
Los reactores nucleares pueden clasificarse según el moderador que se emplea en ellos. Si la materia fisionable —el uranio y el plutonio— se halla distribuida en capas aisladas o en largas barras separadas por el moderador, el reactor se denomina heterogéneo.
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Existen reactores de tipo homogéneo, donde el uranio se halla mezclado con el moderador o disuelto en él. Por ejemplo, el uranio o alguna sal del elemento fisionable, en forma de polvo muy fino, se halla disuelto en agua corriente o pesada.
A veces se emplean para este fin otros moderadores líquidos. Existen también reactores sin moderador. Funcionan a base de neutrones rápidos, de la fisión del uranio-235, del plutonio o del uranio-233 puros.
También pueden clasificarse según la velocidad de los neutrones que se utilizan. Entonces, se les llama pilas atómicas de neutrones rápidos, intermedios o lentos.
Por fin, los reactores pueden agruparse partiendo del objetivo a que están destinados: por ejemplo, reactores para la producción de plutonio, para investigaciones científicas sin producción de plutonio, para obtención de calor que se emplea en la generación de electricidad y, por último, reactores de tipo mixto, que pueden servir para varios fines al mismo tiempo.
Terminada esta introducción tan poco amena pasemos a describir los tipos más importantes de reactores.
2. Reactor con moderador de grafito
Por lo que respecta a su edad, los reactores con moderador de grafito son los más viejos. El primero fue instalado en 1942 bajo la dirección de Enrique Fermi. Anteriormente, ya hemos hablado de él y de su forma de construcción.
A primera vista, el reactor heterogéneo de nuestros días nos
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recuerda la toldilla de mando de un barco de guerra. Gruesos muros grises, multitud de escotillas cegadas con macizas puertas o tapas provistas de poderosos cerrojos; puentes, que circundan la instalación a distintas alturas; infinidad de aparatos e instrumentos de formas muy singulares. Las grúas, cabrias y ascensores acrecientan aún más la impresión de hallarse ante una instalación de descomunal magnitud y complejidad.
El esqueleto del reactor es una armazón enorme, formada por multitud de hileras horizontales de tubos de aluminio que hacen recordar los panales de gigantes colmenas.
Ambos extremos de cada tubo están abiertos para que puedan introducirse pequeñas barras cilíndricas de uranio natural alojadas en el interior de cápsulas especiales de aluminio.
Las barras de uranio se introducen por un extremo y, transcurrido cierto tiempo, después de la fisión del uranio-235, se extraen por el otro. Durante el funcionamiento de la pila se cierran los orificios externos con gruesos tapones de varias capas de materias impermeables para las emanaciones radiactivas nocivas.
El uranio se coloca solamente en la parte central de los tubos, en la zona activa o de trabajo, a una distancia de 2 ó 3 metros con respecto a las paredes. En el enrejado o celosía espacial que se obtiene de esta forma, pueden colocarse varias decenas de toneladas de uranio natural.
Todo el espacio libre comprendido entre los tubos de la zona activa se llena con ladrillos hechos del más puro grafito que puede producir la industria química moderna. Incluso, una millonésima
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parte de impurezas capaces de absorber los neutrones, reduce varias decenas de veces el flujo útil de neutrones que se mueven en el reactor.
En una pila corriente de grafito se emplean varios cientos de toneladas de este material.
El relleno del espacio comprendido entre los tubos que contienen las barras de uranio con pequeños bloques de grafito, es también necesario para el caso en que haya que desmontar la pila, así como en caso de avería o de reparaciones.
Aspecto exterior de un reactor nuclear de nuestros días.
En el cuerpo del reactor existen varios canales en los que se introducen, antes de poner en marcha la pila, varias placas
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revestidas de enérgico absorbente de neutrones. No hay manera de poner en funcionamiento el reactor mientras se hallen estas placas en su interior. Esta es su misión.
La reacción no comienza hasta que no se retiren las placas una tras otra del reactor. La cantidad de neutrones que absorben va disminuyendo conforme se va extrayendo cada placa y, por fin, llega un momento en que en el centro se inicia el progreso lento de la reacción nuclear. Extrayendo gradualmente estas placas se puede ir aumentando el promedio de neutrones que actúan en la reacción en cadena hasta que la potencia del reactor alcance su valor máximo. De este proceso ya hemos hablado.
Por lo general, la regulación de la velocidad de la reacción en cadena se hace mediante una o dos placas de cadmio. Las restantes dos o tres placas están siempre dispuestas a introducirse en el reactor en cuanto se oprime un botón, en caso de que la velocidad de la reacción rebase los límites de seguridad. Si se interrumpe por cualquier razón el suministro de electricidad en el sistema de mando de la pila, las placas se introducen automáticamente en el reactor y se extingue la reacción.
En esto consiste, en realidad, el manejo del reactor, es decir, la regulación de la marcha de la reacción en cadena en su interior. Después de que todos los espacios comprendidos entre los tubos se llenan con grafito, se rodea todo el espacio activo de la pila con una gruesa pared de grafito, destinada a reflejar los neutrones. La presencia de dicha capa reflectora permite reducir en alto grado, a cuenta de un mejor y más completo aprovechamiento de los
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neutrones, la cantidad de uranio que se carga en el reactor.
A partir del primer segundo de funcionamiento, se originan en la pila cantidades cada vez mayores de productos radiactivos procedentes de la fisión del uranio-235 que, si se quedan en el reactor, pueden absorber neutrones y reducir, de tal modo, su flujo total.
Esta absorción aumenta hasta tal punto que llega incluso a constituir un impedimento para el funcionamiento normal de la instalación y surge la necesidad de cambiar las barras de uranio, a pesar de quedar todavía en ellas cierta cantidad de uranio-235 no fisionado.
En el cuerpo de la pila se practican varios canales, unos con ambos extremos abiertos, otros con uno solo. En uno de ellos se colocan aparatos de medición: aparatos de ionización, cuyo destino es controlar la marcha de la reacción en cadena y regularla automáticamente; contadores para medir la densidad del flujo de neutrones (de la cantidad de neutrones que pasan en un segundo por una superficie de un centímetro cuadrado); termómetros para medir la temperatura en distintas zonas y partes de la pila, etc.
En los canales que tienen ambos extremos abiertos se introducen, por lo general, distintas materias que se someten a la acción de potentes flujos de neutrones con objeto de obtener elementos radiactivos artificiales. Este mismo procedimiento se usa para estudiar la influencia de las distintas emanaciones radiactivas sobre los materiales.
La duración de la vida de los isótopos radiactivos artificiales es muy
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diversa: desde varios años hasta ínfimas fracciones de segundo. Por ello, para estudiar las propiedades de los isótopos de vida corta se colocan en los canales instalaciones enteras o parte de ellas, capaces de captar todas las modificaciones que experimentan las radiaciones de las sustancias que surgen momentáneamente y que en el acto se fisionan.
A veces, las sustancias que se desea someter a irradiación se introducen en el reactor y se extraen de él mediante dispositivos neumáticos especiales. El cartucho con la sustancia a irradiar es disparado hacia el interior de la pila por medio de un gas comprimido (el helio, debido a su baja capacidad de absorción de neutrones) y, después de transcurrido el tiempo de exposición requerido, sale disparado para ir a parar directamente al aparato de medición.
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Corte de un reactor heterogéneo visto desde la parte en que se carga el uranio.
En las investigaciones surge con frecuencia la necesidad de obtener flujos de neutrones de densidad o velocidad determinada. A ello se debe que los reactores tengan instalaciones especiales para desalojar estos neutrones del centro mismo de la pila y dirigirlos hacia el objetivo deseado.
Otras investigaciones necesitan neutrones lentos. Para sacarlos del centro del reactor, éste lleva taladrado en su cuerpo un orificio, cuya sección puede ser basta de 1,5 m de diámetro, en el cual se coloca una columna de grafito. Los neutrones que impactan y penetran en ella se frenan al igual que en un moderador corriente de grafito. Ahora bien, en virtud de que esta columna es maciza, no
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la interceptan ni barras de uranio ni capas de protección, los neutrones muy moderadas sajen al exterior y van a parar a instalaciones adecuadas.
El orificio de salida de esta columna va cerrado con un tapón de múltiples capas de plomo, cadmio y acero. En este tapón pueden abrirse orificios de cualquier sección, desde el diámetro de una aguja hasta el de 1 metro cuadrado e incluso mayor.
Por lo general, todas las instalaciones y aparatos de que dispone un reactor se hallan en laboratorios especiales situados en locales contiguos o a veces, en el techo del reactor. En estos locales desembocan los extremos de la columna de grafito y de los canales que atraviesan el reactor en distintas direcciones.
La refrigeración del reactor de uranio y grafito se efectúa de distintos modos.
Los reactores de escasa potencia o los experimentales desprenden cantidades relativamente pequeñas de calor que es absorbido y difundido por la masa del propio reactor. Tales instalaciones no requieren sistemas especiales de refrigeración.
Los reactores potentes pueden tener refrigeración por aire, a base de algún gas inerte insuflado a través de los numerosos orificios de los bloques de grafito del moderador y del revestimiento reflector. Como agente de refrigeración suele emplearse también el agua o cualquier otro líquido que circula a través de orificios análogos en el reactor. Tanto el aire como el agua se hacen radiactivos durante su circulación.
Otro elemento muy importante del reactor es la llamada protección
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biológica contra las radiaciones.
Para asegurar plenamente al personal de servicio, se rodea la pila con un espeso muro de hormigón, enérgico absorbente de rayos gamma.
Además, hay que protegerse contra las micropartículas más insidiosas; los neutrones, ya que entran en reacción muy activa con distintos elementos, originando en ellos la radiactividad inducida.
El espesor del muro es de 2 a 2,5 m y rodea tanto al reactor como a casi todas sus instalaciones y dispositivos auxiliares.
Esta protección tan poderosa aumenta considerablemente el peso y el volumen de la pila. A cada metro cúbico de su volumen útil corresponden de 40 a 100 toneladas métricas de hormigón o de otro material de protección.
3. Reactores de agua pesada
El núcleo del átomo de carbono pesa 6 veces más que el deuterón (núcleo del hidrógeno pesado), por cuya razón frena en menor escala, aproximadamente en esta misma proporción, el movimiento de los neutrones. En consecuencia, el empleo del agua pesada como agente moderador de neutrones ofrece, además de ventajas puramente físicas, la de reducir en medida considerable el volumen y, por tanto, el peso del reactor. En algunos casos, esta circunstancia tiene importancia decisiva.
Además, el agua pesada puede servir simultáneamente como medio refrigerante. Veamos cómo está construido un reactor de este tipo. Su parte fundamental consiste en un tanque cilíndrico de gruesas y
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resistentes paredes de aluminio, de unos 2 m de diámetro y 2,5 m de altura. En él caben 6,5 toneladas métricas de agua pesada aproximadamente.
El tanque se apoya con su brida superior en una columna o pila construida de bloques de grafito de 60 cm de espesor.
La columna cumple el papel de reflector de neutrones y está revestida de dos capas metálicas (de cadmio y de plomo) con espesor total de unos 10 cm. La misión de este revestimiento consiste en lo siguiente: los neutrones que, a pesar de la espesa capa de grafito, logran salir fuera, son absorbidos por la capa de cadmio. El núcleo del átomo de cadmio, al capturar dichos neutrones, se torna radiactivo y, al desintegrarse, emite rayos gamma que son detenidos (debilitados) por la capa extensa de plomo.
El tanque va cubierto por una tapa maciza de aluminio atravesada en dirección vertical por 120 tubos de aluminio de 185 cm de longitud y 2,5 cm de diámetro. En estos tubos se colocan, alojados en capsulas especiales de aluminio, lingotes de uranio de 2,5 kilogramos cada uno. En total, en este gigantesco sistema de tubos pueden colocarse hasta 2,5 toneladas métricas de uranio natural.
A la tapa superior del tanque van sujetos varios tubos especiales en los que se introducen los aparatos de medición necesarios para controlar el funcionamiento del reactor, así como las sustancias que se someten a irradiación con el potente flujo de neutrones. Por estos mismos tubos se introducen y se retiran las varillas de cadmio que regulan la marcha de la reacción en cadena. Finalmente, por fuera. lo mismo que los demás reactores, el de agua pesada está rodeado
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de un muro de hormigón de 2,5 m de espesor. Para facilitar el acceso a la pila, se cubre su parte superior, rodeada de hormigón, con una tapa desmontable, de varios metros de espesor, hecha de varias capas de plomo, cadmio y acero.
La refrigeración corre a cargo de la misma agua pesada que se emplea como moderador de neutrones y circula continuamente entre el tanque y el refrigerador, el cual, a su vez, se refrigera con agua corriente de río o con fuertes corrientes de aire frío.
Además de las varillas de cadmio empicadas para controlar la reacción nuclear, para casos de emergencia existe una válvula de escape especial que permite evacuar en unos cuantos minutos el agua pesada a un tanque de reserva.
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Corte de un reactor de agua pesada.
Si falta el moderador, la reacción en cadena en el uranio natural cesa inmediatamente, ya que los neutrones rápidos son absorbidos por el uranio-238 y el factor de multiplicación disminuye, llegando a adquirir un valor inferior a la unidad.
En los demás aspectos, el reactor de agua pesada se asemeja por sus instalaciones al de uranio-grafito.
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4. Reactor homogéneo
Este tipo de reactor suele llamarse también “caldera de agua". Tal denominación se debe a que, a diferencia de los tipos de pilas atómicas ya descritas, en el reactor homogéneo el uranio no está distribuido en el moderador en forma de grandes lingotes aislados, sino uniformemente.
La zona activa de un reactor homogéneo os una esfera de acero inoxidable, en cuyo interior se halla una solución de sal de uranio en agua pesada.
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Para ello, se disuelve en el agua pesada una sal, el sulfato de uranilo, por ejemplo.
Corte de un reactor homogéneo.
Generalmente, los reactores de esta clase funcionan a base del llamado uranio enriquecido, en el que se ha elevado artificialmente la concentración del isótopo fisionable, el uranio-235.
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El corazón del reactor homogéneo es una esfera de acero inoxidable de sólo 30 cm de diámetro, que es donde se halla la solución de la sal de uranio en agua pesada.
Debido a la alta concentración de uranio-235, a las reducidas dimensiones del reactor y al empleo del agua pesada como moderador, la reacción en cadena comienza al disolverse nada más que unos 870 gramos de uranio-235. En este aspecto, el reactor se aproxima mucho a las dimensiones de la bomba atómica. Sin embargo, es autorregulable por lo cual está exento del menor peligro de explosión. La autorregulación se efectúa de la siguiente manera.
Con el aumento de la velocidad de la reacción en cadena en el uranio y, por consiguiente, de la potencia del reactor, se eleva la temperatura de la solución. En virtud de ello, aumenta su volumen y, en consecuencia, la distancia entre los núcleos de los átomos de hidrógeno que intervienen en la composición del agua. El número de choques de los neutrones con los núcleos del hidrógeno disminuye inevitablemente. Se requerirá en este caso mucho más tiempo que el que hacía falta antes para que la velocidad de los neutrones disminuyera hasta el nivel térmico. Disminuye, en consecuencia, la velocidad de la reacción y se reduce la potencia del reactor. Después, la temperatura de la solución sigue bajando, los átomos de hidrógeno vuelven a aproximarse y se restablece la velocidad de la reacción hasta el nivel proyectado.
Pese a esta propiedad de las soluciones de sales de uranio de limitar automáticamente la velocidad de la reacción en cadena, el reactor se equipa con varillas de cadmio para controlar con mucha precisión la
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marcha de la reacción y para interrumpirla totalmente en caso de necesidad o avería.
La esfera activa o de trabajo del reactor está revestida con una envoltura reflectora doble de grafito y berilio. En el interior de la envoltura se halla un serpentín por el que circula agua corriente para enfriar la solución de uranio y llevarse consigo el calor.
El reactor homogéneo es el más pequeño de todos los tipos conocidos, su potencia puede ser muy grande, dependiendo únicamente de la capacidad refrigerante del serpentín.
Pero... lo mismo que los demás reactores, requiere una protección de hormigón de 2 a 2,5 metros de espesor.
En el centro mismo de la esfera se introduce un tubo para poder sacar del lugar más “caliente" un potente haz de neutrones que se investiga en los distintos aparatos de medición.
Se emplean dichos reactores en los laboratorios de investigación, en la producción de isótopos radiactivos y como fuentes de energía muy compactas para motores.
En los capítulos siguientes todavía volveremos a detenemos en algunos detalles importantes de distintos tipos de reactores.
Como conclusión, examinemos otro tipo más, muy interesante, de reactor, el llamado reactor de piscina.
5. Reactor de piscina
Dicho tipo de reactor fue ideado al investigarse la capacidad que posee el agua corriente para absorber las radiaciones en el reactor y al estudiar la posibilidad de emplearla como moderador de
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neutrones en lugar de la costosa agua pesada. La solución de ambos problemas reviste una importancia extraordinaria para el empleo de! reactor nuclear como fuente de energía para motores de todas clases.
Reactor de piscina.
El reactor propiamente dicho consta de un hogar o núcleo de aluminio de 40×30×60 cm, en el que se introduce gran número de placas de uranio enriquecido. Como capa reflectora de neutrones se utiliza aquí una envoltura fina de óxido de berilio. Pendiendo de puente movible, el reactor se sumerge en un tanque o piscina con
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agua corriente, de unos 400 m cúbicos de capacidad.
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Capítulo IX
Los reactores nucleares como fuentes de energía eléctrica
Contenido:
1. ¿Hasta cuándo se quemará dinero en los hornos?
2. La caldera de vapor y la pila nuclear
3. La primera del mundo
4. Nuevas ideas en la proyección de pilas nucleares
5. Reactores regeneradores o incubadores
6. Del sueño nace el plan, del plan nace el sueño
El puente-grúa va montado sobre deslizadoras que pueden desplazarse sobre unos rieles a todo lo largo de la piscina, lo que permite situar el hogar en cualquier parte del tanque y a cualquier profundidad. El papel de moderador de los neutrones lo desempeña el agua del tanque, que penetra en los espacios comprendidos entre las placas de uranio y que sirve también de refrigerador. La potencia de la instalación llega a 10 kilovatios.
Los muros de hormigón de la piscina sirven al mismo tiempo de protección biológica.
Una vez conocidos los tipos fundamentales de reactores, podemos pasar a ver las formas y las esferas prácticas de su empleo y qué ventajas ofrecen en comparación con otras fuentes de energía.
1. ¿Hasta cuándo se quemará dinero en los hornos?
Pese a la incesante construcción de gigantescas centrales hidroeléctricas y la existencia de abundantísimas reservas
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hidroenergéticas. la mayor parte de la hulla, la turba, el petróleo, los esquistos bituminosos y el gas natural, extraídos en cualquier país industrial, se queman en los hornos de las centrales termoeléctricas. Contando los hogares de tas locomotoras, el implacable luego consume más del 90% de la extracción anual de combustible.
Mientras se consideraba que todas estas sustancias sólo podían aprovecharse como combustible, los hombres de ciencia y los ingenieros estaban relativamente tranquilos. Lo que más les preocupaba era el problema de aumentar la extracción de combustibles minerales y aprovecharlos de la mejor manera. No podían resignarse a que la locomotora moderna sólo rindiese trabajo equivalente al 6 o al 8 por ciento del combustible consumido, mientras que del 92 al 94 por ciento se perdía, se tiraba al aire por la chimenea. La central termoeléctrica más moderna no aprovecha más que del 35 al 40 por ciento del combustible quemado.
Sin embargo, ya a principios del siglo XX, esta circunstancia, lamentable de por sí, se agravó aún más. La Química había hecho grandes progresos, mostrando que el hombre no aprovechaba con la debida racionalidad los recursos que le ofrece tan generosamente la naturaleza.
Esos combustibles que quemamos con tanto derroche, sea la leña o el petróleo, contienen materias primas de extraordinario valor, indispensables para casi todas las ramas de la economía nacional. El valor de los productos que pueden obtenerse hoy día a partir de los combustibles minerales supera cientos y miles de veces al de
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estos minerales empleados como simples combustibles. La hulla, por ejemplo, sirve de materia prima en la fabricación de productos tan valiosos como la bencina, el alcohol, el caucho, lubricantes, fibras artificiales, plásticos, medicamentos, explosivos, artículos alimenticios, etc. Dicha relación sigue aumentando cada día, sumándose a ella más y más denominaciones de productos derivados.
Así se gasta el combustible en las locomotoras y centrales termoeléctricas de nuestros días.
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El gran sabio ruso D. Mendeleev, en cierta ocasión, al demostrar el valor de los productos que contiene el petróleo, dijo que consumir este último como simple combustible era lo mismo que quemar billetes de banco para calentar los hornos. Así, pues, existe pleno fundamento para confiar que en el porvenir estas valiosísimas fuentes de materias primas se emplearán como es debido, en tugar de quemarse tan irracionalmente.
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Todo esto se puede obtener a partir del carbón de piedra.
2. La caldera de vapor y la pila nuclear
La cantidad total de energía que se desprende al fisionarse un átomo de uranio-235 equivale aproximadamente a 200 MeV, de los cuales 162 MeV, es decir, más de 3/4 de dicha energía se los llevan los dos fragmentos del núcleo de uranio que salen disparados en direcciones opuestas a enorme velocidad.
Así se explica que en la fase actual de nuestros conocimientos en el campo de la Energética nuclear lo más conveniente sea aprovechar la reacción nuclear ante todo como fuente de calor. Si la pila nuclear está destinada a fines pacíficos, por ejemplo, para la producción de energía eléctrica, ningún hombre de ciencia o técnico accederá a invertirla energía atómica en instalaciones menos perfectas que las existentes hoy día. Por el contrario, la ciencia y la técnica modernas exigen que se empleen también los medios más modernos de transformación de la energía. Merece señalarse que en la emulación toman parte instalaciones muy eficientes.
El factor de rendimiento de las turbinas de vapor, que funcionan con vapor a temperaturas de 600-650 grados y presiones hasta de 300 atmósferas, llega a) 35-10%. Una vez que la pila nuclear entra en emulación con tales turbinas, sus características no deben tener nada que envidiar a los últimos modelos de calderas de vapor.
Sin embargo, los intentos de utilizar la pila en calidad de manantial de calor para instalaciones energéticas de vapor tropiezan con innumerables obstáculos casi insuperables.
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La caldera de vapor se construye especialmente de forma que pueda resistir las enormes presiones que se producen en su interior. En cambio, la pila atómica no tolera altas presiones internas, y adaptarla para este fin requiere dispositivos muy complejos y difíciles de construir.
A diferencia de la caldera de vapor, el reactor atómico es apto para desarrollar cualquier potencia, pero con la condición de que la enorme cantidad de calor que se forma en su interior sea evacuada inmediatamente. En caso contrario, se produce un calentamiento excesivo de alguna de sus partes con la consiguiente fusión de las barras de uranio y sus envolturas de aluminio. La pila se contamina intensamente con los productos radiactivos de la desintegración y se inutiliza.
En la caldera de vapor, lo mismo que en cualquier instalación, se puede aumentar ilimitadamente la superficie de contacto con el medio refrigerante. Sin embargo, la zona activa del reactor, la que se calienta durante su funcionamiento, no es grande, y es bastante difícil, e incluso imposible en algunos tipos, aumentar su superficie de contacto con el agente refrigerador.
Debido a estos dos inconvenientes, derivados de la necesidad de lograr altas temperaturas y presiones en el interior de la pila, el material refrigerante debe reunir condiciones muy especiales.
¿Qué solución a este problema nos ofrece la técnica moderna? ¿Podrá emular con la caldera de vapor de alto rendimiento la pila nuclear sin que se logre crear en su interior elevadas temperaturas y presiones?
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El problema puede resolverse de dos formas, a saber: empleando nuevos materiales termoestables (aleaciones de circonio, titanio, etc.), métodos constructivos muy originales y otros perfeccionamientos para que la pila pueda admitir en su interior, sin peligro alguno, temperaturas de 450-500 grados o más.
¿Cuánta energía se desprende durante la fisión del núcleo del átomo de uranio 235. ¿Cómo se transmite?
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En tal caso, el agua empleada como medio refrigerante deberá entrar en la pila a la presión de 100 o más atmósferas, para evitar que hierva. La otra forma de resolución, no menos complicada, va ligada a varias circunstancias interesantes y seductoras. Los chorros de gas refrigerante o torrentes de agua son incapaces de derivar la enorme cantidad de calor que se engendra en la pila.
El agua, bastante buen refrigerante de tipo universal en condiciones habituales, resulta menos eficaz cuando se trata de cantidades muy grandes de calor. Para convencerse de ello basta comparar algunas cifras relacionadas con los gastos de energía empleada para accionar las bombas impelentes de distintos gases y líquidos refrigerantes que se llevan iguales cantidades de calor en las pilas:
Aire (a la presión de 10 atmósferas) 10.900 kilovatios
Helio (a la presión de 10 atmósferas) 5.400
Agua (a la presión de 10 atmósferas) 3.800
Metales Plomo 1,3
Mercurio 1,07
líquidos
Bismuto 1.0
Sodio 0,2
De estas cifras se infiere que el volumen del agua que debe pasar a través de la pila es de 15 a 20 mil veces superior al del sodio líquido. Resulta imposible instalar en el interior de la pila tal cantidad de tubos que permita la circulación de semejante cantidad de vapor, aire y agua.
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Últimamente se emplean cada vez en más amplia escala los metales líquidos (mercurio, sodio, potasio, etc.) en calidad de portadores de calor en las calderas más eficaces y económicas. El sodio líquido, por ejemplo, hierve a la temperatura de 880 grados, lo que quiere decir que se puede evacuar el calor generado en la pila mediante el sodio o el potasio líquidos a la presión atmosférica ambiente. El agua calentada a tal temperatura, al convertirse en vapor, elevaría la presión a 160 atmósferas.
La pérdida de calor en los metales líquidos es muy superior a la del vapor de agua, ya que poseen un factor de absorción de neutrones muy inferior. Además, gracias a la elevada conductibilidad térmica, el volumen del metal líquido necesario para la refrigeración de la pila puede ser, como se ve en las cifras mencionadas, mucho menor que si se emplea el agua con idénticos fines.
La utilización de sodio líquido como elemento refrigerante del reactor suprime en algunos casos el problema del intercambio térmico. Si la temperatura del líquido que sale de la pila y llega al intercambiador de calor puede elevarse teóricamente hasta 800 y más grados, entonces, el agua que llega a él procedente del segundo circuito también puede transformarse en vapor a cualquier temperatura y presión, según lo exijan las turbinas más eficientes y perfectas.
Por consiguiente, la refrigeración del reactor con metales líquidos permite elevar la temperatura en su interior y lograr un factor de rendimiento ya comparable con el de las calderas de vapor más modernas.
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Sin embargo, es extremadamente difícil idear un tipo de reactor que resista siquiera las temperaturas capaces de hacer circular el metal líquido y evitar, al mismo tiempo, el sobrecalentamiento local, aún más intenso, de algunas partes de la instalación.
Existe, además, otra dificultad muy seria. Se sabe que las temperaturas intensifican en gran medida la corrosión de los metales y otros materiales. Las emanaciones radiactivas aceleran a ritmo catastrófico estos procesos.
Se conocen materiales y aleaciones muy resistentes a la radiactividad y a las elevadas temperaturas, pero, por desgracia, estas sustancias absorben enérgicamente los neutrones, por cuya razón no pueden emplearse en la construcción de reactores.
Podrían citarse aquí miles de otros obstáculos, grandes y pequeños, que se alzan en nuestro camino dificultando la construcción de pilas atómicas destinadas a la producción de energía.
Veamos ahora qué ventajas de principio ofrecen las centrales electroatómicas en comparación con las térmicas habituales.
Ante todo, evitan la necesidad de suministrar diariamente varios trenes de hulla y evacuar la cuarta parte, como mínimo de este volumen en forma de ceniza y escoria.
En lugar de 1.000 ó 1.500 toneladas de carbón, una central eléctrica de 100 mil kilovatios no consume diariamente más que 200 ó 250 gramos de uranio, cantidad que cabe sin dificultad en una cuchara de sopa. El consumo anual de combustible para semejantes centrales puede transportarse en una camioneta, lancha a motor o en un avión.
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Por consiguiente, la central electroatómica no depende en absoluto de la red de vías de comunicación existentes, no requiere ramales ferroviarios ni tampoco exige ser construida cerca de las fuentes de combustible o de las vías de transporte barato, como ocurre en las centrales termoeléctricas. Prácticamente, puede instalarse en cualquier lugar donde haya necesidad de tal fuente de energía.
Tampoco se precisa de potente insuflación de aire, tan indispensable en las centrales térmicas para intensificar la combustión. Las centrales atómicas no contaminan el aire con humo u hollín ni le restan oxígeno a la atmósfera.
La central electroatómica puede automatizarse totalmente y funcionar sin personal de servicio.
3. La primera del mundo
El 27 de junio de 1954 es un día memorable en la historia de la energética nuclear. Ese día corrió por el inundo entero el comunicado del Gobierno soviético de que en la URSS había empezado a producir energía eléctrica una central que funcionaba a base del aprovechamiento de la energía de la fisión de núcleos de átomos de uranio.
Esta noticia fue acogida con gran satisfacción por toda la Humanidad progresista, para quien la Unión Soviética es un país luchador consecuente e infatigable por la prohibición incondicional del empleo de las armas atómicas, de hidrógeno y otras clases de armas de exterminio en masa. El pueblo soviético fue el primero en mostrar al mundo el camino certero del empleo de la nueva fuente
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de energía con fines pacíficos, para el bien de la Humanidad y no para su desgracia.
En un plazo muy corto, el País de los Soviets ocupó un lugar eminente en la Energética nuclear, la rama más reciente y más complicada de la ciencia.
Pisamos el umbral de la primera central atomoeléctrica del mundo. El sobrio edificio blanco de tres pisos, situado en el fondo de un denso y silencioso bosque de coníferas, se parece más a una escuela u hospital infantil que a una central eléctrica. Únicamente la alta chimenea hace pensar que se trata de un edificio industrial.
Y aunque sabemos que es una central eléctrica que suministra sin cesar a los koljoses, ciudades y empresas industriales circundantes sus modestos 5.000 kilovatios, no logramos descubrir el menor vestigio de línea ferroviaria, locomotoras, vagonetas, camiones, grúas, estacadas, etc.
La energía eléctrica se obtiene aquí a costa de la fisión permanente de los átomos de uranio-235. El consumo diario de combustible es de 30 gramos. Si la central funcionase a base de carbón de la mejor calidad, consumiría como mínimo 100 toneladas métricas diariamente.
Aquí nos fijamos en la palabra ‘‘modestos" 5.000 kW. Durante el cumplimiento de los planes quinquenales nos hemos acostumbrado a hablar de centrales de 610.000, 1.000.000, 2.100.000, 3.200.000 kilovatios, y ahora ya consideramos minúscula la potencia de 5.000 kilovatios.
En efecto, motores de tal potencia se instalan hoy día en aviones
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corrientes. Hace 4.000 años, para lograr esa potencia, los faraones egipcios tuvieron que recurrir al esfuerzo de 100 mil esclavos. En la Edad Media se hubieran necesitado para ello 10 mil caballos. Toda la flota de veleros británicos, cuando Gran Bretaña era la reina de los mares, jamás tuvo semejante potencia. Hace relativamente poco
—60 años— el acorazado mayor del mundo no poseía máquinas con potencia de 5.000 kilovatios.
El hombre soviético pisa el umbral de la central electroatómica lleno
de comprensible emoción.
¡La primera en el mundo!
Lo primero que salta a la vista es la abundancia de medios de protección contra las emanaciones radiactivas. Todos los locales de servicio están separados el uno del otro por muros de hormigón cuyo espesor aventaja a los de muchas fortalezas antiguas. Las puertas se asemejan a las de las cajas de caudales. Hasta los pasillos próximos al "corazón" de la central, al reactor, zigzaguean, al estilo de las trincheras en el frente. En cualquier dirección que se lance el invisible y mortífero hilito de los rayos gamma lo esperan obstáculos insuperables de hormigón.
La pila nuclear se halla en una extensa sala, mejor dicho, bajo el suelo de la sala y sobresale solamente su tapa superior de protección.
El reactor funciona a base de neutrones lentos (térmicos) moderados con grafito. Su zona activa es un cilindro vertical de 1,5 m de diámetro y 1,7 m de altura, hecho de bloques de grafito perfectamente adosados el uno al otro. El cilindro se halla dentro de
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una gruesa envoltura de grafito que hace el papel de reflector de neutrones.
El edificio de la primera central atomoeléctrica soviética.
Atraviesan el cilindro de grafito en sentido vertical multitud de orificios abiertos a distancias rigurosamente determinadas. En 128 orificios se introducen por arriba las llamadas barras de servicio: largos tubos doblados con paredes dobles entre las que se halla el uranio. Por el orificio pasante que queda en el interior del tubo circula el agua refrigerante.
Cada barra de servicio, una vez colocada en el reactor, se une al colector de entrada y al de salida, por los que entra y sale el agua. Parte de los orificios restantes sirve para introducir a la profundidad necesaria las placas de control y dos placas de emergencia, que se bajan en caso de urgencia para detener el funcionamiento de la pila.
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La introducción y la extracción de las barras de servicio se efectúan mediante una grúa móvil instalada en la sala.
Al lado de dicha sala se halla un local, donde pende de las paredes un gran número de barras de repuesto, calculado para asegurar el funcionamiento ininterrumpido de la central por espacio de 6 meses. Dada la escasa radiactividad del uranio natural, las barras son completamente inofensivas, se puede manejarlas sin ningún medio de protección.
El “corazón" de la central, la sala del reactor.
Para extraer las barras usadas hay que tomar medidas de precaución, ya que contienen fragmentos de la fisión muy radiactivos y peligrosos para el organismo humano.
Los obreros no tienen más que fijar el gancho de la grúa en el portador superior de la barra, y abandonar inmediatamente la sala.
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Después de esto entran en función los mecanismos automáticos. Primero sale de la pila la parte superior, inofensiva, de la barra, luego le sigue la parte inferior, “caliente”, de 1,5 m de longitud, irradiando gran cantidad de peligrosos rayos gamma. La radiactividad que emana de esta barra equivale a la de 10 kilogramos de radio puro.
A ello se debe que la extracción de las barras corra a cargo de instalaciones telemecánicas. El personal que vigila este proceso se halla tras un espeso muro de hormigón y una ventana con cristal, no menos espeso, hecho de material que impida el paso de los rayos gamma.
Ahora bien, hay que guardar lo más rápidamente posible la barra usada en alguna "mazmorra” segura. En cuanto se retira del reactor, la transportan a otro local especial y la sumergen en una piscina de gran profundidad donde se deja durante un año, es decir, hasta que se desintegren los productos más "calientes" de la desintegración del uranio-235, emisores de intensos y penetrantes rayos gamma. Sólo después de esto se puede proceder a su tratamiento, es decir, a la extracción del plutonio formado y los productos de la desintegración.
En otros orificios que atraviesan el reactor se instalan aparatos especiales para determinar la densidad del flujo de neutrones en la pila. Los indicadores de los aparatos están unidos con los dispositivos encargados de regular el movimiento de las barras de control, a fin de que cuando se incremente el flujo de neutrones se
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introduzca a mayor profundidad dichas barras de control y disminuya, por tanto, la velocidad de la reacción en cadena.
Parte superior del reactor con la tapa de protección quitada.
Cuando el flujo de neutrones se debilita, las barras de control se extraen un poco del reactor.
Toda la pila, comprendido el reflector de grafito, se halla dentro de un cilindro de acero, que junto con el fondo y la tapa superior, hechos de planchas gruesas de acero, viene a constituir una envoltura hermética más de dicha fuente de energía. En el interior de la envoltura se inyecta un gas inerte que impide la oxidación de las distintas partes del reactor bajo el efecto de las radiaciones.
Es sabido que el uranio natural no contiene más que el 0,7 por ciento de isótopo fisionable. Si el reactor funcionase a base de tal
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cantidad de uranio-235 jamás podría alcanzar la potencia necesaria y, además, habría que reponer con demasiada frecuencia las barras. Esta es la razón de que se emplee en las pilas el uranio enriquecido y no el corriente. En el primero, la concentración del isótopo 235 llega al 5%. Gracias a este enriquecimiento se puede reponer las barras de uranio cada 100 días, per término medio. La cantidad total de uranio, con que se carga el reactor cada vez llega a cerca de 550 kilos.
La “sangre” del complejo organismo de la central: la barra de uranio re-frigerada con agua corriente.
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El reactor posee una poderosa protección biológica para preservar al personal contra las radiaciones. La protección consta de: una capa de agua, de 1 metro de espesor, cuyo fin principal es interceptar los neutrones que logran atravesar el reflector; muros de hormigón, de 3 metros de espesor, cuyo destino fundamental es absorber los rayos gamma; una capa de planchas de hierro fundido de 25 cm de espesor, colocada encima del reactor para absorber las emanaciones de rayos gamma dirigidos en sentido vertical.
La protección de la salud del personal de servicio no se limita a la defensa con los muros de hormigón, capas de agua y envolturas de acero. En la central funciona un perfecto sistema de seguridad. En torno del reactor y en todos los demás locales de servicio se hallan multitud de cámaras de ionización, cuyas indicaciones convergen en un cuadro central del servicio dosimétrico.
El ingeniero encargado de este servicio se vale de dichos aparatos para evaluar el grado de contaminación radiactiva del aire y la cantidad de radiación penetrante en cualquier local atendido. Inmediatamente da las indicaciones oportunas, aumenta la ventilación y da órdenes de que el personal abandone el local peligroso hasta que se restablezca la dosis inofensiva de ionización.
Pero a les pedantes médicos e ingenieros del servicio dosimétrico les parece poco. Cada trabajador de la central tiene su dosímetro individual, un aparato que se parece más a una pluma estilográfica o a una polvera, en cuyo interior se halla una película fotográfica sensible a los rayos gamma. Cada cuatro días se revela la película y se compara el grado de su oscurecimiento con las películas testigo.
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Si, por ejemplo, el martes la película muestra que el portador del aparato se ha sometido ya a la dosis inofensiva semanal de radiación, determinada por los médicos soviéticos tras largas y minuciosas investigaciones, se le prohíbe hasta el martes siguiente aparecer junto al reactor, mientras todo el grupo de dosimentristas procede a la búsqueda del orificio o rendija por donde haya podido infiltrarse tal radiación. Cierto es que aún no se ha registrado un solo caso de éstos en la historia de la central electroatómica soviética, pero ello no es razón para debilitar en lo más mínimo la vigilancia de los médicos.
La parte más compleja de los reactores atómicos es el sistema de transmisión del calor, que se desprende durante la fisión nuclear, a la turbina de vapor. ¿Cómo se efectúa este proceso en la primera central electroatómica soviética?
Al pasar por el reactor y al someterse a poderosos flujos de neutrones, el agua se hace muy radiactiva, por lo cual resulta imposible el empleo directo de su vapor a lanzarlo sobre las aletas de las turbinas.
Por ello, el agua destinada a derivar el calor del reactor, aun calentándose hasta 270 grados, no hierve ni se convierte en vapor, ya que se halla a la presión de 100 atmósferas. Circula por un sistema cerrado de tubos que constituyen el primer circuito, del que forman parte: el reactor, unas bombas potentes y el generador de vapor o intercambiador de calor.
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El generador de vapor es una resistente caldera en cuyo interior pasa un serpentín calentado intensamente por el agua del primer circuito.
El agua que entra en el intercambiador de calor circula también en otro sistema cerrado, el segundo circuito. Al entrar en contacto con el serpentín, calentado al máximo, el líquido se convierte en vapor a alta presión, que es el que pone en movimiento la turbina, y ésta, a su vez, acciona el generador de corriente eléctrica.
La particularidad principal del intercambiador de calor consiste en que el agua del primer circuito, al pasar por el serpentín, no hace contacto directo con el agua del segundo circuito ni le transmite su radiactividad, es decir, el vapor que sale del intercambiador de calor es completamente inofensivo y no requiere medios de protección, ya que no emite radiación alguna.
Al pasar por el serpentín del intercambiador de calor, el agua del primer circuito se enfría hasta la temperatura de 190 grados y penetra de nuevo en el reactor. Esto tiene su sentido, pues el agua calentada a temperaturas superiores a 190 grados adquiere la facultad de absorber y transmitir el calor mucho mejor que el agua enfriada al máximo.
En el segundo circuito, el agua circula a la presión de 12.5 atmósferas, gracias a lo cual empieza a hervir por encima de los 200 grados. En el intercambiador de calor se convierte en vapor a una temperatura de 250-265 grados, el cual va a parar a la turbina.
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Representación esquemática de la primera central atomoeléctrica del
mundo; 1 — reactor nuclear refrigerado con agua corriente; 2 — intercambiador de calor; 3 — filtro para cortar el paso a aquellas sustancias que se hacen radiactivas en caso de penetrar en el reactor; 4 — turbina de vapor; 5 — generador de electricidad; 6 — condensador de vapor; 7 — desaerador, dispositivo para eliminar los gases del vapor de agua; 8 — condensador de arranque; 9 — condensador de reserva; 10 — bombas.
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En la central atómica funcionan cuatro generadores de vapor de dicho tipo, siendo uno de reserva. Dado que en ellos circula agua contaminada de radiactividad, los generadores de vapor, lo mismo que !as bombas y las tuberías conectadas a ellos procedentes del reactor, están revestidas con los mismos medios de protección que el propio reactor.
El “cerebro" de la central es el cuadro de mando de todas sus complicadísimas instalaciones.
Tras de pasar por la turbina, el vapor va a parar al condensador donde vuelve a convertirse en agua. Un sistema especial de bombas y tuberías hace que el agua retorne al intercambiador de calor y así se produce la circulación continua.
El agua del primero y segundo circuitos se limpia de toda clase de impurezas.
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Si hay razón para decir que el reactor es el corazón de la central electroatómica, su “cerebro" será el cuadro central de mando. Desde este cuadro se efectúa el manejo de todos los sectores del complejo proceso de transformación de h energía atómica en eléctrica.
Indicadores especiales vigilan constantemente todo el funcionamiento de la pila atómica y de las demás partes de la central eléctrica y reaccionan con la máxima sensibilidad a las menores alteraciones del régimen establecido. Multitud de señales luminosas y acústicas muestran qué ocurre y al mismo tiempo indican la causa de la alteración o desperfecto y a cualquier parte de la pila o demás órganos de la central. Inmediatamente entran en función las instalaciones automáticas para eliminar la alteración. Pase lo que pase en la central atomoeléctrica, excepción hecha de las averías, su potencia no cambia en absoluto. Todas estas complicadas instalaciones son manejadas por dos ingenieros, que por su indumentaria de servicio —botas y gorros blancos— parecen más bien ser médicos.
Las instalaciones van simplificándose poco a poco. Muchos recelos y dudas desaparecieron al principio mismo del funcionamiento de la central. Mucho está condenado a desaparecer en un futuro próximo. La nueva fuente de energía, que supera en mucho a todo lo que el hombre ha descubierto e inventado hasta ahora, se va convirtiendo en cosa habitual de nuestra vida.
4. Nuevas ideas en la proyección de pilas nucleares
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La misión de la central atomoeléctrica soviética de 5.000 kilovatios no se circunscribe únicamente a suministrar fluido eléctrico para fines industriales. Fue ideada y construida ante todo para demostrar en la práctica la posibilidad técnica y científica de transformar la energía nuclear en fluido eléctrico y la conveniencia indiscutible de este proceso. Más bien es un laboratorio para acumulación de experiencia indispensable al objeto de resolver multitud de problemas prácticas y económicos y poner en claro las ventajas o los inconvenientes que suponen las centrales electroatómicas en comparación con las térmicas e hidráulicas.
Los cálculos de los hombres de ciencia se vieron plenamente confirmados por el funcionamiento de la central electroatómica. Desde su puesta en marcha no hubo una sola avería de importancia ni el personal ha sufrido un solo accidente de trabajo.
La posibilidad técnica y práctica de producción prolongada de energía eléctrica aprovechando la energía de la fisión atómica fue demostrada de la manera más cabal.
El costo del fluido generado en la primera central electroatómica resultó ser, como se esperaba, varias veces superior al de la electricidad obtenida en las centrales térmicas. Empero, ello se debe principalmente a una sola causa: la escasa potencia de la central. Con el aumento de la potencia disminuye gradualmente la diferencia del costo, y al llegarse a los 200 mil kilovatios, dicha diferencia es igual a cero. Esto quiere decir que a las centrales atómicas se puede aplicar la ley general que dice: cuanto mayor es la potencia energética de una central más barata resulta la
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electricidad que produce. Si pasa de los 200 mil kilovatios, el costo del fluido eléctrico generado será inferior al del que se obtiene en las centrales térmicas.
¿Qué perfeccionamientos e innovaciones técnicas podrán emplearse en la construcción de pilas nucleares y de centrales atomoeléctricas en un futuro próximo?
Cuadro aproximado de los cambios que experimenta el costo de la producción de energía eléctrica en las centrales térmicas y nucleares al aumentar su potencia.
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Nos detendremos solamente en las ideas que revisten mayor interés e importancia en este dominio.
En los apartados precedentes hemos hablado de las deficiencias que padecían los esquemas de centrales electroatómicas sin intercambiador de calor: la circulación de agua hirviente y de vapor en el interior de la pila, el paso inevitable de vapor intensamente contaminado a través de la turbina y demás partes de la central, la necesidad de construir sistemas complementarios de protección en torno de estas instalaciones, las dificultades de manejo de las mismas, etc.
No obstante, tal esquema ofrece muchas ventajas. Para que el lector
pueda hacer la comparación, los dos esquemas de centrales —con
intercambiador de calor y sin él— se exponen en páginas anteriores.
La potencia de ambas es la misma: 135 mil kilovatios, con un
rendimiento del 27%.
¿Cuáles son estas ventajas?
Ante todo, los esquemas de centrales sin intercambiador requieren muchas menos instalaciones.
En estos tipos de centrales, donde el agua circula a la temperatura de 250 grados, la pila debe estar calculada para una presión de 100 atmósferas, mientras que en las centrales con intercambiador, debido a la pérdida de calor que tiene lugar en él, la temperatura debe elevarse hasta 300 grados, y la presión, hasta 200 atmósferas. El gasto de potencia empleada para impeler del condensador al reactor 25 mil litros, aproximadamente, de agua refrigerante por
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minuto llega a cerca de 1.350 kilovatios, es decir, al 1 % de la potencia del generador.
Índices comparativos de una central atomoeléctrica y una térmica (a base de carbón).
Las centrales con intercambiador necesitan, además de los 1.350 kilovatios empleados para mantener la circulación del portador de
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calor en el segundo circuito, una potencia de 6.750 kilovatios, es decir, el 5% para mantener la circulación del agua que transfiere el calor desde la pila hasta el intercambiador.
Algunas características de centrales atomoeléctricas, de igual potencia, con intercambiador de calor y sin él.
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Así, pues, resulta un gasto del 1% energía para necesidades propias en los esquemas sin intercambiador, y del 6% en las centrales con intercambiador de calor.
La diferencia es bastante sustancial para no renunciar a los esquemas sin intercambiador, a pesar de los inconvenientes que tienen. Por lo demás, estos inconvenientes no son tan insuperables como pueden parecer a primera vista.
Los progresos de la mecánica y la telemecánica permiten efectuar el manejo de las centrales eléctricas modernas a distancia durante períodos muy prolongados.
Ya se conocen y se van logrando sin cesar nuevas aleaciones y materiales termoestables y de alto punto de fusión, resistentes a la corrosión, acelerada fuertemente por la intensa radiactividad del vapor que acciona la turbina y que pasa después por el condensador y por la instalación principal de bombeo de la planta.
Ahora unas palabras acerca de la llamada radiactividad inducida. El agua o el vapor, lo mismo que cualquier sustancia, al hallarse en el interior de la pila está sujeto al efecto de flujos de neutrones de potencia extraordinaria.
Los átomos de los elementos que forman el agua, así como las insignificantes impurezas que la acompañan inevitablemente, absorben neutrones y se convierten en isótopos radiactivos artificiales. Al desintegrarse, estos isótopos emiten partículas beta y rayos gamma, de gran poder ele penetración, y sus energías y períodos de semidesintegración no se diferencian en nada de los otros isótopos radiactivos.
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Existe el recelo de que cualquier sustancia sometida a la acción de los rayos gamma puede hacerse radiactiva y. por consiguiente, constituir un peligro para las personas que se hallan en sus proximidades.
Sin embargo, esto no es así. Para que en la inmensa mayoría de las sustancias irradiadas surja radiactividad secundaria o inducida, la energía de los rayos gamma que actúan sobre ellas no debe ser inferior a 8 MeV. Tal energía no la posee ninguno de los elementos emisores conocidos de rayos gamma, de procedencia natural o artificial. Por esto, las medidas de protección contra la radiactividad sólo deben tomarse en lo que respecta al intercambiador de calor, y en caso de que no funcione deben tomarse medidas de protección contra la radiactividad de los restos de agua y vapor acumulados o infiltrados en los distintos sectores de la instalación. Si se logra eliminar totalmente estos inconvenientes, todas las instalaciones de esta parte de la central serán completamente inofensivas.
Sin embargo, es menester erigir muros de protección de hormigón (hasta de 3 metros de espesor) en torno del reactor, la turbina, el condensador y todo el sistema de tuberías. En muchos casos, esto restringe el empleo de dicho tipo de instalaciones.
Como ya se ha señalado, en las calderas modernas de alto rendimiento es cada vez más [recuente la sustitución del agua por mercurio, sodio, potasio, mezcla de sodio y potasio, así como otros metales en estado liquido. Ya liemos hablado de las causas de tal sustitución.
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Principales ventajas que ofrece el empleo de metales líquidos para la refrigeración de los reactores nucleares.
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He aquí algunas características sodio líquido agua
comparativas de reactores refrigerados con:
Presión de trabajo del liquido (en 5 - 8 100
atmósferas)
Temperatura del liquido al entrar en la pila 300 190
(en grados)
Temperatura del líquido al salir de la pila 550 - 650 250
(en grados)
Punto de fusión del liquido (en grados) 104 0
Rendimiento térmico (en %) 30-35 20-25
Al combinarse con agua o aire húmedo Explosivo Inofensivo
Al combinarse con el grafito No se Se
descompone descompone
No obstante, al construirse reactores de este tipo surgen muchas dificultades técnicas complementarias.
Por ejemplo, es muy difícil retener en las tuberías el sodio líquido calentado a temperaturas muy altas. Los tubos se dilatan, surge el peligro de escape de sodio por las conexiones, lo que va acompañado de explosión destructora inevitable siempre que una mínima cantidad de dicho elemento entre en contacto con materias húmedas. Idénticas consecuencias causa el contacto del agua con el sodio líquido. Además, el sodio líquido calentado a elevadas temperaturas provoca una rápida corrosión de las tuberías y otras piezas metálicas con las que entra en contado. Es de comprender que en este tupido sistema de tubos de longitud total enorme, siempre puede haber algún sitio débil o simplemente inseguro.
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Existen, además, otras dificultades especificas todavía más serias en las que no vamos a detenernos.
Ofrecen mucho interés los reactores donde en calidad de moderador, y muchas veces como portador de calor, se emplea el agua pesada, o, incluso, corriente.
Estas pilas, sobre todo las de agua corriente, tienen gran porvenir. El empleo de agua pesada permite crear reactores muy compactos, de dimensiones muy inferiores a las de las pilas de grafito.
Entre las distintas variedades de pilas de agua pesada merece destacarse el reactor homogéneo, donde el uranio no se halla en forma de lingotes sueltos, sino disuelto en agua pesada. Este tipo de reactor ofrece numerosas ventajas, por cuya razón es de esperar que obtenga mayor difusión.
El uranio metálico se obtiene, en la última fase de su producción, a base de un complejo proceso de reducción a partir del óxido, seguido de un proceso no menos complejo de depuración del metal para librarlo de las impurezas nocivas.
Ahora bien, el reactor homogéneo no necesita uranio metálico, puesto que el óxido de uranio se disuelve con relativa facilidad en el agua pesada, lo que en gran medida disminuye el coste de la producción y reduce las pérdidas de uranio durante los procesos de fundición.
Una vez que la parte combustible del uranio —el uranio-235— se “quema" durante el funcionamiento del reactor homogéneo, todas las escorias liquidas o en estado gaseoso, productos de la
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desintegración, pasan al agua pesada, de la cual es mucho más fácil extraerlas o eliminarlas que de los lingotes de uranio metálico.
Por último, otra circunstancia muy importante: se puede construir un reactor donde la disolución de uranio circule ininterrumpidamente. Mientras una parte del combustible se halla en el reactor, la otra se somete al proceso de depuración y adición de nuevas cantidades de uranio-235, con extracción simultánea del plutonio que se haya formado. Esto tiene extraordinaria importancia, por ejemplo, cuando se necesita que el reactor funcione tiempo prolongado a elevadísima potencia, como propulsor, digamos, en una nave cósmica.
Algunos hombres de ciencia insisten en la posibilidad de crear un tipo original de reactor, en el cual se lograra asociar el combustible nuclear, el moderador y el portador de calor, conservando, al mismo tiempo, todas las ventajas que ofrece el líquido para extraer de él los productos de la desintegración. En la figura adjunta puede verse una representación esquemática de este tipo de reactor.
Una de las sales de uranio se disuelve en bismuto líquido, que apenas absorbe neutrones. Esta mezcla circula continuamente en circuito cerrado a través del reactor, el intercambiador de calor, las bombas y la instalación donde se extraen de la solución los productos de desintegración del uranio y el plutonio que se haya formado, así como se efectúa la adición suplementaria de uranio-235 conforme se vaya consumiendo.
Si las condiciones de trabajo son normales, no debe producirse la menor reacción nuclear en la mezcla en todo el circuito, excepto el
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reactor. Los neutrones que podrían formarse con la fisión espontánea de un número relativamente pequeño de núcleos del uranio- 235 se volatilizarán, ya que no tropezarán en ningún sector ni con el moderador ni con el reflector. Así pues, la mezcla está absolutamente exenta de cualquier peligro de reacción espontánea o explosión.
Representación esquemática de un reactor con evacuación ininterrumpida de los productos de la desintegración.
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Pero ¿qué ocurre cuando la solución llega al interior de la pila?
El reactor está rodeado de reflectores que impiden inmediatamente cualquier clase de fugas de neutrones de la mezcla de uranio y bismuto. Los numerosos tubos, por donde circula a gran velocidad la mezcla, están rodeados con material moderador de neutrones: bloques de grafito o agua pesada.
Como es lógico, en estas condiciones, la velocidad de movimiento de los neutrones decrece instantáneamente hasta llegar a \a térmica y comienzan a fisionar de forma intensa los núcleos del uranio- 235] Debido al efecto de los fragmentos nucleares que salen disparados en todas las direcciones, la mezcla se calienta hasta la temperatura de 500-800 grados. Pero en cuanto abandona los canales del reactor cesa la reacción en cadena en el uranio que se halla en suspensión en el bismuto. En su curso siguiente, hasta llegar al Ínter-cambiador de calor, la solución actúa como portador de calor. Tras de entregar su calor al agua o cualquier metal, también líquido, que baña el intercambiador, la solución se depura de los productos de la desintegración y vuelve de nuevo al reactor.
Tal es, en breves palabras, la idea de la construcción de reactores nuevos y más perfectos del porvenir próximo o algo alejado.
No está descartada la posibilidad de que la invención de materiales más perfectos permita volver a esquemas y portadores de calor que ya parecen definitivamente rechazados, como por ejemplo, el agua y el gas, en lugar de buscar nuevos métodos de derivación del calor de la pila, muchas veces carísimos y complicados.
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Estos son los problemas que preocupan hoy día a los hombres de ciencia e ingenieros dedicados a la construcción de pilas nucleares.
Representación esquemática de un reactor donde el combustible nuclear, el moderador y el portador de calor forman un todo único.
5. Reactores regeneradores o incubadores
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Supongamos que le hagan a Vd. la siguiente pregunta: ¿se puede quemar, digamos, 100 kilos de leña o de carbón, efectuar con el calor obtenido el trabajo que le corresponde y, al mismo tiempo, sacar del horno todo el combustible consumido en él o, incluso, algo más de lo que fue quemado?
Es bien probable que tal pregunta le suscite la sospecha de que su interlocutor sea un inventor del "motor perpetuo”, un autor fracasado de novelas de ficción o simplemente una persona muy ignorante. Y, como es natural, Ud. le hablará de la imposibilidad de crear el “perpetuum mobile”, de las leyes de la conservación de la energía y de la materia.
No obstante, el horno que devuelve el combustible consumido es el llamado reactor regenerador o incubador (breeder).
¿Gimo es eso? ¿Se habrá logrado, por fin, crear el motor perpetuo, pero esta vez atómico?
Claro que no se ha logrado construir ningún motor "eterno", ni siquiera atómico, pero sí se puede, por lo visto, sacar de la pila atómica más combustible que el quemado en ella. De lo que se trata es de saber qué sustancia se utiliza como combustible nuclear en el presente y qué se podrá emplear mañana.
Ya hemos dicho que el uranio natural no contiene más que el 0,7% de uranio-235, el único que sirve para la obtención de la reacción nuclear espontánea en cadena. El 99,3% restantes corresponde al uranio-238 y al uranio-234, que no toman parte en la reacción en cadena y son, de hecho, un lastre. En algunos casos se separa primeramente el uranio-235 del uranio-238 y se le emplea donde
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sea necesario. Se le puede también emplear sin previa separación, consumiéndolo en el reactor, gracias a lo cual del 0,3 al 0.5% del uranio- 238, aproximadamente, se convertirá en plutonio. Este último se logra separar con relativa facilidad del uranio-238.
Representación esquemática de un reactor incubador “breeder".
Ahora bien, existen, además, otros procedimientos. Se puede quemar también el plutonio que se forma como consecuencia de la reacción y convertir la nueva porción (todavía menor, cerca del 0.1 = 0,3%) de uranio-238 en plutonio y repetir el proceso hasta que la cantidad decreciente de plutonio que se forma cada vez se reduzca a
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cero. En este caso, se logra quemar mayor cantidad que la inicial (0,7% de uranio-235), se queman unos 3 ó 4% (0,7% de uranio-235 y unos 2 ó 3% de plutonio obtenido a partir del uranio-238). Así se obtiene una energía 4 ó 5 veces mayor. Pero con esta racionalización haremos imposible la obtención de plutonio, que podría emplearse, por ejemplo, en las bombas atómicas.
La experiencia adquirida por los hombres de ciencia en lo que se refiere a la construcción y explotación de reactores dio lugar a una idea audaz: construir una caldera atómica donde se quemara el 0,7% de uranio-235 con la consiguiente transformación no ya del 0,3^0,5% del uranio-238 en plutonio, sino del 0,7% e incluso el 1 % o algo más.
Las correspondientes investigaciones teóricas y experiencias prácticas mostraron que la tarea planteada es viable.
La posibilidad de aprovechar todo el uranio-238 para convertirlo en plutonio aumenta en más de 100 veces los recursos energéticos de la humanidad.
¿Cómo debe ser ese reactor regenerador?
En el centro mismo del reactor se coloca una cantidad rigurosamente determinada de uranio-235 puro, algo inferior a la masa crítica que se emplea en las bombas atómicas. El comienzo violento: la reacción en cadena se evita mediante el adecuado número de lacas de cadmio absorbente introducidas plenamente en el uranio.
En virtud de que el combustible es el uranio-235 puro, desaparece la necesidad de moderadores, y la reacción en cadena en el lirado se
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desarrolla a base de neutrones rápidos.
Índices comparativos de tres tipos principales de reactores nucleares: a - ordinario; b - regenerador; c - incubador; a la derecha se señala el costo relativo (en %) de la energía obtenida en cada uno de ellos.
La disposición del combustible atómico en forma de masa compacta permite lograr dimensiones muy reducidas y una cantidad mínima de elementos de construcción: bastidores, tubos, etc., que ineluctablemente contienen elementos absorbentes de neutrones.
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La varilla central de uranio-235 se envuelve en una capa, "manta" o “almohada” de uranio-238. Los neutrones que salen despedidos de la varilla atraviesan la '‘almohada" y, al ser absorbidos por los núcleos de uranio-238, se transforman en plutonio-239.
Gracias a esta serie de reactores incubadores se puede aprovechar totalmente el uranio constituido por el uranio-235.
Por la parte exterior, el reactor está rodeado de una capa reflectora de grafito y una protección biológica de varios metros de espesor.
La refrigeración y el manejo de la pila se efectúan a través de orificios abiertos en la varilla central de uranio-235, en la “almohada" de uranio-238 y en la capa reflectora de grafito.
En estos reactores, la reacción en cadena comienza después de retirarse las placas de cadmio de regulación aproximada y se introducen a la debida profundidad las varillas de regulación precisa.
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Una vez iniciada la reacción, su intensificación violenta será impedida por el propio uranio-238, que absorberá una parte considerable de los neutrones multiplicados.
Después de fisionarse todo el uranio-235 en la varilla central del reactor, se i orina en la “almohada'' una cantidad algo mayor de plutonio a partir del uranio-238. La "almohada" se extrae "de la pila, el plutonio se separa del resto de uranio-238, y la varilla central se llena con el plutonio recién formado. Desde este momento, la pila funciona a base de varillas de plutonio, que se acumula más y más en la envoltura exterior de uranio-238 del reactor.
Al duplicarse la cantidad de plutonio, tras una serie de dichos ciclos, la cantidad sobrante puede emplearse en otro reactor para iniciar en él un ciclo paralelo de multiplicación de plutonio. Pasados varios ciclos más, la cantidad de plutonio se cuadruplica y puede emplearse en cuatro reactores, y así sucesivamente.
Además de la multiplicación de plutonio, en este tipo de reactor se producen también los procesos habituales de los que ya hemos hablado mucho anteriormente.
Las pilas atómicas de multiplicación pueden emplearse con todo éxito en las centrales eléctricas y como fuentes de fuerza motriz. Debido a las ventajas que ofrece, ante este tipo de reactores se perfilan amplias e interesantes perspectivas.
Revisten mucho interés algunos cálculos de carácter económico. Aquí se muestran los datos comparativos de tres tipos de reactores con indicación del costo convencional de la electricidad obtenida a base de ellos.
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En la parte superior se trata de un reactor que funciona con uranio-235 puro.
En el esquema del centro se muestra la cantidad de energía obtenida mediante un reactor regenerador que funciona a base de uranio natural, en el cual, a la par con la fisión del uranio-235, se forma una cantidad algo menor de plutonio a partir del uranio-238. Vemos que la cantidad de energía obtenida es casi tres veces mayor que en el primer caso.
Por fin, en la parte Inferior se indica la cantidad de energía eléctrica obtenida en una central con reactor regenerador, donde gracias a la reproducción reiterada se llega a utilizar todo el uranio natural empleado. Desde el punto de vista económico, es el esquema más ventajoso. Por eso afirmamos que el porvenir de la energética atómica pertenece a los reactores multiplicadores.
6. Del sueño nace el plan, del plan nace el sueño
Serguéi Kirov, destacado dirigente del Partido Comunista de la Unión Soviética, solía decir que el sueño es el primer bosquejo del plan. La sociedad socialista apareció primero como un sueño posteriormente encarnado en un plan que viene siendo cumplido con una precisión y regularidad jamás vistas en la historia humana. Un ejemplo brillante de ello nos lo ofrece la energética atómica. Hace muy poco tiempo, menos de 30 años, la liberación de la energía nuclear parecía ser uno de los más audaces y fantásticos sueños del hombre. Sin embargo, apenas pasaron unos 10 años y el sueño se presentó ante la Humanidad en forma de central atomoeléctríca.
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puesta en explotación en un país cuya existencia hace unos 18 años también era un sueño encarnado en planes científicos por los fundadores del comunismo.
El ulterior progreso del sueño, que ha adquirido formas definidas gracias a la teoría y la práctica, se acelera con rapidez vertiginosa. La experiencia adquirida durante la explotación de la primera planta mostró que un descenso considerable del costo de la electricidad —para que sea inferior a la generada en las centrales térmicas— sólo es posible en las instalaciones de gran potencia. Así se explica que primeramente se construyeron centrales de 400 mil a 600 mil kilovatios cada una. La construcción y explotación de dichas plantas dio posibilidad de comprobar su grado de perfección, el costo de la energía y hasta qué punto resultan inofensivas para la población circundante.
Pero esto no es todo. No siempre resultan al primer intento económicamente ventajosos los descubrimientos y las innovaciones técnicas y científicas a pesar de tener un gran porvenir. Por eso, en los últimos años fueron construidas varias instalaciones experimentales y de carácter industrial de distintos tipos y potencias.
¿Qué instalaciones son? Ya hemos dicho que el empleo del intercambiador de calor entre el reactor y la turbina de vapor no es siempre ventajoso ni deseable. Cuando se necesita compaginar el máximo de potencia con las dimensiones y peso mínimos conviene más la obtención directa de vapor, aunque ello complique enormemente el problema de la protección del personal de servicio y
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de la población vecina contra las emanaciones peligrosas. Por ello, se construyó una instalación con reactor de tipo corriente a base de neutrones lentos, moderados con agua ordinaria perfectamente limpia de impurezas, y con turbina accionada por vapor muy poco radiactivo, procedente del reactor.
A esta siguió una planta con reactor homogéneo (regenerador) para la reproducción ampliada (donde el factor de reproducción del combustible será mayor que la unidad) de combustible nuclear a partir del torio-232 transformado en uranio-233.
Otra central funciona a base de un reactor de neutrones térmicos con moderador de grafito, donde la derivación del calor corre a cargo del sodio líquido.
Luego le sigue, por lo que respecta al grado de complejidad, el reactor multiplicador, que funciona a base de neutrones rápidos (sin moderador), con refrigeración por sodio líquido para la reproducción ampliada de plutonio-239 a partir del uranio-238.
En la lámina adjunta se pueden ver el esquema y el aspecto general de una de las variantes posibles de instalación electroatómica de 210 mil kilovatios que funciona a base de neutrones térmicos, moderados por agua. La instalación viene a ser algo así como una unidad básica o bloque para las centrales de 420 mil, 630 mil y más kilovatios mediante la unión de varios bloques de este tipo. Aquí el reactor es un tanque cilíndrico de acero con fondo esférico, para mayor resistencia. Eu la parte central del tanque se halla la zona activa integrada por varillas de bióxido de uranio enriquecido con el isótopo de uranio-235.
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En el interior del tanque circula agua a la presión de 100 atmósferas. Gracias a esta presión, el agua puede calentarse hasta 275 grados sin hervir y va a parar al serpentín del intercambiador de calor (generador de vapor), donde, a su vez, calienta el agua del segundo circuito, convirtiéndola en vapor a la temperatura de 235 grados y presión de 30 atmósferas. El vapor que circula en el segundo circuito se limpia previamente de las gotitas de agua que puede llevar en suspensión (se deseca) en separadores especiales y pasa a las turbinas. Después, el vapor utilizado se dirige por vía habitual al condensador refrigerado por agua corriente de río, se condensa en él pasando nuevamente al estado líquido y retorna al intercambiador de calor. En virtud de que el volumen del agua del primer circuito cambia en medida considerable en dependencia de la temperatura que exista en el interior de la pila, la instalación va dotada de un compensador del volumen del agua, que consiste en un recipiente intermedio, donde se crea sobre la superficie del agua una "almohada" a alta presión a base de un gas inerte, para regular la cantidad de agua que pasa de este depósito al tanque del reactor. Paralelo al primer circuito se conecta un circuito auxiliar, cuya misión es compensar las pérdidas de agua en el primer circuito debidas a pequeños, pero posibles desperfectos, así como para tomar constantemente de él el agua destinada a ser depurada de sustancias radiactivas (impurezas) que se forman bajo la acción del bombardeo neutrónico en el interior del reactor.
Para lograr un sistema de regulación más sensible de la pila se emplea, además de las varillas de carburo de boro (absorbentes de
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neutrones), otra innovación: varillas de uranio, hechas de uranio natural y enriquecido, reunidas formando juegos especiales que pueden cambiar de posición el uno respecto al otro.
Cuando hace falta detener al reactor, una parte de los juegos con uranio enriquecido puede desprenderse automáticamente y caer en el fondo del tanque, con lo cual se interrumpe la marcha de la reacción.
En 1958, el Gobierno soviético publicó la noticia de que se había puesto en explotación la primera parte de una central atómica de 100 mil kilovatios. La potencia total de la central será de 600 mil kilovatios. Su reactor, de neutrones térmicos, funciona a base de uranio natural. El moderador es de grafito y el portador de calor es el agua, que en el segundo circuito llega a calentarse hasta 185 grados.
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Capitulo X
Industria atómica
Contenido:
1. La rama más joven de la industria
2. Materias primas para la industria atómica
3. Cómo se extraen el uranio y el torio metálicos
4. Fábricas de combustible nuclear
5. El torio-232
6. Fábricas que producen un elemento que antes no existía en la Naturaleza
7. Combustible estelar
1. La rama más joven de la industria
Las expresiones “industria metalúrgica, electrotécnica, química” ya no nos causan admiración. Estamos acostumbrados a ellas y sabemos lo que significan. Tampoco nos extrañan nombres tan poco concretos como, por ejemplo, industria “pesada”, "ligera". Todos sabemos perfectamente lo que tiene de “pesado” y de “ligero".
Ahora bien, “industria atómica" suena como una cosa bien rara. ¿Qué industria es ésa? ¿La que hace átomos? ¿La que clasifica y prepara paquetes de electrones? ¿La que fabrica y transforma protones y neutrones?
Por extraño que parezca, pero precisamente algo parecido a esto, en escala industrial, pertrechada con todos los adelantos de la ciencia y la técnica modernas, es lo que produce la nueva rama industrial que se denomina atómica.
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Las nuevas esferas de la ciencia y de la técnica sólo pueden ejercer alguna influencia en la industria y en toda la economía de un país, cuando cuenta con una base industrial desarrollada en todos los aspectos.
A pesar de sus incomparables virtudes y ventajas, la energía atómica hubiera quedado por mucho tiempo como un “milagro" de laboratorio, como un “huracán de probeta" si su desarrollo y progreso no hubiesen contado con el concurso de una poderosa base técnico- industrial, no sólo en lo que se refiere exclusivamente a la industria atómica, sino a muchas otras ramas viejas, como, por ejemplo, la industria química, metalúrgica, electrotécnica, radiotécnica, de maquinaria, etc.
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Esquema aproximado de la producción de combustible nuclear (uranio y plutonio).
Veamos lo que es esta joven rama de la técnica, la industria que ha surgido hace unos 15 años y se ha desarrollado tanto.
Ante todo merece señalarse que en dicha rama trabaja un gran número de especialistas de las más diversas profesiones.
Además, se ocupan de problemas atómicos casi todas las viejas ramas de la ciencia y la técnica: la Química, la Metalurgia, la Medicina, la Biología, etc.
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Hoy día es más fácil enumerar las esferas donde no han penetrado aún los adelantos de la Física nuclear que aquéllas donde esta última se aplique con mayor o menor amplitud. No pasarán ni siquiera 10 años y en el mapa indicativo de la penetración de la técnica atómica en las distintas ramas de la economía nacional no quedará una sola mancha blanca.
Por algo nuestra época se denomina ya “la edad del átomo".
2. Materias primas para la industria atómica
A diferencia del oro y el platino, metales que se encuentran en estado natural, el uranio y el torio en estado metálico puro no existen en la naturaleza. Sólo se pueden hallar formando distintas combinaciones químicas.
La corteza del globo terráqueo contiene bastante uranio —más o menos la misma cantidad que de plomo— un 0.0005 por 100, pero extraordinariamente disperso; sólo en casos muy excepcionales este elemento llega a formar yacimientos minerales ricos.
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1. El mecanismo de la absorción y radiación de cuantos de energía por los átomos de la sustancia. Cuando un átomo absorbe la energía
del fotón, su electrón salta de una órbita próxima al núcleo a otra más alejada, es decir, pasa de un nivel bajo de energía a otro superior. Debido a ello, el átomo entra en estado de excitación. Pasado un lapso muy insignificante, el electrón vuelve de la órbita alejada; a la más próxima: en consecuencia, el átomo irradia (devuelve) la energía recibida, antes. El regreso lo efectúa el electrón de una vez o en
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varias etapas, irradiando en cada una de ellas una cantidad de energía en forma de luz de uno u otro color según sea el nivel de energía de la órbita intermedia, en la que se detiene temporalmente.
2. En el método de los elementos trazadores se aprovecha la propiedad que poseen los distintos elementos radiactivos de
concentrarse en determinadas parte del organismo humano (en los huesos, en la sangre, en el hígado, en las glándulas endocrinas).
Este es el aspecto de algunos minerales uraníferos: a — uranita del Congo Belga. b— carnotita negra y amarilla, se encuentra en la
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arenisca; c — uranita canadiense, se encuentra en las piedras calizas; d — en los crisoles se ven muestras de distintos
concentrados de minerales de uranio. A la izquierda, sección típica de veta uranífera que contiene distintas clases de minerales de uranio pechblenda, calcolita. etc.).
Estos minerales contienen toda una serie de productos de la desintegración radiactiva del uranio acumulados en el transcurso de miles de millones de años: radio, polonio, plomo.
Los minerales principales de uranio son la pechblenda, la autonita, la carnotita y algunos otros.
El uranio se encuentra casi en todos los países. Donde más se ha descubierto por el momento ha sido en el Congo, Canadá, Australia y Checoslovaquia. Se explotan yacimientos de uranio en España, Portugal y otros países.
El torio constituye, aproximadamente, el 0,0008 por 100 de la corteza terrestre, es decir, casi vez y media más que el uranio.
Este elemento se extrae principalmente a partir de las llamadas arenas de monacita, formadas, en lo fundamental, por fosfatos de los elementos de las tierras raras y silicato de torio.
Dicho mineral abunda principalmente en la India, el Brasil y la isla de Ceylán.
Antes se consideraba que las reservas de energía que contienen el uranio y otros elementos fisionables no son sino una parte insignificante de las demás reservas. Pero la realidad mostró todo lo contrario. Todas las reservas energéticas de la Tierra no pasan de la
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vigésima parte de la energía que encierran los minerales de uranio y torio, que un día el hombre sabrá extraer de la tierra y aprovechar. La necesidad mundial de energía al año asciende hoy día a 3 billones de kilovatios-hora, aproximadamente (3×1012 kWh). Partiendo de esta demanda, incluso si no experimenta sensibles cambios en el futuro, las reservas de carbón y petróleo de la Tierra se agotarán al cabo de unos 100 ó 200 años. Sin embargo, teniendo en cuenta el incremento continuo del consumo de energía, los cálculos muestran que la escasez de combustibles minerales se hará sentir mucho antes.
Mientras tanto se hace cada vez más evidente que las reservas de energía ocultas en el combustible atómico —tan sólo en el uranio y el torio—, incluso si admitimos que el rendimiento de las instalaciones empleadas para transformar la energía atómica en electricidad sea de un 25 por 100, pueden bastar para varios siglos.
3. Cómo se extraen el uranio y el torio metálicos
Las fábricas dedicadas a la extracción del uranio metálico a partir de sus minerales reciben la materia prima en forma de roca con un contenido del 1 al 2% de uranio en el mejor de los casos. De ahí que se considere conveniente, desde el punto de vista económico, aprovechar minerales con un contenido de milésimas partes de un por ciento de uranio. Como es natural, estos minerales deben someterse a un proceso de beneficiación o enriquecimiento en fábricas especiales, donde se separa de ellos una gran proporción de la ganga y de otros componentes exentos de uranio.
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La concentración del mineral enriquecido de este modo alcanza varias decenas por ciento.
Se conocen varios procedimientos de obtención del uranio metálico a partir de concentrados enriquecidos. Todos ellos son bastante laboriosos y complejos. Veamos, a título de ejemplo, uno de los más sencillos y generalizados.
Al llegar a la fábrica, el mineral concentrado de uranio se trata con una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico. El uranio se disuelve en la mezcla, mientras varios otros metales, como por ejemplo el radio, el plomo, el bario, etc. forman compuestos insolubles —sulfatos— que se precipitan junto con las otras sustancias insolubles en estos dos ácidos.
La disolución de uranio en la mezcla de ácidos se trasiega a otras instalaciones donde se le añade sosa en abundancia. Con ello, se logra la precipitación de otro grupo de metales: el aluminio, el hierro, el zinc, el cromo, etc., que pasan a formar compuestos también insolubles —carbonatos, hidróxidos, etc. El uranio queda disuelto en forma de carbonato complejo.
Después, se añade ácido nítrico hasta que la solución adquiere de nuevo reacción ácida. Eu consecuencia, el carbonato complejo de uranio se transforma en nitrato de uranilo. Si a la disolución se agrega suficiente cantidad de éter dietílico éste extraerá, incorporando a su masa, todo el nitrato de uranilo contenido en la solución. Las demás impurezas quedan en la solución ácida o, como suele decirse, en su fase acuosa.
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Debido a que las soluciones ácida y etérea tienen distinta densidad no cuesta trabajo separarlas. El éter, más ligero, con el uranio disuelto se reunirá en la parte superior, mientras la parte ácida de la solución quedará en la capa inferior, que se vacía abriendo una llave situada en el fondo del recipiente donde se ha realizado esta operación.
Al vaciar la parte ácida, en el recipiente queda nitrato de uranilo puro disuelto en el éter, del cual se precipita en forma de cristales amarillos de diuranato amónico, que se empleaba principalmente para pintar vajilla de porcelana en los tiempos anteriores al descubrimiento de la fisión del uranio. El éter, en el que se disuelve el nitrato de uranilo, es muy inflamable, por cuya razón se deben tomar medidas excepcionales de precaución contra incendio en esta fase del proceso de producción.
A continuación, comienza el proceso metalúrgico. El diuranato amónico tratado con flúor se convierte primeramente en tetrafluoruro de uranio, que se calienta después mezclado con virutas de calcio.
Se produce una reacción tumultuosa que da como resultado la transformación del fluoruro de uranio en uranio metálico.
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Esquema de uno de los procesos tecnológicos de obtención del uranio metálico a partir de la materia prima.
Las barras o lingotes de uranio se refunden para formar pequeños cilindros de 2,5 kg cada uno, que se revisten herméticamente con una envuelta de aluminio o de otro metal capaz de impedir la oxidación del uranio.
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La producción de uranio se distingue de otros muchos procesos químicos y metalúrgicos por el alto grado de pureza del producto final. Basta la impureza más ínfima de otros elementos para que el valiosísimo combustible nuclear sea inservible.
Esta ropa de protección tiene que usar a veces el personal de la industria atómica.
He aquí por qué se eliminan del uranio con tanto escrúpulo el cadmio, el boro, el indio y muchos elementos más, que son activos absorbentes de neutrones. Su concentración debe ser inferior a un gramo por tonelada de uranio.
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El polvo que se desprende durante el proceso de producción del uranio es muy pernicioso para el organismo humano, pues contiene elementos tan tóxicos como el plomo y el uranio.
Esta es la razón de que se preste tanta atención a las medidas de seguridad y protección del trabajo en la producción de uranio. Todo el proceso se organiza de tal manera que quede excluida la posibilidad de desprendimiento de polvo en cualquier etapa. Los locales están provistos de complejos sistemas de ventilación y aparatos que vigilan el estado de contaminación radiactiva del aire. El uso de ropa y caretas especiales es obligatorio para todo el personal.
Las operaciones y tratamiento que requieren los minerales de torio, así como el proceso de su obtención, se parecen mucho al proceso de producción del uranio.
El mineral de monacita enriquecido se trata inicialmente con ácido sulfúrico concentrado. Luego, se eliminan todas las impurezas por medio de ácido oxálico y fosfórico, después de lo cual comienza el proceso de reducción hasta obtener torio metálico.
4. Fábricas de combustible nuclear
Ahora bien, el uranio y el torio metálicos no son aún combustible nuclear. Para convertir el uranio metálico en combustible nuclear, hay que separar el 0,7 por ciento de uranio-235 o quemarlo en la pila nuclear, transformando simultáneamente cierta cantidad de uranio-238 en plutonio.
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Según sean las condiciones técnicas se emplea uno u otro procedimiento.
Pero ¿cómo se pueden separar los isótopos?
De las sustancias conocidas en la naturaleza no hay ninguna que disuelva uno de ellos sin alterar al otro. Tampoco se conoce ninguna reacción química capaz de actuar selectivamente sobre uno de los isótopos, dejando intacto al otro.
No se diferencian más que por la masa de tres neutrones. lo que supone un poco más del 1 por ciento de la masa total. Esta es la única diferencia que puede intentarse aprovechar para separar estos tercos isótopos, superando para ello enormes dificultades.
Hemos visto ya que las primeras porciones microscópicas de uranio-235 fueron obtenidas en una instalación parecida al espectrógrafo de masas, que es un aparato de medición. Con posterioridad, se construyeron en EEUU fábricas con miles de estos aparatos de laboratorio. De las placas que actuaban de blancos se recogían, al final de la jornada, unas milésimas de gramo de uranio-235. Así. la producción diaria total de la planta ascendía a varias decenas de gramos.
Más eficiente resultó ser el método de la difusión gaseosa.
La Física nos enseña que todas las moléculas constitutivas de una mezcla de gases poseen, por término medio, la misma energía cinética. Pero esto no significa que todas las partículas del gas se mueven con idéntica energía (velocidad): las más ligeras se mueven a velocidades mayores, y las más pesadas, al revés.
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Las moléculas ligeras, dada la gran velocidad de su movimiento, chocan con mayor frecuencia con las paredes del recipiente que contiene la mezcla de gases, dando lugar a distintas presiones: menores para las partículas pesadas, y mayores para las ligeras.
Esquema de una sección de la instalación que se empica para separar los isótopos del uranio por el método de difusión gaseosa. A la derecha, una instalación de separación formada por varias secciones unidas en serie.
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Si una de las paredes del recipiente se hace de alguna sustancia con multitud de poros muy finos, el número de moléculas ligeras que escapeo a través de dicha pared y. por tanto, del recipiente, será mayor que el de moléculas pesadas para un mismo periodo de tiempo.
El gas recogido en la parte exterior del recipiente se distinguirá del gas que queda en el interior del mismo, será algo más ligero.
El paso selectivo de las moléculas de un gas, que posean menor peso, a través de una pared porosa llámase difusión gaseosa.
Sin embargo, este proceso, muy lento, no se produce prácticamente más que cuando el gas más ligero atraviesa la pared en una sola dirección —de dentro a fuera— sin poder volver. Ello se logra evacuando constantemente el gas que ha pasado por el tabique.
Para poder emplear este método en la separación de los isótopos del uranio es menester convertirlo en gas.
El único compuesto gaseoso del uranio es el hexafluoruro de uranio. En la figura adjunta se puede ver el esquema general de una instalación para separar los isótopos del uranio mediante la difusión gaseosa del hexafluoruro de uranio.
Cada sección consta de dos cámaras separadas por un filtro de plástico de estructura porosa muy fina o de material cerámico con infinidad de orificios microscópicos. El gas enriquecido se extrae de la cámara exterior mediante una bomba al vacío. En virtud de que el paso por cada sección produce una separación muy insignificante
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de los isótopos de uranio, el gas debe hacerse pasar sucesivamente por varios miles de dichas secciones.
Dada la gran sensibilidad del proceso de difusión gaseosa ante los cambios de temperatura y de presión, la regulación precisa y exacta de éstas tiene importancia. Cuando el gas, al ser trasvasado, por medio de bombas y compresores de un recipiente a otro, se comprime, su temperatura se eleva inevitablemente. Por esta razón, después de pasar por cada sección, es necesario hacer circular el gas por un refrigerador (intercambiador de calor) especial con objeto de enfriarlo hasta la temperatura requerida.
Las fábricas de difusión gaseosa son enormes empresas. Los miles de secciones de separación, compresores, refrigeradores, aparatos e instrumentos se entrelazan por miles de kilómetros de tuberías y cables.
El hexafluoruro de uranio es muy tóxico, lo que requiere precauciones especiales para el personal encargado de su manejo. Además, es el más activo de los gases conocidos, reacciona prácticamente con todos los metales, metaloides y materias orgánicas, causa la corrosión de todo lo que encuentra a su paso. Por ello, todas las piezas de las instalaciones de difusión gaseosa que tienen contacto con este gas deben ser de tipos especiales de acero inoxidable, de aleaciones especiales y otras materias resistentes a la corrosión.
Anteriormente ya nos hemos referido a otro procedimiento industrial, el de la separación electromagnética de los isótopos mediante un gran número de espectrógrafos de masa. Se conocen
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también otros procedimientos de separación de los isótopos del uranio, pero menos perfectos y más complejos, debido a lo cual no se emplean en tan gran escala.
5. El torio-232
El torio-232 (Th90232) es otro elemento, incluso más abundante en la corteza terrestre que el uranio, que puede emplearse como materia prima para la producción artificial de combustible nuclear.
En estado puro, dicho elemento no entra en reacción en cadena, pues no se fisiona más que por efecto de los neutrones más rápidos.
De acuerdo con este esquema se puede transformar el torio-232 en uranio-233, aprovechando cualquier reactor nuclear en acción.
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Ciclo de operaciones en el proceso de obtención del plutonio a partir del uranio-238 en una pila nuclear.
Pero, si se le somete en un reactor nuclear a una intensa irradiación con flujo de neutrones, se convierte en isótopo artificial del uranio
—el uranio-233—, que lo mismo que el uranio-235 y el plutonio, es fisionable.
No obstante, la producción de uranio-233 resulta bastante dificultosa, debido a que en la naturaleza sólo existe un isótopo del torio-232 y no se conoce otro que se fisione de la misma manera que el uranio-235 en la familia de los isótopos del uranio.
Por eso, para transformar el torio-232 en isótopo fisionable del uranio —el uranio-233— es menester añadir previamente al torio-
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232 cierta cantidad de uranio-235 o de plutonio, colocarlos en un reactor nuclear, y, quemando la parte combustible de la mezcla convertir el torio en uranio-233, que es otro combustible nuclear. A medida que se acumule el uranio-233, en lugar del uranio-235 o del plutonio, se podrá agregar a la mezcla ya sólo el uranio-233, fisionable.
Ya hemos dicho que durante la reacción nuclear siempre escapa cierta cantidad de neutrones del reactor, pese a todas las medidas de precaución que se tomen.
Por ello, se consideró conveniente revestir la zona activa del reactor con una capa más de torio.
Pasado cierto tiempo, tras de absorber la suficiente cantidad de neutrones que intentan escapar, gran parte de los núcleos del torio-232 se convierte en núcleos del uranio-233.
Con lo dicho, quizás podamos dar fin a la descripción de la producción industrial del combustible nuclear fisionable, aunque sólo hemos tocado una parte relativamente muy pequeña de una rama industrial del siglo XX, muy interesante, compleja y en estado de continuo perfeccionamiento.
6. Fábricas que producen un elemento que antes no existía en la Naturaleza
Trátase del plutonio-239, elemento que hace 15 años no existía. El elemento apareció en el mundo con el comienzo de la edad de la energía atómica.
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El aprovechamiento de la energía atómica se inició con el uranio-235, que siempre ha sido el combustible nuclear más importante. Se puede disponer de una montaña entera de uranio natural y no aprovechar ni una gota de la energía que encierra si no se cuenta con un kilo de uranio-235, que viene a ser como una especie de “cerilla” nuclear.
Ahora bien, desde el momento en que se inicia la reacción nuclear, el elemento que adquiere la mayor importancia es el plutonio. En un futuro próximo, la Humanidad aprenderá a transformar en plutonio todo el uranio-238, el cual de por sí no puede emplearse como sustancia fisionable, pero que abunda en la naturaleza 140 veces más que el uranio-235.
En la producción de plutonio, las instalaciones fundamentales son los reactores nucleares, así como los aparatos de depuración química de las varillas de uranio después de haber sido utilizadas en la pila.
Eu el capítulo “El reactor nuclear" hemos descrito ya el aspecto técnico del proceso de transformación de una parte de uranio-238 en plutonio.
Después de que, en el proceso de la reacción en cadena, sella consumido todo el uranio-235 y se ha formado el plutonio, las barras de uranio quedan contaminadas con gran cantidad de sustancias muy radiactivas, productos de la reacción nuclear. Estas “escorias" absorben neutrones y frenan hasta tal punto la marcha de la reacción nuclear que surge la necesidad de retirar y
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reemplazar las barras de uranio mucho antes de haberse quemado todo el uranio-235.
Las barras usadas son “calientes”, es decir, muy radiactivas y peligrosas incluso a gran distancia. Por eso, todas las manipulaciones relacionadas con su extracción, transporte y tratamiento se efectúan mediante mecanismos y dispositivos con mando a distancia.
Generalmente se construyen grandes piscinas al lado de los reactores y se las llena de agua para sumergir a la profundidad de 4 ó 5 metros las barras de uranio extraídas del reactor.
En estas piscinas, los lingotes se quedan hasta la plena desintegración de todos los elementos de más corto período de vida, es decir, los isótopos más radiactivos que se forman a consecuencia de la fisión de los núcleos de uranio.
Una vez concluida la desintegración de estas sustancias, se quita de las barras la envoltura de aluminio y se las disuelve en ácido nítrico.
Luego, la solución obtenida se somete a toda una serie de procesos químicos que permiten separar los restos de uranio-235 junto con el uranio-238. el plutonio nuevamente formado y los productos de fisión del uranio-235, es decir, una gran diversidad de isótopos radiactivos.
Los isótopos más valiosos y útiles se depuran y, tras de determinar con toda meticulosidad el carácter y la energía de sus emanaciones, se envían envasados en recipientes especiales a los consumidores,
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donde son empleados como potentes manantiales de rayos gamma, como elementos trazadores, etc.
Antes de descubrirse las reacciones nucleares, en el mundo no había más que unos cuantos kilogramos de radio. Los establecimientos médicos y de investigación científica más ricos del mundo no poseían más de 1 ó 2 gramos de este valioso metal.
En la actualidad, un potente reactor nuclear puede satisfacer cualquier demanda de isótopos con los más diversos tipos de radiación, equivalentes a muchos kilogramos de radio.
En las fábricas de plutonio rigen las mismas leyes económicas que en cualquier empresa industrial. Una vez terminado el período de puesta en marcha y asimilación de los procesos tecnológicos de la nueva rama, terminados los generosos desembolsos y hechos todos los esfuerzos para obtener las primeras muestras, entran en vigor las implacables leyes económicas, que requieren un incremento constante de la productividad del trabajo, rebaja del costo de la producción, economía de las materias primas y materiales auxiliares, reducción de los gastos suplementarios c improductivos y adopción de medidas técnicas de perfeccionamiento, ante todo encaminadas a elevar el rendimiento de las instalaciones. El que se trata de una rama nueva y poco conocida, las sorpresas reales o imaginarias que surgen en el proceso tecnológico, la falta de experiencia del personal, todo esto deja de justificar los gastos superfluos. En cuanto termina el período de experimentación y puesta a punto, el llamado período de las "enfermedades infantiles”,
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la empresa más privilegiada pasa a ser una de tantas, aunque de importancia primordial, de carácter especial, etc.
En la producción de combustible nuclear, el índice fundamental por el que se puede valorar la calidad del trabajo, el nivel técnico y científico y la calificación del personal es la lucha cotidiana por las décimas y centésimas partes del neutrón que por una n otra razón no intervienen en la reacción en cadena en el uranio-235 o en la transformación del uranio-238 en plutonio y del torio-232 en uranio-233.
De ello, como hemos visto ya, depende la solución del problema principal, el destino de la energética nuclear en general, el del papel
—primordial o auxiliar— que le está reservado en los futuros recursos energéticos de la Humanidad. La última palabra la dirá, como siempre, la economía, el nivel de desarrollo de las fuerzas productivas de la sociedad. En el mundo capitalista, la solución puede ser una, y en el socialista, muy otra.
El balance de neutrones en un reactor ordinario, en el que se “quema” el 0,7 por ciento de uranio-235 y se forma el plutonio a partir del uranio-238 permite en el mejor de los casos obtener nada más que de 700 a 800 gramos de plutonio por cada 1000 gramos de uranio 235.
Si el objetivo principal de la empresa es la obtención y acumulación de plutonio para bombas atómicas, el reactor no se emplea para nada más.
Ahora bien, si la misión principal del reactor es la producción de energía eléctrica, los procesos tecnológicos no terminan con la
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obtención de plutonio; los 700 u 800 gramos de dicho elemento se mezclan con el uranio-238, se desintegran y dan lugar a la formación de 600 gramos de plutonio. La desintegración posterior de esta cantidad de plutonio con una nueva porción de uranio-238 permite obtener 100 gramos de plutonio, y así sucesivamente. A fin y a la postre, al utilizarse toda la cantidad decreciente de plutonio que se forma en cada ciclo sucesivo, se quema no ya un kilogramo de combustible nuclear puro, sino, aproximadamente, 5 kilos, lo que permite quintuplicar casi la cantidad de energía a obtener de un mismo reactor nuclear.
La política de acumulación del primer kilogramo de plutonio para las bombas atómicas exclusivamente, les cuesta a los pueblos de los países capitalistas la pérdida de 1 kilogramos de plutonio "que se dejan de extraer” y que, como es lógico, no producen un solo vatio de energía para el hombre.
7. Combustible estelar
Ya que se trata de materias primas para la industria atómica, en dicha categoría deben incluirse, además del uranio y el torio, las sustancias que se emplean para la liberación de energía en el proceso de reacciones termonucleares, es decir, para las síntesis de núcleos de elementos ligeros. Aquí figuran el hidrógeno pesado (el deuterio) y el superpesado (el tritio), así como el elemento ligero litio. Veamos la capacidad calorífica de las diversas ciases de combustible nuclear.
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Un kilogramo de hulla de la mejor calidad, al quemarse desprende una energía equivalente a 8,14 kWh; un kilogramo de uranio o torio emite durante la fisión nuclear una energía casi 3 millones de veces mayor, o sea, 22,9 millones de kWh; un kilogramo de hidrógeno, al transformarse en helio libera cerca de 8 veces más energía, o sea, 177,5 millones de kWh.
En el capitulo IX se dijo que la reacción termonuclear puede producirse de distintas maneras. Por ejemplo, cuando un núcleo de hidrógeno superpesado (tritio) se une con un núcleo de hidrógeno (protón), transformándose en helio, se desprende una energía de 19,8 MeV.
Cuando el núcleo del tritio se une con el núcleo del hidrógeno pesado (el deuterio), dando lugar a la formación de un núcleo del helio y la emisión de un neutrón sobrante, se produce una energía de 14,6 MeV.
El núcleo de litio (Li36) al unirse con un deuterón, forma dos núcleos del helio y desprende una energía de 22,4 MeV, y así sucesivamente. Como puede verse de esta enumeración, muy incompleta, de reacciones posibles, el material de partida para la producción de combustible termonuclear es el hidrógeno ordinario, el pesado y superpesado, así como dos isótopos de litio: el litio-6 y el litio-7.
La fuente más adecuada, aunque muy cara, de combustible nuclear es el agua pesada, de la que hemos hablado ya y de la que se obtiene el hidrógeno pesado (el deuterio).
La cantidad de hidrógeno en nuestro planeta es inagotable, el agua pesada abunda mucho, si se tiene en cuenta la profusión de agua
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en los océanos en general. Cada 6 toneladas de agua ordinaria contienen un kilogramo de agua pesada.
Esto es lo que pasa con las partículas durante las reacciones termonucleares.
Prácticamente, el único medio de obtención de agua pesada es la electrólisis del agua ordinaria, es decir, la descomposición repetida
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del agua mediante la corriente eléctrica, quedando cada vez un residuo que se va enriqueciendo continuamente con agua pesada. La electrólisis de grandes masas de agua implica el gasto de enorme cantidad de energía eléctrica, cerca de 60 mil kilovatios-hora por cada kilogramo de agua pesada, donde dos átomos de hidrógeno pesado se hallan todavía unidos a un átomo de oxígeno. Aquí se necesita efectuar otro proceso más para separar el deuterio del oxigeno.
Otra materia prima para la obtención de combustible termonuclear es otro isótopo pesado de hidrógeno, el tritio, que en la naturaleza sólo existe en proporciones extraordinariamente pequeñas. Su origen se debe, probablemente, a la interacción, de partículas cósmicas con los elementos de la atmósfera terrestre.
Por ello, sólo se pueden obtener porciones algo sensibles de dicho elemento por vía artificial, valiéndose de aceleradores y bombardeando con potentes flujos de partículas rápidas distintas sustancias, como por ejemplo, el deuterio, el berilio, etc.
Sin embargo, el procedimiento más adecuado de obtención del tritio consiste en la irradiación del litio-6 en un reactor nuclear. El litio-6 abunda bastante en la naturaleza, entra en la composición de más de 150 minerales.
El litio bombardeado en el reactor se disuelve en agua. Luego, mediante electrólisis, se extrae de la solución el hidrógeno acompañado de cantidades insignificantes de tritio.
Se puede utilizar también otro procedimiento: insuflar hidrógeno en una masa fundida de litio irradiado. El tritio que se haya formado a
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consecuencia del bombardeo se bailará mezclado con el hidrógeno, del que se le puede separar con relativa facilidad.
Además de servir como fuente para la obtención de tritio, el litio puede, en determinadas condiciones, unirse al deuterio (el litio-6) o al hidrógeno (el litio-7) y dar lugar a la reacción termonuclear.
Las reacciones termonucleares de síntesis de núcleos de elementos ligeros para formar otros más pesados son, según opinan ciertos hombres de ciencia, la fuente principal de la energía irradiada por el Sol y las estrellas.
A ello se debe que los hombres de ciencia dieran en su tiempo el nombre de combustible estelar al hidrógeno y al litio. Sin embargo, el genio humano logró en las condiciones terrestres la reacción termonuclear, cosa que podría parecer inverosímil.
Métodos; posibles de obtención del tritio mediante el bombardeo del deuterio y berilio con distintas partículas.
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Después de la bomba atómica, dicha reacción pareció incluso algo fácil y casi habitual.
El método más simple de obtención del tritio mediante el bombardeo del litio-6 en la pila nuclear.
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Distintas esferas de aplicación de los isótopos radiactivos.
Nosotros nos olvidamos a veces que entramos en una época en que tras de la liberación de una energía de magnitud fantástica —la de la fisión nuclear—, el hombre se hizo dueño de otra fuerza todavía más poderosa, la energía de las reacciones termonucleares que le permitirá, si sabe utilizarla bien, realizar verdaderos milagros, cumplir sus más audaces designios. Ante la Humanidad se ha abierto el acceso a los espacios cósmicos. El hombre del mañana, si se lo propone, puede incluso crear soles artificiales.
Cierto es que por el momento no se ha dado más que el primer paso en el aprovechamiento de las poderosas fuerzas recién descubiertas.
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En la actualidad, el hombre sólo sabe utilizar esta energía en forma de gigantesca explosión. Pero llegará el día en que la Humanidad aprenda a domeñar esta fuerza aprovechándola en las cantidades y medidas necesarias y, entonces, podrá decirse que el hombre tiene en sus manos un verdadero y deslumbrante trozo de estrella en llamas.
¡Para lograr eso merece la pena vivir y trabajar!
¿Se podrá domeñar esta nueva energía superpotente?
De este sueño de la Humanidad hablaremos en el capitulo XVI de nuestro libro.
FIN
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