Significado de física nuclear Definición, orígenes, y ejemplos de aplicación
Licenciada en Física
Definición formal
La física nuclear es la responsable por investigar en el núcleo atómico, para determinar su estructura e interacciones. Forma parte de la física moderna, surgida a la luz de los nuevos conocimientos acerca de la materia, que tuvieron lugar a finales del siglo XIX y a lo largo del siglo XX hasta la actualidad.
El núcleo del átomo constituye un mundo asombroso, donde las leyes de la mecánica clásica, que rigen el mundo cotidiano, dejan de tener validez, y toman su lugar las de la mecánica cuántica, que desafían el sentido común. El objeto de estudio de la física nuclear es entonces el núcleo del átomo, minúsculo en sus dimensiones, pero enorme en energía, la suficiente para hacer brillar una estrella como nuestro Sol durante millones de años.
Orígenes de la física nuclear
La física nuclear comenzó con varios descubrimientos que se sucedieron en breve tiempo. El primero fue el de los rayos X por Wilhem Roentgen (1845-1923) en 1895 y, unos meses después, el de la radiactividad natural, gracias a Henri Becquerel (1852-1908). Estos hallazgos sugirieron que el átomo debía tener una estructura responsable de la emisión espontánea de radiación, que tiene lugar durante una desintegración radiactiva.
La primera partícula subatómica en ser descubierta fue el electrón, en 1897, pero la confirmación de la existencia del núcleo llegó con la publicación, en 1911, de los resultados de los experimentos de dispersión de Ernest Rutherford (1871-1937). Estos solo podían explicarse postulando la existencia del núcleo atómico.
Para asegurar la neutralidad del átomo, los electrones debían albergar toda la carga negativa del mismo, y el núcleo la carga positiva, pero resultó que el radio de este es muchísimo menor que el del átomo, concentrando casi toda la masa atómica en él.
Al poco tiempo, en 1918, el mismo Rutherford descubrió que el núcleo atómico poseía a su vez una estructura, y estaba compuesto de unas partículas a las que llamó protones. Predijo también la existencia de una partícula neutra: el neutrón, confirmada luego por James Chadwick (1891-1974) en 1932.
Esta es, grosso modo, la cronología de los inicios de la física nuclear.
Energía nuclear
En los núcleos atómicos se concentra casi toda la masa del átomo en un espacio minúsculo, del orden de 10−15 m, comparado con el del átomo, que es del orden de 10−10 m, diez mil veces mayor. Si un átomo tuviera las dimensiones de un campo de fútbol (100 m de largo aproximadamente), el núcleo, en el centro, tuviera el tamaño de un escarabajo (1 cm de largo aproximadamente). Toda la masa estaría concentrada en el escarabajo.
Los núcleos están constituidos, como se dijo antes, por protones con carga positiva y neutrones sin carga. Pero las partículas con cargas de igual signo se repelen poderosamente cuanto más cerca están, por lo que deben existir fuerzas de mayor intensidad que la repulsión eléctrica, para garantizar la estabilidad nuclear. De otra forma, la materia no podría existir.
En efecto, el núcleo del átomo alberga tres de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza: la interacción electromagnética, y las fuerzas nucleares fuerte y débil, que son las que vencen a la repulsión y mantienen la cohesión.
A ello se debe la gran cantidad energía del núcleo atómico, y una manera de liberarla es mediante fragmentación o fisión, un proceso que se produce de manera espontánea en algunos elementos radiactivos y en centrales de energía nuclear.
La fisión nuclear actualmente proporciona una buena parte de la energía consumida por los países desarrollados.
En cuanto a la fusión nuclear, en la que se unen núcleos atómicos creando nuevos elementos, es un proceso distinto a la fisión, y desprende una cantidad de energía mayor, con menos inconvenientes, al menos en teoría.
Los científicos buscan afanosamente la manera de controlar la fusión nuclear y acercar los núcleos. Para ello aplican diversas técnicas, tratando de vencer la repulsión electrostática y hacer que actúen las interacciones fuerte y débil, que son de menor alcance.
Sin embargo, por los momentos, la fusión nuclear es aprovechable de manera indirecta, porque solo tiene lugar en las estrellas como nuestro Sol. Gracias a ella el astro rey emite luz y calor que hacen posible la vida en la Tierra.
Ejemplos de aplicación de la energía nuclear
La energía proporcionada por el núcleo atómico puede aprovecharse de diferentes formas, además de su conversión en energía eléctrica en las centrales nucleares. A continuación, se describen algunas de las más relevantes.
Estudio de las estructuras cristalinas
Los neutrones, las partículas sin carga que junto a los protones forman parte del núcleo atómico, se emplean para estudiar a fondo la estructura de los sólidos mediante técnicas de difracción.
El origen de la materia
Un objetivo que persigue la física nuclear es explicar el origen de la materia, conociendo la manera en que se producen los distintos elementos de la tabla periódica, y porqué algunos de ellos abundan más que otros. Estos conocimientos son necesarios para explicar la evolución del universo.
Medicina
La física nuclear ha tenido un rol preponderante en la creación de herramientas médicas de diagnóstico, como la tomografía por emisión de positrones (PET), o incluso para tratar ciertos tipos de cáncer.
Existe una técnica, aún bajo estudio, llamada hadronterapia, que consiste en irradiar al tumor con partículas pesadas, destruyendo así las células malignas y procurando causar el menor daño posible al tejido sano.
Asimismo, algunos isótopos radiactivos de elementos como el tecnecio, el yodo y la plata se utilizan activamente como herramientas diagnósticas, para la formación de imágenes y como tratamiento de tumores.
Industria
En la industria los radioisótopos se utilizan también para obtener imágenes de estructuras y piezas, buscando defectos o irregularidades que puedan alterar su funcionamiento.
Arte
Los isótopos radiactivos se emplean para conservar obras de arte, librándolas de parásitos dañinos. De igual manera, se pueden detectar falsificaciones en cuadros y esculturas de artistas notables, al exponerlos a los rayos X. La técnica se llama fluorescencia por rayos X.
Cuando el cuadro se irradia, los fotones emitidos contienen información acerca de la composición de los pigmentos utilizados, y conociendo esto, es posible estimar la época en que se pintó el cuadro o se creó la escultura. De esta manera las falsificaciones quedan en evidencia.
Más allá de la controversia creada por el uso bélico de la física nuclear, y el temor que pueda causar la falta de control sobre la energía nuclear, es indudable que sus aportes han mejorado notablemente la calidad de vida de la humanidad.
Trabajo publicado en: Jun., 2021.