La física nuclear en una cáscara de nuez
La energía de una bomba nuclear viene desde el interior del núcleo del átomo. La masa se convierte en energía de acuerdo con E = mc2. Esta energía es la energía de enlace del núcleo, el pegamento que mantiene el núcleo del átomo juntos.
irradiando partículas
En algunos casos, la fuerza nuclear no es capaz de mantener un núcleo todos juntos, y el núcleo pierde parte de sus partículas. el físico francés Henri Becquerel descubrió accidentalmente este efecto en 1896. Había estado intrigado por los experimentos con rayos X que Wilhelm Roentgen había estado haciendo en Alemania. Becquerel obtiene una sal de uranio para ver si podía observar estas radiografías.
En su laboratorio en el Museo de Historia Natural de París (donde su padre y abuelo también habían sido profesores de física), Becquerel comenzó sus experimentos mediante la exposición al sol una placa fotográfica con la sal de uranio rociada sobre él, pensando que la luz solar se activaría la rayos X. Un día nublado cuando no pudo realizar uno de sus experimentos, se colocó la placa fotográfica con la sal de uranio en un cajón. Unos días más tarde, se fue adelante y desarrolló la placa de todos modos, pensando que iba a conseguir una imagen débil. Pero la imagen era muy fuerte, con alto contraste. Pronto se dio cuenta de que había descubierto un nuevo tipo de radiación energética.
Cuando Pierre y Marie Curie escuchadas del experimento de Becquerel, comenzaron a buscar otros elementos que puedan emitir rayos similares. Encontraron que el torio y el uranio emiten la misma radiación. Y en 1898, descubrieron dos nuevos elementos: el polonio (el nombre de Polonia natal de Marie) y el radio. Los Curie nombradas al efecto radioactividad.
En Inglaterra, Ernest Rutherford diseñado experimentos para investigar este nuevo fenómeno radiactividad y fue capaz de demostrar que estos rayos vienen en dos variedades, una penetración más que el otro. Cuanto menos penetrante, que llamó alfa, tiene carga eléctrica positiva. Los Curie en París descubrió que el otro, llamado beta, está cargada negativamente.
Al darse cuenta de las limitaciones de la fuerza nuclear
¿Por qué estos núcleos emitiendo partículas? La fuerza nuclear se supone que es extremadamente fuerte. Por qué no es capaz de mantener todas estas partículas dentro del núcleo?
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La respuesta es que la fuerza nuclear tiene un alcance muy corto de acción. Es capaz de atar en partículas que están cerca uno del otro. Si las partículas son demasiado separados, la fuerza deja de funcionar. Si las partículas resultan ser los protones, que tienen cargas positivas, la fuerza eléctrica que actúa solo empujará a diferenciarlos.
Cuando las partículas nucleares están empaquetados en un núcleo de un átomo, cada partícula interactúa únicamente con sus vecinos más cercanos. En un núcleo con más de 30 partículas, una partícula en el centro del núcleo no se sentirá la fuerza nuclear de una partícula en los bordes. Cada una de las partículas nucleares de la agrupación se siente la atracción nuclear de las otras partículas en el cluster (sus vecinos inmediatos). Sin embargo, estas partículas no se siente la fuerza de la partícula cerca del borde.
Piénsalo de esta manera: Imagínese que usted y un grupo de varios amigos está tratando de mantenerse juntos mientras nadaba en aguas turbulentas. Si todo decide tomarse de las manos, cada uno de ustedes se aferran a los dos vecinos más cercanos. La empuñadura de un nadador en un extremo de la cadena grande, no importa lo fuerte que parece a su vecino inmediato, no tiene influencia sobre un nadador en el otro extremo. Si el agua se pone demasiado duro, todo el grupo puede romperse, creando pequeños grupos de dos, tres, o quizás cuatro.
Al igual que las aguas turbulentas que rompen su grupo, la repulsión eléctrica de los protones intenta romper un núcleo grande. Sin embargo, en el núcleo, algunos ayudantes tratan de mantener todo junto: los neutrones. Los neutrones no tienen carga eléctrica, y la única fuerza que se siente es la atracción nuclear. Son los nadadores experimentados que no será expulsada por las aguas turbulentas. Si usted tiene suficiente de ellos en su grupo, se mantendrá juntos.
El estudio de la desintegración alfa
Al igual que el grupo de natación con los nadadores expertos, un núcleo con un número equilibrado de protones y neutrones es estable y permanece unida. Pero si un núcleo tiene demasiados protones, la repulsión eléctrica total puede abrumar a la atracción de la fuerza nuclear, y una pieza del núcleo puede llegar a romperse.
La pieza que sale del núcleo es por lo general en la forma de una partícula alfa, un grupo de dos protones y dos neutrones. (Esta partícula es también el núcleo del átomo de helio.) Resulta que estos cuatro partículas se mantienen juntas muy fuertemente por la fuerza nuclear, por lo que este clúster es una configuración muy estable de partículas nucleares. Estas son las partículas que Rutherford identificó como radiación alfa. Los físicos llaman el efecto de las partículas alfa dejando el núcleo desintegración alfa.
La detección de la desintegración beta
Parece como si tener una gran cantidad de neutrones es bueno para un núcleo debido a los neutrones no sienten la repulsión eléctrica, pero sí sienten la atracción nuclear. Son los nadadores expertos en aguas turbulentas. Sin embargo, estos nadadores expertos no tienen una gran cantidad de energía. Un neutrón por sí solo, lejos del núcleo, tiene una duración de unos 15 minutos. Después de estos 15 minutos, se cambia en un protón, un electrón, y otra pequeña partícula llamada neutrinos. Este efecto se llama la desintegración beta.
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Dentro del núcleo, rodeado por las otras partículas, neutrones duran mucho más tiempo. Cuando hay suficientes protones alrededor, un efecto de la física cuántica evita que los neutrones de la creación de más protones. La física cuántica describe dando a cada protón en el núcleo de su propio espacio o ranura. Cuando hay suficientes protones, todas las ranuras se toman y no se permiten protones adicionales.
En un núcleo con demasiados neutrones, un neutrón en los bordes exteriores del núcleo puede decaer en un protón, ya que habrá espacios vacíos para este nuevo protón para alojarse. Por lo tanto,
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Un núcleo con demasiados neutrones es inestable y se desintegra en un protón, un electrón y un neutrino.
Los protones creados por este decaimiento se quedan en el núcleo. Los electrones no tienen cabida en el núcleo-no hay ranuras para ellos no existe. Lo mismo ocurre con los neutrinos. Por lo tanto, los electrones y los neutrinos son ambos expulsados. Los neutrinos son extremadamente difíciles de detectar. Pueden pasar por toda la Tierra y salir por el otro extremo sin una sola colisión. Pero los electrones son fáciles de detectar. Estos electrones crean el escindidas rayos beta que los Curie y Rutherford vio.
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En ambos casos, las desintegraciones alfa y beta, el núcleo radiactivo cambios en el núcleo de otro elemento cuando se emite la alfa o la partícula beta.
Un tercer tipo de desintegración radiactiva existe en la que el núcleo inestable emite sólo la radiación muy energética, pero no hay partículas son expulsadas. La radiación es electromagnético y se llama rayos gamma. En este caso, el núcleo simplemente devuelve un poco de energía que se obtuvo anteriormente, pero no pierde su identidad.