2APLICACIONES DE LA FÍSICA NUCLEAR Desde el descubrimiento del núcleo atómico por Rutherford en 1905 y del neutrón por Chadwick en 1932, el avance del conocimiento del núcleo atómico ha conllevado importantes desarrollos en varios campos científicos como son la producción de energía y el uso médico e industrial de la energía nuclear.
● Los reactores de fisión son instalaciones en que se produce energía al romper (fisionar) núcleos pesados como el U235. Cuando un neutrón colisiona con un núcleo de U235 se produce un isótopo excitado del uranio, el U236, que es inestable y tiende a ir a un estado de menor energía dividíéndose en dos núcleos más ligeros y emitiendo a la vez varios neutrones. N + 235U → 236U* → X + Y + varios n (nº medio de neutrones emitidos = 2.5) Este proceso libera mucha energía (unos 200 MeV por cada núcleo fisionado). Los neutrones así producidos fisionan más núcleos de U235 y así sucesivamente, lo que se conoce como reacción en cadena. Esta energía liberada se aprovecha para calentar agua cuyo vapor mueve una turbina que genera corriente eléctrica. La principal ventaja es que no emite gases de efecto invernadero y el principal inconveniente es que los núcleos hijos producidos en cada fisión son altamente radiactivos. ● Los reactores de fusión, actualmente en desarrollo e investigación, se basan en la producción de energía al unir (fusionar) dos núcleos muy ligeros, como deuterio (D) y tritio (T), formando un tercero algo más pesado, como He4, que se encuentra en un estado de menor energía. D + T → 4He + n La energía liberada se puede aprovechar para producir energía eléctrica. La principal ventaja es que apenas se emiten residuos radiactivos y el inconveniente es que para producir la fusión se necesitan temperaturas de cientos de millones de grados lo que dificulta extremadamente el diseño y construcción del reactor. El proyecto ITER es una colaboración internacional que trata de demostrar su viabilidad en las próximas décadas. La fusión es también el origen de la energía que se produce en el interior de las estrellas como el Sol, aunque en este caso la fusión es de dos protones produciendo deuterio: p + p → D + e+ +  ● Aplicaciones médicas: Las radiaciones pueden utilizarse para diagnosticar ciertas enfermedades (radiodiagnóstico) y para tratar algunas enfermedades cancerosas (radioterapia). En radiodiagnóstico se introducen ciertos isótopos radiactivos cuya radiación es detectada por dispositivos externos creando una imagen de los tejidos donde se absorbieron los isótopos. En radioterapia se utilizan radiaciones ionizantes para destruir células.

PARTÍCULAS ELEMENTALES Los atomistas de la antigua Grecia intuyeron que el universo estaba compuesto de elementos indivisibles que llamaron “átomos”. En el Siglo XIX la teoría atómica permitíó explicar las reacciones químicas y el comportamiento de los gases con un modelo de átomo indivisible. Más tarde se demostró que el átomo está formado por protones y neutrones en el núcleo, y electrones en la corteza. Pero esta estructura atómica no podía explicar fenómenos como la desintegración radiactiva, de manera que se fueron proponiendo y descubriendo otras partículas (en rayos cósmicos y en aceleradores de partículas) hasta llegar a la teoría actual, llamada “modelo estándar”. Según el modelo estándar de la física de partículas, la materia está formada por 12 partículas elementales (no compuestas de otras más simples), que se clasifican en dos grupos: –

Quarks

U, d, c, s, t y b, donde las letras denotan up, down, charm, strange, top y bottom. –

Leptones

Electrón e, muón , partícula tau  y tres neutrinos asociados (neutrino electrónico 𝜈𝑒 , neutrino muónico 𝜈𝜇 y neutrino tau 𝜈𝜏 ). Las partículas elementales se caracterizan por tres magnitudes: carga eléctrica, masa y “espín” (momento angular intrínseco). Los neutrinos no tienen carga, mientras que el electrón, el muón y la tau tienen carga negativa -|e|. Los quarks pueden tener carga -1/3|e| o +2/3|e|. Existen tres generaciones de partículas. Cada generación es similar a la anterior pero con partículas cada vez más masivas. Cada partícula tiene su correspondiente antipartícula con carga opuesta. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón. Las antipartículas constituyen la antimateria. Los quarks sienten la interacción fuerte y no pueden existir aislados: se agrupan formando hadrones, que pueden ser bariones (formados por tres quarks), como el protón (uud) o el neutrón (udd) o mesones (formados por un quark y un antiquark) como el pión o el kaón, por ejemplo. Los átomos están formados por partículas de la 1ª generación. Las partículas también se clasifican según su espín en: – Fermiones: espín semiimpar, como los leptones y quarks que tiene espín 1/2, que forman la materia ordinaria – Bosones, espín entero, como las partículas mediadoras de las interacciones como los fotones (que median la interacción electromagnética), los bosones W y Z (interacción débil) y los gluones (interacción fuerte).

NATURALEZA DE LA LUZ. DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO Hasta el principio del Siglo XX había dos teorías contrapuestas para explicar la naturaleza de la luz que parecían incompatibles entre sí: – la teoría corpuscular, que considera que la luz está compuesta de partículas (o corpúsculos), y cuyo principal defensor fue Newton, y – la teoría ondulatoria, que defiende que la luz se comporta como una onda.
Aunque las dos teorías explicaban los fenómenos de reflexión y de refracción, solo la teoría ondulatoria pudo explicar satisfactoriamente los fenómenos de interferencia y de difracción. Esto, junto al desarrollo del electromagnetismo por Maxwell, consolidó la idea a final del Siglo XIX de que la luz era una onda electromagnética. Sin embargo, a principios del Siglo XX, Einstein retomó la teoría corpuscular de la naturaleza de la luz para explicar el efecto fotoeléctrico. Supuso que la energía de la radiación electromagnética no era continua sino discreta, de modo que una onda electromagnética de frecuencia  se podía considerar compuesta por cuantos, o corpúsculos, que viajan a la velocidad de la luz, cada uno de los cuales posee una energía 𝑬 = 𝒉  (donde h es la constante de Planck) y un momento lineal 𝑝 = ℎ/. A estos cuantos se les llamó fotones. La teoría de Einstein no invalidó la teoría electromagnética de la luz. La física moderna tuvo que introducir la dualidad onda-corpúsculo, admitiendo que la luz posee simultáneamente cualidades ondulatorias y corpusculares. Posteriormente, De Broglie postuló, en el contexto de la mecánica cuántica, que la materia también presenta la dualidad onda-corpúsculo, de forma que cualquier partícula de momento lineal 𝑝 tiene asociada una onda cuántica de longitud de onda  tal que también se satisface 𝒑 = 𝒉/. Esta dualidad en materia es fundamental en el desarrollo de la física cuántica y se ha comprobado experimentalmente en multitud de ocasiones al observar fenómenos propios de ondas, como la difracción, al interaccionar haces de partículas materiales, como electrones, contra redes cristalinas.