Yo quiero ser Físico Nuclear - Antonio M. Lallena Rojo

Y yo quiero ser...Físico Nuclear

(Por Antonio M. Lallena Rojo)

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Supe de la existencia de una carrera universitaria en la que se estudiaba, sobre todo, física por un antiguo alumno del colegio donde yo estaba cursando el último año de bachillerato, que entonces se denominaba Curso de Orientación Universitaria, el famoso C.O.U. Acababa de terminar el primer trimestre y a una reunión de compañeros se sumó ese ex alumno que me dio la inesperada nueva: él estaba estudiando físicas en la Universidad de Granada. Por aquel entonces yo estaba convencido de que mi futuro iba a estar ineludiblemente ligado a la arquitectura. Pero parece que ese convencimiento no lo tenía suficientemente arraigado y a partir de aquel momento, y casi sin dificultad, torné mi interés hacia aquella entonces extraña Licenciatura en Ciencias Físicas de la que fui acumulando información y cuyos encantos acabaron embelesándome. Lo primero que aprendí al respecto fue que junto a la física se estudiaban muchas matemáticas, pero eso no constituía en mi caso ningún inconveniente: las matemáticas ya eran, junto con la física, objeto de mis preferencias como estudiante y, a diferencia de lo que me ocurría con otras asignaturas, me encontraba muy a gusto con ambas disciplinas. La perspectiva de pasar mi vida bregando con ellas no me resultaba nada desagradable.

¿Qué es la física nuclear?

Tuvieron que pasar cuatro años para que pudiera empezar a desentrañar los misterios de la física nuclear. Bueno, en realidad, supe algo de ella algún tiempo antes, cuando cursé el tercer año de la licenciatura y me topé de lleno con la mecánica cuántica, una disciplina que, aún no sé muy bien porqué, me hizo recuperar en todo su esplendor la ilusión con la que había empezado la carrera. Los números cuánticos, las funciones de onda, el principio de incertidumbre, los constituyentes de la materia, los potenciales, el momento angular, la teoría de colisiones … Todo aquello, que sonaba un poco a ciencia ficción (o directamente a chino según muchos de mis compañeros de clase), se me hizo enseguida familiar y me abrió la puerta a un campo de estudio en el que he seguido trabajando desde entonces y que tiene mucho que ver con la estructura de la materia.

Todos sabemos que la materia está formada por moléculas, unas estructuras más o menos complejas, constituidas por varios átomos. A su vez los átomos contienen un cierto número de electrones que orbitan alrededor de un centro de fuerzas, que tiene carga positiva y que, por medio de la fuerza de Coulomb, atrae a esos electrones. Como estos tienen carga negativa, se repelen mutuamente y son el balance de atracciones y repulsiones, junto con el propio movimiento de los electrones y del centro de fuerzas, los responsables de que los átomos existan como sistemas estables.

La física nuclear es la parte de la física que se concentra en el estudio de ese centro de fuerzas, el núcleo atómico. Aunque los núcleos tienen una estructura aparentemente simple, en realidad resulta muy compleja, con propiedades muy variadas. Para empezar cabe señalar que están constituidos por una amalgama de protones y neutrones que da cuenta de la mayor parte de la masa del átomo en el que se encuentra. Recordemos en este sentido que la masa del protón y la del neutrón (la de éste un poco superior a la de aquél) son, en números redondos, unas 2000 veces la del electrón. Atendiendo a la carga eléctrica, los sistemas atómicos pueden ser neutros, si el núcleo tiene un número de protones igual al de electrones, o, en caso contrario, estar cargados positiva o negativamente, denominándose entonces iones.

Pero como los neutrones son eléctricamente neutros, el número de ellos existente en el núcleo no cambia el estado de carga del átomo. Y no sólo eso: como las propiedades químicas de los átomos están relacionadas directamente con el número de electrones que contienen, el número de neutrones no las afecta. Surge entonces el concepto de isótopo: se llaman isótopos aquéllos átomos que se diferencian sólo en el número de neutrones contenidos en su núcleo, y el nombre proviene de que todos ellos se encuentran “situados” en la misma casilla de la tabla periódica. Los átomos conocidos son, por tanto, los que aparecen en dicha tabla, en la actualidad 118. Pero la existencia de isótopos hace que el número de especies nucleares sean mucho mayor y así, hoy día, son conocidas más de 3000 diferentes.

Estabilidad nuclear

La existencia de los núcleos atómicos fue puesta de manifiesto en 1911 por Rutherford y sus estudiantes Geiger y Marsden, después de realizar su famoso experimento en el que bombardearon con partículas  blancos de distintos materiales. Una de las primeras cuestiones que quedó clara entonces fue que las dimensiones características de los núcleos eran mucho más pequeñas (unos cinco órdenes de magnitud) que las de las órbitas de los electrones de sus correspondientes átomos; en otras palabras, que la materia que conocemos está, esencialmente, vacía. Pero no fue hasta 1932, coincidiendo con el descubrimiento del neutrón por Chadwick, cuando la estructura de los núcleos empezó a entenderse de manera correcta.

Casi inmediatamente surgió una cuestión muy relevante: ¿cómo es posible que un conjunto de neutrones y protones pueden formar un sistema estable a pesar de que éstos se repelen entre sí debido a su carga positiva? La respuesta resultó simple: existe otra interacción predominantemente atractiva y capaz de contrarrestar esa repulsión. Esa interacción es la denominada fuerza nuclear fuerte, que actúa sobre protones y neutrones y que tiene varias características que la hacen particularmente interesante. De ellas cabe destacar su intensidad, mucho mayor que la de la interacción electromagnética, y su corto alcance, que contrasta con el alcance infinito de ésta. Como consecuencia, la energía de enlace por nucleón (1) resulta ser prácticamente constante para todos los núcleos, del orden de unos 8 MeV/nucleón. Sin embargo, como puede verse en la fig. 1, hay pequeñas variaciones y son los núcleos alrededor del Fe los que presentan un mayor valor de esta cantidad, siendo, por tanto, los núcleos más estables.

¿Significa esto que hay núcleos inestables? La respuesta es sí y es importante señalar que de las 3000 especies nucleares conocidas, a las que antes he aludido, tan sólo poco más de 250 son estables, es decir, que no se ha podido observar, con la instrumentación existente hoy día, que sufran proceso de desintegración alguno. Por el contrario, los núcleos inestables se desintegran; en otras palabras, se transforman en otros núcleos emitiendo radiación o fragmentándose. Los procesos más usuales son los siguientes:

-desintegración , en la que el núcleo emite una partícula , que no es sino un núcleo de ⁴He;

-desintegración , en la que un neutrón del núcleo se convierte en un protón y se emite un electrón (y también un antineutrino);

-desintegración , en la que ocurre lo contrario, esto es, un protón se convierte en un neutrón y de resultas se emite un positrón (la antipartícula del electrón) y un neutrino;

-captura electrónica, proceso en el que el núcleo captura uno de los electrones del átomo en el que se encuentra, un neutrón se convierte en un protón y se emite un neutrino;

-desintegración , en la que un núcleo que queda en un estado excitado después de algún otro proceso, pasa a ocupar otro estado de menor energía emitiendo fotones, y

-fisión nuclear, que conlleva la fragmentación del núcleo en dos núcleos más ligeros y la emisión de varias partículas (como neutrones y fotones). La fisión es la base de la generación de energía en las centrales nucleares y los núcleos susceptibles de sufrirla son los más pesados, los que cuentan con muchos nucleones (ver fig. 1).

Fig. 1: Energía de enlace por nucleón en función del número de nucleones, A, para distintos núcleos. La notación empleada para los núcleos indicados es ^AZ donde Z, el número de protones, se ha sustituido por el símbolo químico del átomo neutro correspondiente. Los núcleos pesados son menos estables que los de la zona del Fe, ya que tienen una energía de enlace por nucleón más baja, y podrían fisionarse, produciendo energía y transformándose en otros núcleos más ligeros, más estables. Por otra parte, dos núcleos ligeros podrían fusionarse, una vez vencida la repulsión coulombiana, dando lugar a otro núcleo más estable y produciendo también energía: estaríamos entonces ante la fusión nuclear.

El escenario es pues más que interesante. Disponemos de un conjunto de varios miles de núcleos, de muy variada composición y que pueden bien ser estables o bien evolucionar de distintas formas. Y no sólo eso sino que, además, las propiedades de estos núcleos pueden ser muy diferentes aún cuando no lo sea el número de los nucleones que los forman. Por ejemplo, el núcleo de ²³⁸Pu tiene un período de semidesintegración de 87.7 años, mientras que el del ²³⁹Pu es de 24110 años y sólo se diferencian en un neutrón. Otro ejemplo: el ¹H es el isótopo del hidrógeno más abundante en la naturaleza (99.98%) mientras que el ²H, que tiene un neutrón más, sólo está presente en un 0.02%. Ambos son estables. Sin embargo el ³H, formado por un protón y dos neutrones, es radiactivo , tiene un período de semidesintegración de 12.32 años y algunas trazas de él pueden encontrarse en la naturaleza cuando se producen, por ejemplo, ciertas reacciones de interacción de rayos cósmicos con la alta atmósfera. Por lo demás se trata de un núcleo artificial que aparece, por ejemplo, en los reactores nucleares debido a las reacciones que ocurren en ellos.

Explicar las propiedades de todos estos sistemas requiere modelos de muy distinta índole que destaquen aquellas características más relevantes en cada caso concreto. La casuística es tal que aún quedan problemas por empezar a explorar. Y no sólo en el propio ámbito de la física nuclear, sino en otros tan aparentemente alejados del mismo como el de la astrofísica. Por citar uno de mucho interés en la actualidad me gustaría mencionar aquí el estudio de la abundancia de los elementos en el universo. La determinación de esa abundancia está ligada a la evolución de las estrellas y ésta, a su vez, al desarrollo de las distintas cadenas de desintegración nuclear en las que la aparición o desaparición de unos u otros núcleos ocurre con una determinada probabilidad que está regida por las propiedades de esos núcleos. No parece pues la física nuclear un mal campo de trabajo, ¿no?

Radiactividad y aplicaciones

La radiación emitida en los procesos de desintegración antes descritos entra dentro de la clasificación de radiación ionizante, ya que tienen energía suficiente para ionizar las moléculas y los átomos de los materiales con los que interactúan. Estamos hablando de la radiactividad, cuyas aplicaciones son numerosas en la industria y la medicina. Y esto incrementa notablemente las temáticas en las que los conceptos básicos de la física nuclear tienen una salida natural.

De especial interés en mi caso es la física médica, una disciplina a caballo entre física y medicina, en la que se estudian estrategias y aplicaciones de la física para la solución de problemas de índole médica. En ella tiene un papel estelar la radiactividad que ha permitido avanzar, de manera impensable hace tan solo unas décadas, tanto en el diagnóstico como en la terapia. En relación al primero basta mencionar todo lo relativo a la imagen médica (radiografía, mamografía, SPECT, PET, etc.), que tuvo su origen en el descubrimiento de los rayos X por Roentgen a finales del s. XIX. En cuanto a la terapia, no descubro nada nuevo aquí si aludo a las enormes mejoras alcanzadas en el tratamiento del cáncer con fuentes de radiación de muy distinta índole (isótopos radiactivos y aceleradores de electrones, de fotones, de protones y de iones pesados). 

Conclusión

La física nuclear es una rama de la física que goza a día de hoy de una vitalidad reseñable. Tanto en lo que respecta a los problemas intrínsecamente propios, esto es lo que se refieren a los núcleos y sus propiedades, como los que han derivado de su capacidad para generar nueva ciencia en otras temáticas, como el caso de la física médica, hacen de ella una disciplina que contempla un sinfín de enfoques diferentes para la solución de las cuestiones abiertas. Se trata pues de una ciencia apasionante en la que aún queda mucho por hacer y las opciones de trabajo son reales. Las puertas están abiertas de par en par para los entusiastas.

Notas:

(1)Nucleón significa partícula constituyente del núcleo y hace referencia indistintamente a un protón o a un neutrón.

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Antonio M. Lallena Rojo

Doctor en Ciencias Físicas

Catedrático de Física Atómica, Molecular y Nuclear.

Universidad de Granada

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