Los primeros pasos que dio el hombre para la obtención y transformación de esta clase de energía, data de los años 1930-1945, cuando se obtuvo en forma artificial y controlada esta forma de energía, para la construcción de la primera bomba atómica.
La obtención de energía atómica o nuclear se basa fundamentalmente en la famosa fórmula de Einstein:
E=mc2
En esa fórmula, es E energía, m masa, c= 300000000 metros por segundo, velocidad de la luz en el vacío aproximadamente. El cuadrado de c, que es como aparece en la fórmula es 9 seguido de 16 ceros. Por eso aunque la masa m sea muy pequeña, la energía atómica que se puede obtener de ella es sumamente grande.
El uranio (símbolo químico U), es uno de los cuerpos más utilizados para obtener energía atómica o nuclear. Su masa o peso atómico (número de protones mas neutrones en el núcleo de su átomo) es 235.
Si su núcleo es “tiroteado” con neutrones, se divide, se parte (se fisiona) en dos núcleos, uno de kryptón (Kr) y otro de bario (Ba). Esto lo podemos representar esquemáticamente así:
U → Kr + Ba (reacción nuclear de fisión del U)
Ya vimos que el peso atómico del U es 235, pues bien, el del Kr es 93 y el del Ba es 140.
En la reacción de fisión del U se da el caso de que la suma de los pesos atómicos de Kr y Ba, (233), es menor que el peso o masa atómica del U (235).
En la fisión del U se ha perdido una masa m = 2 unidades de masa por cada núcleo fisionado de ese elemento. Esa masa perdida se convierte en energía (calor, velocidad de las partículas, etc.), en virtud de la fórmula de Einstein antes vista.
La fórmula de Einstein nos muestra que por cada gramo de masa perdida se obtiene una energía enorme de 9 seguido de 13 ceros, joules.
Si la energía atómica o nuclear se controla debidamente, evitando que neutrones que se emiten en la fisión de un núcleo, fisionen otros en una reacción en cadena explosiva, en instalaciones llamadas reactores, puede utilizarse en plantas eléctricas nucleares que tiene la ventaja que no necesitan combustibles no renovables, que se están agotando como el petróleo y además el daño al medio ambiente es mínimo.
Sin embargo, también se utiliza la energía nuclear en la Bomba Atómica aprovechando el hecho de que cuando el uranio no alcanza una determinada masa crítica no hay reacción en cadena.
El mecanismo de la bomba consiste esquemáticamente en preparar dos cantidades de uranio de masa igual a la mitad de la crítica., mantenerlas separadas mientras no se quiera una explosión y tener preparado un dispositivo que cuando se quiera la explosión, una las dos mitades y al tenerse ya la masa crítica, comience la reacción en cadena y por ende ocurra la explosión.
Existen otras sustancias además del uranio que se utilizan para estos fines como es el plutonio.
Existe otra posibilidad de obtener energía nuclear. El procedimiento a emplear en este caso, se conoce como fusión que significa unión, lo contrario del procedimiento de fisión antes descrito.
La fusión nuclear se basa en el llamado efecto de empaquetamiento el cual se manifiesta por el hecho de que la suma de las masas medidas aisladamente de los protones y neutrones del núcleo atómico, resulta mayor que la masa total al empaquetarse, fusionarse, para formar el núcleo. De modo que en la fusión se pierde cierta cantidad m de masa. Esa masa m, como ya vimos por la fórmula de Einstein, se convierte en energía cuyo enorme valor resulta de la multiplicación por el enorme cuadrado de la velocidad c de la luz.
La formidable cantidad de energía que se produce en nuestro sol resulta de una perenne reacción de fusión nuclear como la descrita.
Llevado a la práctica, la “materia prima” la constituyen núcleos de hidrogeno (H) que al fusionarse uno de ellos con un neutrón, se obtiene un núcleo de deuterio (D) con la citada pérdida de masa y consecuente obtención de fabulosa cantidad de energía.
Al igual que la fisión, la fusión nuclear debidamente controlada puede ser una muy eficiente forma de obtener energía que sólo necesita una de las sustancias más abundantes en el mundo como componente del agua: el hidrógeno.. La forma de controlarla resulta mucho más difícil y peligrosa que en el caso de la fisión.
Afortunadamente los usos más extendidos de la energía nuclear son los civiles, tanto para producir la electricidad que utilizamos en nuestras casas y en la industria, como para usos médicos y de investigación.
Desde los Rayos X hasta las últimas aplicaciones, la energía nuclear, al margen de las controversias que crea, nos ayuda cada día en los aspectos más desconocidos de la labor humana. Veamos los usos más conocidos:
- Producción de electricidad.- El uso más conocido es la generación de energía eléctrica en las centrales nucleares. La fisión -como en general la utilización de otros combustibles- genera calor que calienta agua para producir vapor, el cual mueve unas turbinas y éstas unos generadores eléctricos que producen la electricidad. En las centrales nucleares se controla la reacción de fisión -la emisión de neutrones- para que el reactor no explote, mediante elementos de control, como pueden ser barras de boro, que absorbe dichos neutrones.
- Rayos X.- Llamados así por desconocerse -en su momento- su origen. Se trata de fotones de energía (como los rayos gamma), por lo que no son partículas, sino ondas electromagnéticas. Su principal uso es en la realización de las radiografías gracias a su poder de atravesar unos cuerpos -tejidos blandos- y no otros -ej. huesos, metal... - dependiendo de la potencia que se le dé, según su uso. Así, se pueden localizar fisuras o roturas de hueso, o incluso cuerpos extraños en el organismo. Por ser peligrosos se limita la exposición a los mismos durante mucho tiempo. Los propios profesionales médicos están protegidos con elementos de plomo y tienen limitado el tiempo de exposición.
Otro uso de los Rayos X es en el campo de la construcción. Con ellos se comprueban las soldaduras en las obras de construcción de edificios, buques, etc...
- Datación con Carbono 14.- La datación de una muestra arqueológica es el procedimiento por el cual se determina su antigüedad. El más conocido es el que emplea el isótopo carbono-14 y que permite determinar la edad de restos fósiles o piezas fabricadas por el hombre de hasta 50.000 años de antigüedad.
El carbono está presente en la atmósfera terrestre, formando dióxido de carbono, en tres variedades isotópicas: el carbono-12, -13 y -14. El carbono-12 y -13 son estables, sin embargo el segundo es muy raro: tan sólo 1 de cada 100 átomos de carbono es carbono-13. En cambio, el carbono-14 es radiactivo con un período de semi desintegración de 5700 años.
Al desintegrarse, el carbono-14 se transforma en nitrógeno-14 y emite radiación Beta y debería desaparecer paulatinamente de la atmósfera. Sin embargo, si bien se lo encuentra en proporción escasísima, hay evidencia de que ésta ha permanecido casi inalterada por muchas decenas de miles de años. Esto es debido a que también existe un mecanismo por el cual se forma carbono-14 a partir del nitrógeno-14. Este hecho tiene lugar en las capas más altas de la atmósfera y consiste en la transmutación del nitrógeno-14 en carbono-14 producida por la radiación cósmica. El carbono-14 así formado se combina con el oxígeno para dar dióxido de carbono y es transportado a las capas más bajas de la atmósfera por las corrientes de aire. Estos dos mecanismos, el de desintegración y el de creación, han llegado a un equilibrio: la cantidad de carbono-14 que se desintegra durante cierto tiempo es igual a la que se crea en ese tiempo. De tal modo la abundancia de carbono-14 en la atmósfera permanece constante.
Durante el proceso de fotosíntesis las plantas toman dióxido de carbono de la atmósfera y asimilan el carbono a su organismo. Por este motivo, una parte del carbono que hay en las plantas será carbono-14. Cuando la planta muere, el carbono-14 de su organismo comienza a desaparecer lenta pero inevitablemente, debido a su desintegración.
El resultado de este complicado mecanismo es: ¡un fósil vegetal tiene incorporado su propio reloj! Para saber el tiempo que ha trascurrido desde su muerte bastará con medir la abundancia de carbono-14 que hay en él y que será tanto menor cuanto más tiempo haya transcurrido. Los físicos han podido establecer cuál es la ley que sigue esta disminución y confeccionaron tablas de la abundancia en función del tiempo. Por lo tanto, una vez conocida esa abundancia bastará con comparar el valor medido con esa tabla para saber la edad del fósil.
Este fenómeno que afecta el carbono que hay en las plantas también afecta a los animales pues, en algún paso de la cadena alimentada, ellos se nutren de las plantas. También afecta la composición del suelo, pues en la mayor parte de los casos las plantas al morir se integran a él. También a los utensilios y objetos creados por los hombres primitivos, como las vasijas de barro. Por estas razones, este método de datación sirve para analizar una variedad muy grande de muestras. Debemos decir, sin embargo, que falla cuando se trata de determinar edades de más de 50.000 años, en cuyo caso se emplean otros métodos.
- Radioterapia.- Para el tratamiento del cáncer se aplica la radioterapia a través de rayos X, gamma y rayos ionizantes.
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