Física nuclear y de partículas

El núcleo atómico es la región central del átomo, donde se concentra casi toda su masa y toda su carga positiva. Está compuesto por nucleones: protones ($p^+$) y neutrones ($n^0$).

• Número atómico ($Z$): Número de protones. Define la identidad química del elemento.
• Número másico ($A$): Suma de protones y neutrones ($A = Z + N$).
• Isótopos: Átomos de un mismo elemento (igual $Z$) con distinto número de neutrones (distinto $A$). Por ejemplo, el Hidrógeno ($^1_1H$), el Deuterio ($^2_1H$) y el Tritio ($^3_1H$).

El radio nuclear sigue una relación empírica con el número de nucleones: $R = R_0 \cdot A^{1/3}$ Donde $R_0 \approx 1,2 \cdot 10^{-15}$ m (1,2 fermis). Esto implica que la densidad nuclear es prácticamente constante para todos los núcleos, siendo un valor extraordinariamente alto (aprox. $2,3 \cdot 10^{17}$ kg/m³).

¿Cómo es posible que los protones se mantengan unidos a pesar de la repulsión eléctrica? La respuesta es la interacción nuclear fuerte.

• Es una fuerza atractiva de muy corto alcance (aprox. $10^{-15}$ m).
• Es independiente de la carga eléctrica.
• Presenta saturación: cada nucleón solo interactúa con sus vecinos más cercanos.

La estabilidad depende de la relación N/Z. Para núcleos ligeros, la estabilidad se da cuando $N \approx Z$. A medida que $Z$ aumenta, se necesitan más neutrones para "diluir" la repulsión culombiana entre protones, desplazándose hacia la llamada nube de estabilidad donde $N > Z$.

La masa de un núcleo es siempre menor que la suma de las masas de sus nucleones constituyentes por separado. Esta diferencia se denomina defecto de masa ($\Delta m$): $\Delta m = [Z \cdot m_p + (A - Z) \cdot m_n] - m_{núcleo}$

Según la ecuación de Einstein, esta masa desaparecida se ha convertido en energía: $E_e = \Delta m \cdot c^2$ La Energía de enlace por nucleón ($E_e / A$) es el mejor indicador de la estabilidad nuclear. Cuanto mayor sea este valor, más estable es el núcleo. El máximo de estabilidad se encuentra en torno al Hierro-56 ($^{56}Fe$). Los núcleos más ligeros tienden a la fusión y los más pesados a la fisión para alcanzar mayores niveles de estabilidad.

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La radiactividad es un proceso espontáneo mediante el cual núcleos inestables emiten partículas o radiación electromagnética:

1. Emisión Alfa ($\alpha$): Emisión de núcleos de Helio ($^4_2He^{2+}$). Tienen gran poder ionizante pero muy bajo poder de penetración (se frenan con papel).
2. Emisión Beta ($\beta$):
   • $\beta^-$: Un neutrón se convierte en protón, electrón y antineutrino.
   • $\beta^+$: Un protón se convierte en neutrón, positrón y neutrino. Tienen mayor penetración que las $\alpha$.
3. Emisión Gamma ($\gamma$): Fotones de alta energía. No tienen carga ni masa, solo reajustan niveles energéticos del núcleo. Tienen un altísimo poder de penetración.

Propuestas por Soddy y Fajans, permiten predecir el núcleo resultante (hijo) tras una desintegración:

• Alfa: El núcleo resultante tiene $Z-2$ y $A-4$.
• Beta negativo: El núcleo resultante tiene $Z+1$ e igual $A$.

En todo proceso nuclear se deben cumplir las leyes de conservación: de la carga eléctrica, del número de nucleones, de la energía-masa y del momento lineal.

La desintegración es un proceso estadístico. La velocidad a la que un material se desintegra es proporcional al número de núcleos presentes ($N$): $\frac{dN}{dt} = -\lambda N \implies N = N_0 \cdot e^{-\lambda t}$

• Constante radiactiva ($\lambda$): Probabilidad de desintegración por unidad de tiempo.
• Periodo de semidesintegración ($T_{1/2}$): Tiempo necesario para que una muestra se reduzca a la mitad. $T_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}$.
• Actividad ($A$): Número de desintegraciones por segundo. Se mide en Becquerel (Bq).

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Consiste en la división de un núcleo pesado (como el $^{235}U$) en núcleos más ligeros tras capturar un neutrón.

• Libera una gran cantidad de energía y nuevos neutrones.
• Si estos neutrones chocan con otros núcleos, se produce una reacción en cadena.
• En los reactores, se usan barras de control (cadmio, boro) para absorber neutrones y moderadores (agua, grafito) para frenarlos y hacerlos efectivos.

Es la unión de dos núcleos ligeros para formar uno más pesado. Es el proceso que hace brillar a las estrellas.

• Requiere vencer la barrera culombiana (repulsión eléctrica), lo que exige temperaturas de millones de grados (plasma).
• Se investigan métodos de confinamiento: magnético (Tokamaks) e inercial (láseres).
• Ventaja: El combustible (isótopos del hidrógeno) es casi inagotable y no genera residuos de larga duración.

1. Medicina: Diagnóstico mediante PET (tomografía por emisión de positrones) y tratamiento de tumores con radioterapia.
2. Datación: El Carbono-14 permite determinar la edad de restos orgánicos midiendo su actividad residual.
3. Industria: Trazadores para detectar fugas en tuberías o esterilización de alimentos.

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El universo se rige por cuatro fuerzas, cada una mediada por una partícula de intercambio (bosón):

Es la teoría que describe los constituyentes fundamentales de la materia. Se dividen en:

• Fermiones (Materia): Tienen espín semientero.
  • Quarks: Sienten la fuerza fuerte. Forman protones y neutrones.
  • Leptones: Como el electrón y el neutrino.
• Bosones (Mediadores): Tienen espín entero.

Los Hadrones son partículas compuestas por quarks. Se dividen en Bariones (3 quarks, como el protón) y Mesones (par quark-antiquark).

El Bosón de Higgs, descubierto en el CERN en 2012, es la partícula asociada al campo que dota de masa a las demás partículas elementales. A pesar del éxito del Modelo Estándar, existen grandes interrogantes:

• Materia Oscura: Constituye la mayor parte de la masa del universo pero no emite luz.
• Antimateria: ¿Por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo observable?
• Unificación: El desafío de combinar la Relatividad General con la Mecánica Cuántica en una "Teoría del Todo".