Reacciones Núcleares E = m c 2

Los núcleos de los átomos están formados por partículas llamadas nucleones, entre las que se encuentran los protones (partículas con carga eléctrica positiva) y los neutrones (que como su nombre lo indica, son eléctricamente neutras). El número de protones es el número atómico, que se representa generalmente con la letra Z. Cuando sumamos al número atómico el número de neutrones (que llamamos N), obtenemos el número de masa (A), o número de nucleones (A=N+Z). Mediante técnicas muy precisas es posible determinar la masa de un núcleo atómico. También es posible medir la masa de un protón aislado y la de un neutrón aislado, que son muy parecidas.

          Tal como intuitivamente se podría esperar, se puede decir que a grandes rasgos cuanto más grande es el número A, mayor es la masa del núcleo, de allí el nombre "número de masa". Los núcleos que tienen A pequeño, por ejemplo el hidrógeno, el helio o el oxígeno, son llamados "livianos". Los núcleos con A grande, como el plomo, el torio o el uranio, son llamados "pesados".

          

La sorpresa es que la masa del núcleo resulta siempre menor que la suma de las masas de los nucleones que lo constituyen. Esto nos resulta muy raro, ya que se contrapone a lo que experimentamos a diario en situaciones en que agregamos unas sustancias a otras. De hecho, cuando mezclamos un kilo de harina con medio kilo de manteca, la pasta resultante pesa un kilo y medio… y no menos.

La masa que "falta" en los núcleos atómicos cuando los formamos juntando todos los nucleones no ha desaparecido, sino que se ha transformado en energía, de acuerdo a la famosa relación de Einstein "E = mc2 ". Einstein dice (¡y tiene razón!) que la energía (E) de un cuerpo es igual a su masa (m) multiplicada por la velocidad de la luz (c) al cuadrado.

Cuando desaparece una cantidad de masa, aparece una cantidad equivalente de energía. En nuestra desaparición de masa al formar el núcleo, la energía que aparece es llamada "energía de unión". Esa energía de unión actúa como un pegamento que une a los nucleones. Si quisiéramos separar o disociar todos los nucleones nuevamente, tendríamos que hacer fuerza a medida que los separamos, es decir tendríamos que hacer trabajo. El trabajo total que haríamos en ese caso sería igual a la energía de unión.

    

La energía de unión por nucleón, es decir la energía de unión dividida por el número de nucleones (A), nos indica cuánta masa perdió en promedio cada nucleón presente en el núcleo. Esto nos da idea de cuán "pegados" están los nucleones entre sí. Cuanto más grande es la energía de unión por nucleón, más unidos están unos a otros y más difícil resulta separarlos.
       
No sabemos por qué esto es así, pero sabemos que la energía de unión por nucleón no es igual para todos los elementos: es pequeña para núcleos livianos (cerca del hidrógeno), se hace máxima para núcleos intermedios (cerca del hierro) y se vuelve a achicar para núcleos pesados (plomo, uranio). Esto indica que los núcleos más difíciles de disociar (es decir, de desarmar en sus nucleones) son justamente los núcleos medios, ya que su pérdida de masa por nucleón es la más grande.

          Toda transformación de núcleos que conduzca a la formación de núcleos intermedios producirá entonces energía. Por ejemplo, si lográramos partir un núcleo de plomo en dos, los dos núcleos resultantes serían intermedios y en el proceso se liberaría energía. Si lográramos juntar dos núcleos de azufre (livianos), también formaríamos un núcleo intermedio y también obtendríamos energía. En cambio, se requiere mucha energía en producir azufre partiendo un núcleo intermedio o en producir plomo juntando dos núcleos intermedios.
       
Estas transformaciones que pueden ocurrir en los núcleos de los átomos, y que consisten fundamentalmente en juntar o separar nucleones y/o grupos de nucleones, son las reacciones nucleares. La energía liberada en las reacciones nucleares es la energía nuclear.
       
A lo largo de millones y millones de siglos las reacciones nucleares se van produciendo naturalmente en el universo. Es muy difícil que a medida que se van formando núcleos intermedios, éstos se destruyan por otras reacciones nucleares, ya que es más fácil que ocurra una reacción que produzca energía que otra que necesite energía (como es más fácil bajar una escalera que subirla). Esto explica por qué las estrellas más viejas tienen mucho hierro.
       
Las reacciones nucleares de mayor interés por sus aplicaciones en el campo de la producción de energía son la fusión y la fisión.