Central nuclear de Isar, Alemania

Piscina de combustible nuclear gastado

Turbina de una central nuclear

Estructura del átomo

Estructura del átomo

La base de todo lo relacionado con la energía nuclear radica en el átomo, puesto que la tecnología nuclear se basa en el aprovechamiento de la energía interna contenida en los átomos. Por este motivo, para entender como se producen las reacciones nucleares (fisión nuclear o fusión nuclear) conviene comprender como está estructurado un átomo.

Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia ordinaria que tiene las propiedades de un elemento químico.

El átomo está compuesto por un núcleo y uno o más electrones ligados al núcleo. El núcleo está hecho de uno o más protones y, típicamente, un número similar de neutrones; los protones y neutrones se denominan nucleones.

Los protones del núcleo atómico están unidos por unos enlaces muy fuertes en los cuales al romperse o generarse se genera una gran cantidad de energía. La energía nuclear se basa en la creación o rotura de estos enlaces.

Partículas subatómicas

El origen de la palabra átomo proviene del griego y significa indivisible. La concepción de indivisible proviene de la antigüedad cuando se creía que el átomo era el elemento más pequeño que podía existir. Sin embargo, en la actualidad sabemos que el átomo está formado por otras partículas todavía más pequeñas: las partículas sub atómicas.

El átomo contiene protones, neutrones y electrones, con la excepción del hidrógeno-1 y el catión de hidrógeno. En este caso, el hidrógeno-1 no contiene neutrones, y del catión hidrógeno o hidrón no contiene electrones. Los protones y neutrones del átomo se denominan nucleones, por formar parte del núcleo atómico.

Alrededor del núcleo atómico orbitan los electrones. El electrón es la partícula más ligera de cuantas componen el átomo. Tiene una carga eléctrica negativa, cuya magnitud se define como la carga eléctrica elemental, y se ignora si posee subestructura, por lo que se lo considera una partícula elemental. La masa de un protón es 1836 veces mayor a la masa del electrón. La carga del protón es positiva. El neutrón tiene una masa 1839 veces la masa del electrón. El neutrón tiene una carga eléctrica neutra (ni positiva ni negativa).

Masa del electrón: 9,11 · 10−31 kg
Masa de un protón: 1,67 · 10−27 kg
Masa de un neutrón: 1,69 · 10−27 kg

El protón y el neutrón no son partículas elementales, sino que son un compuesto de otras partículas llamadas quarks. Las partículas subatómicas constituyen un estado ligado de quarks u y d. Un protón contiene dos quarks u y un quark d, mientras que el neutrón contiene dos d y un u, en consonancia con la carga de ambos. Los quarks se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear fuerte, mediada por gluones. Además de estas partículas, existen otras partículas subatómicas en el modelo estándar: más tipos de quarks, leptones cargados (similares al electrón), etc.

Un quark es una partícula fundamentales recogidas en el modelo estándar de la física de partículas. Los quarks tienen cargas eléctricas iguales a +2/3 y −1/3 respectivamente, respecto de la carga elemental.

El núcleo atómico

El núcleo atómico es la parte central del átomo que está compuesto por nucleones unidos entre ellos. El nucleón es un componente de partícula subatómica del núcleo, es decir, un protón o un neutrón. El número másico de un átomo es el número de nucleones de su núcleo atómico.

El volumen del núcleo es aproximadamente proporcional al número total de nucleones, el número másico. Los nucleones se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear, que es mucho más intensa que la fuerza electromagnética a distancias cortas, lo cual permite vencer la repulsión eléctrica entre los protones.

Un átomo está constituido por un núcleo central muy denso, que contiene protones y neutrones, y por electrones que se mueven alrededor del núcleo a una distancia relativamente grande.

Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, que se denomina número atómico y se representa por Z. Los átomos de un elemento dado pueden tener distinto número de neutrones: se dice entonces que son isótopos. La acción de enriquecimiento de uranio cosiste en modificar el número de neutrones de un átomo de uranio para obtener un isótopo más inestable para favorecer las reacciones en cadena de fisión nuclear. Ambos números conjuntamente determinan el nucleido.

El núcleo atómico puede verse alterado por procesos muy energéticos en comparación con las reacciones químicas. Los núcleos inestables, como el uranio y el plutonio utilizados como combustible nuclear, sufren desintegraciones que pueden cambiar su número de protones y neutrones emitiendo radiación. Un núcleo pesado puede fisionarse en otros más ligeros en una reacción nuclear o espontáneamente. Mediante una cantidad suficiente de energía, dos o más núcleos pueden fusionarse en otro más pesado, en este caso, se trataría de una reacción de fusión nuclear.

En átomos con número atómico bajo, los núcleos con una cantidad distinta de protones y neutrones tienden a desintegrarse en núcleos con proporciones más parejas, más estables. Sin embargo, para valores mayores del número atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción mayor de neutrones para estabilizar el núcleo.

Nube de electrones

El electrón es una partícula elemental estable con la carga negativa más pequeña que existe en la naturaleza. Esta carga se denomina carga elemental, ya que cualquier carga eléctrica separable se compone de un número entero de ellas.

Los electrones, de signo negativo, son atraídos por los protones, de signo positivo en el átomo a través de la fuerza electromagnética. Debido a esta fuerza electromagnética es necesario una fuente de energía externa para liberarlos. Cuanto más cerca está un electrón del núcleo, mayor es la fuerza atractiva, y mayor por tanto la energía necesaria para que escape.

Los electrones tienden a formar un cierto tipo de onda estacionaria alrededor del núcleo atómico. Cada una de estas ondas está caracterizada por un orbital atómico, una función matemática que describe la probabilidad de encontrar al electrón en cada punto del espacio. El conjunto de estos orbitales es discreto, es decir, puede enumerarse, como es propio en todo sistema cuántico. La nube de electrones es la región ocupada por estas ondas, visualizada como una densidad de carga negativa alrededor del núcleo.

Cada orbital corresponde a un posible valor de energía para los electrones, que se reparten entre ellos. El principio de exclusión de Pauli prohíbe que más de dos electrones se encuentren en el mismo orbital. Pueden ocurrir transiciones entre los distintos niveles de energía: si un electrón absorbe un fotón con energía suficiente, puede saltar a un nivel superior; también desde un nivel más alto puede acabar en un nivel inferior, radiando el resto de la energía en un fotón. Las energías dadas por las diferencias entre los valores de estos niveles son las que se observan en las líneas espectrales del átomo.

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Última revisión: 14 de marzo de 2019