La Física,Einstein y la Energía Nuclear.
El siglo XX fue testigo de grandes cambios en la ciencia y tecnología, algunos inventos a partir de aplicaciones militares llevaron a la devastación de grandes zonas urbanas y en algunos casos trajeron consigo la muerte,como en el caso de Hiroshima.
De manera sintética esbozaremos parte de los cambios ocurridos en la física durante la centuria anterior.
1.La revolución en la física. (1)
La revolución en la física se inició a finales del siglo XIX, y podemos afirmar que si existe alguna de las ciencias que se haya transformado verdaderamente a lo largo de este siglo es la física.La transformación se ha producido,además,implicando un verdadero cambio en el punto de vista de elaboración de dicha ciencia.
La física clásica se había construido a partir de los planteamientos de Newton y Galileo y buscaba como base para sus avances la minuciosa observación empírica.La física del siglo XX busca su apoyo ( a partir,ciertamente,de una serie redescubrimientos) en la elaboración de una teoría que permita la comprensión de fenómenos numerosos.De este tipo serán las teorizaciones de Einstein y Planck,distinguiéndose tres fases:
a.- 1895-1916
En esa fecha se produce un salto, a partir de una serie de descubrimientos en cierto modo inesperados.Röntgen descubre que,en el exterior de un tubo de descarga de rayos catódicos reproduce 2algo" que hace brillar las pantallas fluorescentes de la oscuridad.No sabiendo lo que es,decide llamarlo rayos X.El descubrimiento de la radiactividad,con lo que suponía que el átomo contenía energía hasta entonces insospechada, y los trabajos del matrimonio Curie, a partir del polonium y el radium,fuentes de energía mucho más poderosas que el uranio,será otro de los descubrimientos claves.También el de Von Laue,en 1912,de la estructura de los cristales,precisamente utilizando rayos X.
Al mismo tiempo que estos descubrimientos,se producían las grandes síntesis teórica.Planck,en 1900,en su teoría quanta,formula que la energía,como la materia,es atómica,pero que la atomicidad no reside en la energía misma,sino en la curiosa magnitud que es la acción(energía multiplicada por tiempo).A continuación plantea la existencia de un quantum, o cantidad suficiente de acción-la constante de Planck-que gobierna la magnitud de todos los intercambios de energía de los sistema atómicos.También Einstein formula que en esta época su teoría de la relatividad.la general,en 1915;la especial en 1905.Plantea Einstein que el espacio es curvo,que dicha curvatura aumenta en la proximidad de los cuerpos pesados.De este modo justifica toda una serie de geometrías ajenas a lo que había sido el fundamento de la geometría tradicional de Euclides.A partir de la teoría de la relatividad de Einstein,cabe la formulación de que,en ese espacio curvo,pueden unirse las paralelas.La teoría atómica de Rutherford-Börhr se formula en 1913.
Se trataba de conquistas individuales.los Curie,Rutherford,Plank,Einstein,BóhrSin embargo,pronto comienza la influencia de la industria que caracteriza a la siguiente etapa.
b.-1919-1939.
Podríamos citar,abriendo este período,a Rutherford quien efectuó el descubrimiento clave,en 1919, de que era posible romper un núcleo de nitrógeno mediante el impacto de una partícula alfa.Abría así camino a los trabajos de Joliot,quien inventó los reactores nucleares:la radiactividad artificial que permitiría en 1938,en plena guerra mundial,llegar a la fisión nuclear,con la aplicación inmediata del hallazgo a la guerra:había nacido la bomba atómica.
c.-1939 hasta nuestros días.
Tras el descubrimiento de la bomba atómica se pasaba a la estatización de la ciencia física.Un avance en la investigación en este capo puede convertirse,dada la dinámica en un secreto de estado.
2. Einstein (2)
Considerado como uno de los grandes genios del siglo XX,Albert Einstein aportó decisivas contribuciones a las dos dos nuevas teorías físicas que,a comienzos del siglo pasado,transformaron radicalmente nuestra visión del mundo:la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica.Pero estos trabajos no son más que una deas múltiples facetas de un hombre fuera de lo común,que tomó parte activa en la lucha contra el racismo, y la utilización militar de la energía nuclear.
Alberto Einstein nació en Ulm en 1879, en una familia deorigen judío,humanista y agnóstica.En 1896 se matriculó en la Escuela Politécnica de Zürich,donde recibió las enseñanzas del matemático Hermann Minkowski.Este generalizaría después el formalismo tetradimensional introducido por la teoría de la relatividad restringida de su alumno.En 1921 recibió el premio Nobel pero no se le concedió por la teoría que le ha dado fama a nivel popular,sino por sus trabajos sobre el efecto fotoeléctrico y e movimiento browniano.Durante el período de entreguerras,Einstein sufrió contratiempos familiares y científicos.Abandonó Alemania tras la subida al poder de Hitler y se estableció en Princeton,Estados Unidos.La Segunda Guerra Mundial,la aparición de las primeras armas nucleares,los problemas raciales y el desarrollo de sionismo lo afectaron profundamente y le impulsaron a dedicar buena parte de sus energías a la lucha contra la proliferación de armas nucleares y a la defensa de los ideales pacifistas.Cada vez más aislado,Einstein murió en Princeton en 1955.
En el año 1905,Einstein publicó tres artículos extraordinaramente originales.El primero aportó una interpretación del efecto fotoeléctrico basada en las hipótesis de los cuantos de luz.Esta hipótesis hacía referencia al carácter discreto de los niveles de energía atómica y de la radiación de la energía de los átomos,que Max Planck acababa de demostrar.Einstein aplicó este principio a la energía electromagnética y postuló la existencia de puntos ( que llamaba cuantos) de luz:los fotones.Gracias a este descubrimiento se pudieron prever las características del efecto fotoeléctrico experimentado por Heinrich Hertz en 1887.
El segundo artículo estableció la teoría estadística del movimiento browniano descubierto por Robert Brown en 1827:un movimiento caótico departículas en suspensión en un líquido.Einstein dedujo la forma de este movimiento a partir de modelos cinéticos y estadísticos aplicables a cada partícula,reconciliando así las interpretaciones estadística y termodinámica.
E tercer artículo introdujo las leyes de la relatividad retringida y trastocó las nociones de espacio,tiempo,materia,masa y energía que,aunque en principio fueron consideradas independientes,se vieron ligadas en su teoría.Tal revisión conceptual de la mecánica culminó con la teoría de la relatividad general,en la que la gravitación y las fuerzas de la inercia llegaron a ser intercambiables y donde el principio de la relatividad se amplió a los sistemas acelerados.Los últimos trabajos de Einstein buscaban a concepción de universo relativistas y la construcción de una teoría unitaria capaz de reunir gravitación y electromagnetismo.
E = mc2 (Este número dos es c al cuadrado)
En la teoría de la relatividad restringida,Einstein no se limitóa expresar una nueva cinemática(estudio del movimiento de os cuerpos,con abstracción de las fuerzas que lo causan),sino que sentó también las bases de una nueva dinámica,que redefinía las relaciones entre masa,fuerza y energía.Einstein mostró así la equivalencia entre las nociones de masa energía, a la vez que el modo en que estas varían con la velocidad.Estos dos conceptos,en principio bien distintos,se fusionan en la teoría de la relatividad para formar sendas manifestaciones de un mismo fenómeno.La comprensión y la cuantificación de esta estrecha relación entre masa y energía,expresada en la fórmula E= mc2, son a base teórica de la obtención de energía nuclear.Desgraciadamente,la primera aplicación de la energía nuclear fue la bomba atómica que devastó Hisroshima el 6 deagosto de 1945.
3.Energía Nuclear. (3)
La energía asociada a las fuerzas que unen los nucleones en los átomos es enorme Puede ser liberada durante las reacciones nucleares,modificando la estructura interna del átomo.La energía que proviene del núcleo puede ser de fusión y de fisión.La primera es la que hará que el sol brille unos cinco mil millones de años más.La segunda es la que se recupera en las centrales nucleares.Otras veces,el fin no es tan constructivo:fabricación de bombas atómicas y termonucleares.
El núcleo del átomo está constituido por protones y neutrones.Su cohesión está asegurada por un equilibrio entre las fuerzas de atracción y repulsión que actúan en estos constituyentes.Mientras las fuerzas de cohesión sean superiores a las fuerzas que tienden a la desintegración del núcleo,este útimo será estable.
En la naturaleza se encuentran elementos cuyos núcleos no son estables y que terminan por desintegrarse espontáneamente.Cuando un núcleo se desintegra,se observa lo que se llama la fisión nuclear.De esta resulta la aparición de dos núcleos más pequeños y,eventualmente,deotros productos redesintegración.Otras veces dos núcleos se unen y originan uno más pesado:eso es la fusión nuclear.
Si bien estos dos tipos de reacción existen en el universo,el hombre es igualmente capaz de provocarlos.El proceso,sea natural o artificial siempre genera un intercambio de energía.La producción de energía se origina si el núcleo se encuentra en su estado final en una situación más estable que en su estado inicial;en caso contrario,se produce una absorción.Las energías que intervienen en las reacciones nucleares son enormes: a veces son 100.000 veces mayores que la liberada en una reacción química ordinaria.según la ecuación de Einstein E=mc2, que asocia la energía a la masa,este desprendimiento de energía corresponde a una pérdida de masa en el proceso.La unidad de energía utilizada en estas reacciones es el electrón-voltio( Ev).Además,la equivalencia masa-energía permite expresar sin ambigüedad la masa delas partículas que interactúan en términos de energía. Un protón "pesa" 938.27 MeV(M por mega-,millón), un neutrón "pesa"(en reposo) 939,56 MeV.En la reacción defusión de átomos de deuterio,que produce un átomo de helio-3 y un neutrón,se observa una pérdida de masa,es decir,una energía liberada ,de 3,27 MeV.Una fisión de uranio desprende alrededor de 200 MeV,una reacción química hasta 100 MeV. La energía que liberan estas reacciones ha suscitado el interés del hombre,si bien no siempre su utilización ha perseguido el bien de la humanidad,ya que puede convertirse en un arma terrible.
La fisión y las reacciones.
Incluso en el caso de que el balance energético sea favorable,la reacción no ocurre necesariamente de forma espontánea.Si se desea obtener una fuente de energía rentable,es necesario elegir una reacción que se realice sin tener que aportar energía:es necesario que ella misma se auto mantenga.Las reacciones de fisión de los núcleos pesados pueden ser provocadas por bombardeo con neutrones,si estos últimos sobrepasan el umbral de fisión.En raras ocasiones,isótopos 235 y 233 del uranio e isótopos 239 y 241 del plutonio,incluso los neutrones de energías muy bajas,son suficientes para provocar la reacción.Ahora bien, la reacción decisión de estos elementos produce neutrones.Así una reacción provoca la aparición de neutrones que a su vez van a provocar nuevas reacciones y así sucesivamente.Es una reacción en cadenaSi el número de reacciones inducidas por la reacción inicial tiene una media mayor a uno,el número de reacciones aumenta sin parar y la reacción se dispara.En una central se evita esta aceleración rodeando el reactivo de agua pesada(agua cuyos átomos de hidrógeno son reemplazados por átomos de deuterio) y de grafito con el fin de absorber los neutrones.En una bomba sea aumenta la concentración del reactivo hasta alcanzar la "masa crítica" que permite el comienzo de una reacción en cadena creciente.
La fusión .
La energía que emiten las estrellas proviene de la fusión.Los astros,principalmente compuestos de hidrógeno,producen en el curso de su vida elementos más pesados.De nuevo,el hombre ha visto en ello una fuente de energía.Una reacción de fusión entre el deuterio y el tritio(que se intenta realizar en las centrales) desprende12 veces menos energía que una reacción decisión de uranio,pero hace intervenir productos 100 veces menos pesados:con la misma cantidad de reactivo,a fusión es mucho más energética que la fisión.pero para producir estas reacciones hay que acercarse a las condiciones del interior de las estrellas.Esto es necesario para vencer las repulsiones electroestáticas que impiden la fusión de dos núcleos.Las centrales de fusión nuclear no funcionan todavía en la actualidad.no se consigue introducir el plasma en las condiciones estelares.Los progresos hacen pensar,sin embargo,que esta fuente de energía se podrá explotar en un futuro próximo.
La utilización nuclear.
L explotación de la energía nuclear con fines civiles tiene ventajas e inconvenientes.Los materiales fisionables son relativamente accesibles y sus reservas bastantes importantes:en el caso de la fusión,los productos son casi inagotables.Las centrales no producen contaminación atmosférica,como las centrales de combustible fósil,pero sí residuos radiactivos( restos del reactor y productos obtenidos por fisión).Finalmente,la formidable energía desarrollada por las reacciones nucleares sitúa a estas centrales entre las industrias de mayor riesgo tecnológico (accidentes de Three Mileas Island y de Chernobil).La utilización nuclear con fines militares permite la construcción de bombas con una potencia increíble ( la unidad de medida de potencia es el megatón:el equivalente de un millón de toneladas de TNT,potencia habitual de los misiles),que ha llegado a los 100 megatones.Un conflicto nuclear podría provocar el desencadenamiento de 5.000 megatones.Esto crearía una nube opaca alrededor de180 millones de toneladas de humo.De ello resultaría un descenso de la temperatura de cerca de 15º,asociado a una ausencia del sol durante varios meses,provocando o que se llama el invierno nuclear.
La utilización civil.
La utilización de la energía para la producción de electricidad es posible gracias a la explotación del fenómeno de la fusión.La política de aprovechamiento de la energía nuclear varía según los países debido a problemas de seguridad y acumulación de residuos radiactivos,es así como en Francia y Bélgica,por ejemplo a principios de la década del 90,esta contribución alcanza al 70 y 65 %.
Reseña histórica.
1896:Henri Becquerel (1852-1908) descubre la radiactividad.
1898: Pierre y Marie Curie descubren el polonio y el radio.
1902: Trabajos de Ernest Rutherford (1871-1937) y de Frederick Soddy (1877-1956) sobre la radiactividad natural.
1906: Rutherford identifica la partícula alfa en el núcleo del átomo de helio.
1907: Descubrimiento de la isotopía por Soddy.
1932: Harold Urey (1893-1981) descubre el agua pesada y el deuterio.
1934: Irene (1897-1956) y Jean-Fréderic (1900-1958), Joliot-Curie, descubren la radiactividad artificial.
1938: Otto Hahn (1879-1968) y Friedrich Strassman descubren la fisión del uranio. Hans Albrecht Bethe ,descubre el ciclo de fusión del helio de las estrellas.
1939:Lise Meitner (1878-1968) y Otto Frisch explican el mecanismo de fisión.
Fréderic Joliot descubre la reacción nuclear en cadena.
1941: Glen Seaborg y Edwin Mattison Mc Millan descubren el plutonio.
1942: Enrico Fermi (1901-1954) construye una pila de uranio.
1945: Bombas atómicas:primer ensayo el 16 de julio ene. desierto de Los Álamos en Nuevo México.
6 de agosto, una bomba de 20.000 toneladas es arrojada por Estados Unidos sobre la ciudad japonesa de Hiroshima,
9 de agosto,Estados Unidos nuevamente deja caer una bomba sobre una ciudad nipona,esta vez el blanco fue Nagasaki,las dos bombas dan como resultado un total de 117 .000 muertos inmediatos, y 94.000 en los años posteriores.
1952: Primera bomba de hidrógeno.
1954: Primer submarino nuclear.
1955:Primera central nuclear.
Fuente:
1.Gómez,JL,et al; Historia del Mundo Contemporáneo
Editorial Alhambra,Madrid,España,1979.
2.Anaya,Gran Enciclopedia Universal,Santiago de Chile,1992.
3.Anaya:Idem.
