Transmutación nuclear

La transmutación o trasmutación es un término relacionado con la alquimia, física y química que consiste en la conversión de un elemento químico en otro.​

El primer científico que logró la transmutación artificial de elementos químicos fue Ernest Rutherford en 1919, mediante el bombardeo de un átomo de nitrógeno con partículas alfa.

Durante siglos, el ser humano ha soñado en convertir, metales como el plomo, en oro. Para ello,  debería utilizar un sustancia misteriosa llamada "Piedra Filosofal" (Este concepto no fue descubierto en Harry Potter). Sus orígenes parecen estar en una antigua teoría alquímica (1) que proponía analizar los elementos Aristotélicos en términos de sus cuatro “cualidades básicas”: calor, frío, sequedad y humedad. El fuego sería caliente y seco, la tierra fría y seca, el agua fría y húmeda y el aire caliente y húmedo. Más aún, la teoría propone que cada metal es una combinación de los cuatro principios.  

El alquimista de Joseph Wright

La conversión de un elemento químico en otro afecta tanto al núcleo como a la corteza. La corteza del átomo es fácilmente alterable químicamente. Las reacciones químicas sólo cambian la estructura de los electrones más externos, los más alejados del núcleo. Básicamente las reacciones químicas se producen cuando un átomo gana, pierde o comparte electrones de su corteza. La modificación del núcleo es mucho más difícil: exige modificar el número de particulas subatómicas de su interior (core). Para ello deben emplearse condiciones energéticas especiales.

La perseguida idea de la conversión de plomo en oro, con la aparición de la Física Nuclear se vió que resultaba, posible, al menos en teoría. Para ello  bastaría con extraer 3 protones del núcleo de  un átomo de plomo (de 82 protones) para obtener un átomo de oro (de 79 protones). A la vez, la corteza debería perder tres electrones para conseguir su estado elemental no ionizado. 

 Modelo atómico basado en órbitas electrónicas.

Para este proceso  de cambio nuclear se necesitaría una cantidad de energía enorme. Estas transformaciones sólo funcionan con cantidades de energía y métodos nucleares, tales como se aplican en los reactores nucleares para la producción de plutonio en grandes cantidades. En 1980, el físico americano y Premio Nobel, Glenn Theodore Seaborg, fue el primer hombre en usar métodos nucleares para transmutar varios miles de átomos de plomo en oro, en 1980, durante unos segundos (2).

La transmutación nuclear consiste en la conversión de núcleos estables en otros núcleos si son bombardeados por particulas veloces. El primer experimento de este tipo fue realizado en 1919 por Ernest Rutherford, cuando utilizó rayos Alfa (emitido por mineral de radio), como proyectil contra el nitrógeno atmosférico, produciendo el isópotopo 17 del  oxígeno e hidrógeno.

             

En 1932, James Chadwick al bombardear Be-9 con partículas alfa, obtuvo C-12 y una partícula que hoy conocemos como neutrón (n):

                               He (A=4, Z=2) + Be (A=9, Z=4)  --------->  C (A=12, Z=6) + n (A=1, Z=0) 

Muchos isótopos sintéticos se preparan usando neutrones como proyectiles. Esto es particularmente conveniente porque los neutrones no llevan cargas y por lo tanto no son repelidos por los núcleos. La situación es diferente cuando los proyectiles son partículas cargadas positivamente; por ejemplo, cuando se utilizan protones o partículas α, como en:

Para reaccionar con el núcleo de aluminio, las partículas alfa deben tener una considerable energía cinética para poder superar la repulsión electrostática entre ellas mismas y los átomos blancos del bombardeo.

Uno problema que aparece en las reacciones de transmutación   es el hecho de que los elementos generados pueden ser radiactivos. 

¿Qué sucede con un elemento radiactivo a lo largo del tiempo? Los elementos radiactivos son inestables por su propia configuración nuclear. Para estabilizarse, emiten energía y partículas. Al emitir esta partículas, pierden masa y cambia su configuración nuclear dando lugar a otros átomos de menor número atómico, más sencillos y así sucesivamente, dando lugar a las familias o series radiactivas. El proceso continúa hasta llegar a un elemento estable. La velocidad de conversión de un elemento en otro depende del llamado período de semidesintegración.  En física nuclear y radioquímica se define el período de semidesintegración o constante de semidesintegración, también llamado semivida o hemivida, como el tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los núcleos de una muestra inicial de un radioisótopo. Se toma como referencia la mitad de ellos debido al carácter aleatorio de la desintegración nuclear. 

Existen varias familias radiactivas, cuyo elemento estable final es el plomo.

La cuarta columna representa el número de años para que una muestra radiactiva de n átomos se reduzca a n/2 átomos radiactivos. Estos períodos tamporales tan enormes, hacen que la contamianción radiactiva en la Tierra sea tan peligros, por su enorme duración.

Somos polvo de estrellas (Carl Sagan)

Cuando se forma una estrella comienzan a producirse reacciones de fusión, en las que la estrella “quema” hidrógeno transformándolo en helio, un elemento más pesado. Cuando la temperatura en el centro de una estrella llega a varios millones de grados ocurre la fusión de helio a carbono, del carbono y helio dando lugar al oxígeno, etc. Si la temperatura es aún mayor pueden formarse otros elementos pesados como el magnesio, azufre, silício, nquel, cobalto, hierro... Es decir, los átomos que componen mi cuerpo, y el tuyo, fueron formados en algún momento de "locura energética" en el pasado del universo. Poético y real.

Ismael

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Notas:

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(1) Alquimia:

Doctrina y estudio experimental de los fenómenos químicos que se desarrolló desde la Antigüedad y a lo largo de la época medieval y que pretendía descubrir los elementos constitutivos del universo, la transmutación de los metales, el elixir de la vida, etc...  La alquimia pretendía encontrar la piedra filosofal que convirtiese en oro todos los metales; de la rama más empírica de la alquimia nació la química.

Aristóteles propuso la existencia de cuatro “cualidades básicas”: calor, frío, sequedad y humedad. El fuego sería caliente y seco, la tierra fría y seca, el agua fría y húmeda y el aire caliente y húmedo. Más aún, la teoría propone que cada metal es una combinación de los cuatro principios. 

De ella se desprende el fenómeno de transmutación, es decir, el cambio de la naturaleza de un elemento en función del cambio en sus cualidades. 

(2)  Eso le abrió las puertas a colaborar con el Proyecto Manhattan, el que se llevó a cabo durante la Segunda Guerra Mundial para fabricar una bomba atómica antes que los nazis. Se desarrolló en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, en Nuevo México, bajo la dirección del citado Oppenheimer, quien no olvidaba a aquel joven químico que tanto le había impresionado. Seaborg se unió al equipo que trabajaba en Chicago, junto a Enrico Fermi, con la misión de obtener plutonio a partir de uranio. Lo lograron en el verano de 1942, permitiendo el inicio de la producción a mayor escala. 

Seaborg aconsejó a diez presidentes estadounidenses desde Harry S. Truman hasta Bill Clinton sobre la política nuclear y fue el presidente de la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos desde 1961 hasta 1971 en los que promovió las aplicaciones comerciales de la energía nuclear y el uso pacífico de la ciencia nuclear.

(3) Significado:

A: número másico: número de protones mas número de neutrones de núcleo de un átomo.

Z: número atómico, es decir, número de protones en el núcleo.