FISICA NUCLEAR Introducción El descubrimiento de la radiactividad en un mineral de uranio por el físico francés Henri Becquerel, en 1896, puede considerarse como el comienzo de lo que hoy conocemos como Física Nuclear. Dos años más tarde, Pierre y Marie Curie descubrieron dos nuevos elementos radiactivos: el polonio y el radio. Nació así la Física Nuclear, es decir, la Física que estudia el comportamiento de los núcleos atómicos. En las dos Unidades anteriores hemos desarrollado los elementos de la Física Relativista y de la Física Cuántica; aquí vamos a tratar los fenómenos relacionados con los núcleos de los átomos. Completamos así lo que se denomina Física moderna. Vamos a contestar a preguntas como ¿Por qué unos núcleos atómicos son estables y otros no lo son? ¿Qué es la radiactividad? ¿Son realmente peligrosas las radiaciones debidas a la radiactividad? ¿Cómo se genera la energía nuclear? ¿Tienen aplicaciones los isótopos radiactivos? ¿Cuáles son las partículas fundamentales de la Naturaleza? Veremos por qué la Física Nuclear ha interesado no sólo a los físicos, sino también a los ciudadanos de todo el mundo. Términos como energía nuclear, contaminación radiactiva, armas nucleares o reactores nucleares forman parte del lenguaje habitual de los pueblos desarrollados del mundo. Ernest Rutherford (1871-1937) propuso el primer modelo atómico nuclear, en 1911. Según Rutherford, el átomo está compuesto por un pequeño núcleo en el que se encuentra casi toda la masa del átomo y toda su carga positiva, con los electrones girando a cierta distancia del núcleo. Esta teoría nuclear era la consecuencia de los resultados obtenidos por Rutherford y sus colaboradores H. Geiger (1882-1945) y E. Marsden (1889-1970) al bombardear láminas metálicas delgadas con partículas alfa (núcleos de helio) procedentes de elementos radiactivos. En el núcleo existen dos tipos de partículas, llamadas nucleones: protones y neutrones. El protón tiene la misma carga eléctrica que el electrón, pero positiva, e igual a 1,6 · 10 – 19 C, y una masa de 1,673 · 10–27 kg, que es 1 836 veces mayor que la masa del electrón. El neutrón no tiene carga eléctrica y su masa es de 1,675 · 10 –27 kg, ligeramente mayor que la del protón, y 1839 veces mayor que la masa del electrón. Al número de protones existentes en el núcleo de un elemento, que coincide con el número de electrones, se le denomina número atómico y se representa por Z. Al número total de nucleones existentes en el núcleo de un átomo se le denomina número másico y se representa por A. En consecuencia, el número de neutrones N es N = A – Z El número atómico se indica en la parte inferior izquierda del símbolo del átomo y el número másico en la parte superior izquierda. Por ejemplo 7 3Li, es un núcleo de litio formado por tres protones y cuatro neutrones. Se llama núclido a cada especie nuclear, es decir, al conjunto de núcleos iguales entre sí que tienen el mismo número atómico Z y el mismo número másico A. Los átomos de un mismo elemento químico poseen el mismo número de protones y, por tanto, de electrones, pero pueden diferir en el número de neutrones. Se denominan isótopos los átomos de un mismo elemento químico que, teniendo lógicamente el mismo número de protones y de electrones, tienen distinto número de neutrones. Los isótopos tienen igual número atómico y distinto número másico. Por ejemplo, existen tres isótopos de hidrógeno: 1 1 H 2 1 H 3 1 H Hidrógeno o protio Deuterio Tritio. Estabilidad de los núcleos. Energía de enlace En el núcleo de los átomos, los nucleones se agrupan de tal modo que la distancia entre ellos es del orden de 10–15 m (1 fermi o femtómetro). A esta distancia tan pequeña, la fuerza eléctrica de repulsión entre los protones viene dada por la Ley de Coulomb y es muy grande. La fuerza gravitatoria atractiva entre los mismos protones es despreciable frente a la fuerza eléctrica, pues es unas 1036 veces más pequeña. En consecuencia, para que los núcleos sean estables, debe existir una tercera fuerza, muy intensa, de corto alcance y atractiva que supere las fuerzas eléctricas de repulsión y mantenga unido al núcleo. Esta fuerza se denomina interacción nuclear fuerte. Es una fuerza que sólo se manifiesta en el interior del núcleo y su valor parece ser el mismo, entre dos protones, dos neutrones o entre un protón y un neutrón. Defecto de masa y energía de enlace Al determinar con precisión las masas de los núcleos de los átomos, con un aparato denominado espectrógrafo de masas, se obtuvo un resultado sorprendente. El valor obtenido es siempre inferior a la suma de las masas de los nucleones que lo forman. Es decir, la masa real del núcleo es inferior a la suma de las masas de sus protones y neutrones. Esta diferencia se denomina defecto de masa y se calcula mediante la expresión: ∆m = Z mp + (A – Z)mn – M siendo mp la masa del protón, mn la masa del neutrón y M la masa del núcleo. De acuerdo con la fórmula de Einstein, la energía equivalente a este defecto de masa es: E = ∆m c2 Esta energía se denomina energía de enlace o energía de ligadura del núcleo y es la energía que se libera al formarse el núcleo a partir de los nucleones que lo constituyen. Coincide con la energía que hay que proporcionar al núcleo para separar los nucleones que lo forman. Las energías de enlace de los núcleos son enormemente grandes. Para los núcleos estables está comprendida entre 2,2 MeV para el deuterio 2 1 H y 1 640 MeV para el Un dato muy importante acerca de la estabilidad del núcleo es la energía de enlace por nucleón, que se obtiene dividiendo la energía de enlace del núcleo entre el número de nucleones que contiene Cuanto mayor sea la energía de enlace por nucleón, más estable es el núcleo. Las mayores energías de enlace por nucleón se presentan para números másicos comprendidos entre 40 y 100, aproximadamente El núcleo más estable es el del hierro-56, al que corresponde una energía de enlace por nucleón de 8,8 MeV/nucleón. Si un núcleo pesado se divide en dos núcleos más ligeros (fisión nuclear), 209 83Bi. o si dos núcleos ligeros se unen para formar uno más pesado (fusión nuclear), se obtienen núcleos más estables, con mayor energía de enlace por nucleón y se libera energía. Esta es la clave de la producción de energía en el Universo. Radiactividad. Hay más de 250 núclidos estables, pero se conocen muchos más que son inestables. Los núcleos inestables se transforman espontáneamente en otros y emiten radiaciones. Cuando la radiación de una muestra se somete a la acción de un campo magnético, se comprueba que existen tres tipos de radiaciones: radiación α, formada por partículas con carga positiva; radiación β, formada por partículas con carga negativa, y otra radiación que no se ve afectada por el campo magnético puesto que no tiene carga eléctrica, denominada radiación γ. Las partículas a son núcleos de helio, es decir, están formadas por dos protones y dos neutrones. Suelen emitirlas los núcleos demasiado grandes para ser estables, tales como los de uranio, torio, radio o plutonio. La fuerza que mantiene unidos a los nucleones (interacción nuclear fuerte) actúa sólo a distancias muy pequeñas, atrayendo solamente a los nucleones vecinos más cercanos. En los núcleos mayores que el 209 83Bi, la repulsión eléctrica entre los protones hace inestable al núcleo y éstos se transforman espontáneamente en núcleos más pequeños por emisión a. Por ejemplo: 226 88Ra → 222 86Rn + 4 2He En esta reacción, como en todas las reacciones nucleares, se conserva la carga total y el número total de nucleones. En efecto, el número de protones es el mismo en ambos miembros de la reacción (88 = 86 + 2), y lo mismo ocurre con el número másico (226 = 222 + 4). Debido a una masa relativamente elevada, a su carga eléctrica y a que son emitidas a velocidades no muy altas, las partículas a tienen un poder de penetración pequeño. Son detenidas por una lámina de cartón o unos pocos centímetros de aire , no son capaces de atravesar la piel de nuestro cuerpo. La radiación β está formada por electrones. Pero ¿cómo pueden surgir electrones del núcleo? En los núcleos pequeños el número de protones y de neutrones es casi el mismo y son estables, pero los núcleos más grandes tienen más neutrones que protones. Cuando la relación neutrones/protones es demasiado grande, el núcleo es inestable, porque la interacción nuclear fuerte es una fuerza de muy corto alcance, y se estabiliza convirtiendo un neutrón en un protón, un electrón y una partícula, sin carga y sin masa en reposo, llamada antineutrino νe: → 1 1p + 0 –1e + νe ; 14 6C → 14 7N + 0 –1e + νe Las partículas β se emiten con velocidades próximas a las de la luz; su masa es mucho menor que la de las partículas α y, por tanto, tienen un poder de penetración mayor. Son frenadas por unos metros de aire, una lámina de aluminio o unos centímetros de agua. La emisión β se 1 0n debe a la existencia de una fuerza nuclear denominada interacción nuclear débil. Su alcance es aún más corto que la interacción nuclear fuerte y su magnitud es, aproximadamente, 105 veces menor. Los rayos gamma son ondas electromagnéticas con frecuencias muy altas, superiores a las de los rayos X. Se emiten cuando un núcleo que se encuentra excitado vuelve a su estado fundamental (de menor energía), al igual que ocurre en el átomo con los electrones excitados. La emisión gamma acompaña generalmente a las emisiones alfa y beta. Los rayos gamma tienen un poder de penetración muy superior al de las radiaciones alfa y beta. Atraviesan el cuerpo humano y sólo se frenan con planchas de plomo y muros gruesos de hormigón. Los cambios experimentados por los números atómicos y los números másicos de los núcleos que experimentan desintegraciones radiactivas se resumen en las leyes que fueron enunciadas por Soddy y Fajans, y se conocen como leyes de los desplazamientos radiactivos: 1. Cuando en una transformación radiactiva se emite una partícula alfa, se obtiene un núcleo cuyo número atómico es dos unidades menor y su número másico es cuatro unidades menor: A ZX → A–4 Z–2Y + 4 2He 2. Cuando en una transformación radiactiva se emite una partícula beta, se obtiene un núcleo cuyo número atómico es una unidad mayor y no varía su número másico: A ZX → A Y + 0 e Z+1 –1 3. Cuando un núcleo que se encuentra en un estado excitado vuelve a su estado fundamental (de menor energía), emite radiación g, pero no cambia su composición: * A X + γ ZX → Z A Magnitudes características de la desintegración radiactiva En 1900, Rutherford sugirió que el ritmo con que una sustancia radiactiva emitía partículas radiactivas disminuía exponencialmente con el tiempo. Esto indica que los procesos radiactivos son aleatorios, que han de estudiarse estadísticamente, basando las deducciones en el cálculo de probabilidades. Puesto que la desintegración de un núcleo cualquiera se produce al azar, el número de núcleos que se desintegran, en un intervalo dt, es directamente proporcional al tiempo y al número de núcleos existentes. Si N(t) es el número de núcleos radiactivos en un instante t y dN el número medio de desintegraciones en el tiempo dt, se cumple: –dN = λNdt; dN / N = –λdt donde λ es una constante de proporcionalidad, llamada constante de desintegración, que representa la probabilidad de que un determinado núcleo radiactivo se desintegre. Su unidad en el SI es el s–1. El signo menos indica que el número de núcleos disminuye con el tiempo. Al integrar la ecuación anterior, llamando No al número de núcleos iniciales, resulta: Ln ( N/ No ) = –λt; N = No e–λt expresión que permite calcular el número de núcleos radiactivos que quedan sin desintegrar en cada instante, y es la ecuación fundamental de la radiactividad. También se puede expresar en función de la masa inicial de núcleos radiactivos mo y de la masa existente m después de transcurrir un tiempo determinado: m = mo e–λt Se llama actividad o velocidad de desintegración A de una sustancia radiactiva al número de desintegraciones que se producen por unidad de tiempo: La unidad de actividad en el SI es el becquerel (Bq), que equivale a una desintegración por segundo. Otra unidad muy utilizada es el curio (Ci), que se define como la actividad de una muestra de un gramo de radio, y equivale a 3,7 · 1010 desintegraciones por segundo: 1 Ci = 3,7 · 1010 Bq. Fisión y Fusión nuclear A. Fisión nuclear Consiste en la división de un núcleo pesado en dos núcleos más ligeros; estos núcleos son más estables, ya que tienen mayores energías de enlace por nucleón y en el proceso se libera energía. Los núcleos no se dividen fácilmente. Se consiguió por primera vez en 1938. Hahn y Strassmann observaron que el 235 92U, cuando absorbe un neutrón se convierte en un núcleo inestable 236 92U, que inmediatamente se divide en dos fragmentos de números atómicos comprendidos entre 30 y 63, y números másicos comprendidos entre 72 y 162, liberándose energía y nuevos neutrones. Por ejemplo: 235 92U + 1 0n → 236 92U* → 92 141 1 36Kr + 56Ba + 3 0n + energía. La energía liberada se debe a la diferencia de masas entre los productos iniciales y finales de la reacción. En este caso es de unos 200 MeV por núcleo, millones de veces mayor que la energía que se desprende en una reacción de combustión. Después se comprobó que otros núcleos, como los de torio, plutonio y protactinio, eran fisionables utilizando neutrones. En el proceso de fisión del uranio-235 se liberan varios neutrones que hacen posible la fisión de nuevos núcleos. Éstos liberan a su vez nuevos neutrones, y así sucesivamente, iniciando una reacción en cadena, capaz de producir una enorme cantidad de energía. El físico italiano Enrico Fermi produjo, en 1942, en la Universidad de Chicago, la primera reacción en cadena de este tipo. B. Fusión nuclear Consiste en la unión de núcleos ligeros para formar núcleos más pesados; es el proceso inverso al de fisión nuclear. Cuando se unen dos núcleos ligeros, se obtiene un núcleo más estable, con mayor energía de enlace por nucleón , y se libera energía. Por ejemplo: 2 1H + 3 1H → 42He + 10n + energía En esta reacción se liberan aproximadamente 17,6 MeV por átomo, cantidad comparativamente mayor que la liberada en los procesos de fisión. Las reacciones de fusión son muy difíciles de conseguir con la tecnología actual, ya que para unir dos núcleos hay que vencer las fuerzas eléctricas de repulsión que existen entre las cargas positivas de los protones las velocidades suficientemente altas como para vencer la repulsión, lo que requiere temperaturas de varios cientos de millones de grados. Esto sólo se ha conseguido de forma apreciable y con un alto rendimiento energético en las bombas de hidrógeno, donde la fusión se provoca mediante la explosión de una bomba atómica. Es el proceso que se produce en el interior de las estrellas. Armas y reactores nucleares Como hemos visto en el apartado anterior, los neutrones que se emiten en la fisión del uranio-235 hacen posible una reacción en cadena. La condición para que esto ocurra es que, en promedio, al menos un neutrón de los producidos en cada fisión produzca una nueva fisión. Si los neutrones escapan o son absorbidos por otros materiales, y sólo unos pocos producen la fisión, la reacción se detiene. Si un neutrón de cada fisión produce otra fisión, la reacción se mantiene y se libera energía de manera continua; este es el fundamento de un reactor nuclear. Si en cada fisión se produce más de un neutrón capaz de producir nuevas fisiones, la reacción en cadena se desarrolla a gran velocidad, y la liberación de energía es tan grande y tan rápida que se produce una explosión gigantesca; este es el fundamento de una bomba atómica. Para que los neutrones no escapen y puedan ser atrapados por los núcleos de uranio-235, debe haber una cantidad suficiente de material fisionable. A esta cantidad mínima, necesaria para producir la reacción en cadena, se le denomina masa crítica. El uranio natural contiene solamente un 0,7 % de uranio-235, el 99,3 % restante es uranio-238. La fabricación de bombas atómicas exige concentrar el uranio-235 hasta un 99 %, lo que requiere instalaciones muy sofisticadas y costosas. En una bomba atómica, el material fisionable está separado en dos masas subcríticas que se unen, para sobrepasar la masa crítica, en el momento de la explosión. Una bomba atómica es un ejemplo de fisión nuclear incontrolada. Reactores nucleares de fisión Un reactor nuclear es un dispositivo que controla el crecimiento de la reacción en cadena y produce grandes cantidades de energía; es un ejemplo de fisión nuclear controlada. En esencia, una central nuclear utiliza el calor producido en la reacción de fisión para producir vapor de agua a presión, que al expandirse en la turbina del alternador produce energía eléctrica. Las centrales nucleares disponen en su mayoría de reactores con una potencia aproximada de 1 000 MW. El núcleo del reactor está formado por una serie de varillas de combustible nuclear, compuestas por unos pequeños cilindros («pellets») de óxido de uranio ligeramente enriquecido en uranio-235. El núcleo del reactor suele medir unos 3,5 m de diámetro y 3,5 m de altura, y está encerrado en un recipiente de acero resistente a la presión. La vasija del reactor se aloja en el interior de un búnker de hormigón para evitar la salida de radiaciones. Por último, un edificio de hormigón armado cubre todo el dispositivo del reactor para impedir fugas radiactivas en caso de accidente. El uranio que se usa en los reactores nucleares es uranio natural o uranio enriquecido que contiene del 3 al 5 % de uranio-235. Por eso en un reactor no pueden producirse explosiones similares a una bomba atómica. La reacción en cadena se regula mediante barras de control, fabricadas con materiales que absorben neutrones. Se utilizan boro y cadmio, que capturan neutrones con facilidad y regulan, por tanto, el número de neutrones que pueden producir la fisión y la reacción en cadena. Las barras de control se insertan entre las varillas que contienen el material fisionable. Cuando se insertan por completo detienen la reacción en cadena y «paran» el reactor. La reacción de fisión del uranio-235 se produce con neutrones «lentos». Sin embargo, los producidos en la fisión son neutrones «rápidos» (tienen más energía de la necesaria y no son atrapados por el núcleo). Por ello, es necesario utilizar un moderador que disminuya su velocidad. Se emplean para este fin agua, agua pesada (D2O), berilio y grafito. El material fisionable empleado en los reactores nucleares contiene porcentajes muy pequeños de uranio-235. Es rico en uranio-238, y este isótopo del uranio es capaz de capturar los neutrones rápidos y convertirse en plutonio-239, que es fisionable como el uranio-235, mediante las siguientes reacciones: 238 1 239 239 239 0 e 92U + 0n → 92U 92U → 93Np + –1 239 239 0 93Np → 94Pu + –1 e Esta propiedad del uranio-238 ha hecho posible la construcción de reactores reproductores o regeneradores, diseñados para producir más plutonio-239 que el uranio-235 que consumen. Los neutrones lentos producen la fisión del uranio-235 y los rápidos convierten el uranio-238, que no es fisionable, en plutonio-239 que sí es fisionable. Como las reservas de uranio-235 no son muy grandes, estos reactores reproductores permitirían garantizar la existencia de materiales fisionables durante muchos siglos. La contrapartida es que el plutonio-239 también puede utilizarse en la fabricación de armas nucleares y su producción en las centrales nucleares es difícil de controlar. B. Reactores de fusión nuclear La unión de núcleos ligeros para producir núcleos mayores también va acompañada de la emisión de grandes cantidades de energía. Pero para vencer la repulsión electrostática entre los núcleos que se quieren fusionar es necesario comunicarles grandes energías; hay que conseguir temperaturas muy elevadas. Como las fuerzas eléctricas de repulsión son proporcionales a la carga eléctrica de los núcleos, los átomos de hidrógeno son los más adecuados para conseguir la fusión. A temperaturas tan elevadas, los átomos pierden electrones y se forma un gas, que consta de cationes y electrones, llamado plasma. De entre todas las reacciones de fusión, la que parece más fácil de conseguir es la reacción deuterio + tritio: Para lograr la fusión es necesario calentar un plasma a temperaturas del orden de 108 K y conseguir que alcance una densidad del orden de 1020partículas/m3, durante un tiempo de unos segundos. Hay que confinar el plasma en un recipiente sin paredes, pues ningún material soportaría esas temperaturas. Se investiga en dos alternativas: confinamiento magnético confinamiento inercial. Contaminación radiactiva. Medida y detección Los daños biológicos producidos por las radiaciones dependen de su energía y de los iones producidos a su paso. La radiación ultravioleta, los rayos X y las radiaciones debidas a la radiactividad son las más peligrosas. Con frecuencia se subestiman los peligros de las radiaciones debido a que, excepto para dosis muy grandes, sus efectos más peligrosos sólo se aprecian varios años después. Pero dosis altas de radiación pueden producir cáncer y lesiones en los cromosomas con efectos genéticos negativos irreversibles. El daño causado es siempre proporcional a la dosis recibida. La irradiación a que están sometidos los seres vivos procede de la radiactividad natural, es decir, de la que procede de la propia Naturaleza, y la radiación artificial, procedente de actividades humanas que producen núcleos radiactivos. La radiactividad natural es debida a las transformaciones radiactivas de materiales que componen la corteza terrestre y de las radiaciones que proceden del Sol, que constituyen la radiación cósmica. La radiactividad artificial procede de explosiones nucleares, reactores nucleares, usos médicos de fuentes radiactivas, etcétera. En el interior del organismo de los seres vivos también existen elementos radiactivos, incorporados por los alimentos, el agua y el aire. Los más importantes son el potasio-40, radio-226, radio-228 y uranio-238. Al fumar, por ejemplo, se inhalan plomo-210 y polonio-210. Aunque la unidad de actividad radiactiva en el SI es el becquerel, en ocasiones, lo que realmente interesa son los efectos biológicos y físicos producidos por las radiaciones, y éstos dependen de las dosis de radiación recibidas. La unidad en el SI de dosis de radiación es el sievert(Sv): Un sievert equivale a 100 rem, que es una unidad anterior muy utilizada. Según la reglamentación española, la dosis máxima admisible para personas profesionalmente expuestas a este tipo de radiaciones es de 5 rem por año, y de 0,5 rem por año para la población en general. Para dar idea de la peligrosidad relativa de las distintas fuentes de radiación, a continuación se indican las dosis medias aproximadas de radiación recibidas por una persona en un año: • Rayos cósmicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 mrem • Materiales terrestres de las rocas, suelos, etc.. . . 40 mrem • Interior del cuerpo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 mrem • Trabajo, ocio, consumo, pruebas nucleares, fármacos, etc... 40 mrem • Rayos X de uso médico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 mrem • Central nuclear con sistemas de protección adecuados. . . . . . . 2 mrem • Esfera luminosa del reloj. . . . . . . . . . . . . . . . 2 mrem • Televisor en color. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 mrem Se deduce de lo anterior, que junto a un temor lógico a la radiactividad se produce quizá un uso excesivo de los rayos X. Toda exposición a los rayos X también es peligrosa. Si bien nuestros sentidos no pueden detectar las radiaciones, sí puede hacerse con instrumentos adecuados. Se emplean emulsiones fotográficas, pantallas de sulfuro de cinc que centellean cuando choca una partícula alfa, contadores Geiger basados en la propiedad ionizadora de las radiaciones y contadores de centelleo que transforman los destellos luminosos producidos por las radiaciones en impulsos eléctricos mediante circuitos electrónicos. Aplicaciones de los isótopos radiactivos E n los reactores nucleares, además de producirse energía, se producen también isótopos radiactivos. Para ello, algunos neutrones producidos en las fisiones se emplean para bombardear los núcleos adecuados. El comportamiento químico de los isótopos radiactivos es idéntico al de los isótopos estables del mismo elemento, pero se pueden detectar localizando la radiación que emiten. Las numerosas aplicaciones de los isótopos radiactivos se deben a esta propiedad y a los efectos que las radiaciones producen en la materia. A continuación se detallan algunas de sus aplicaciones más importantes: • Localización de tumores y tratamiento del cáncer (radioterapia) destruyendo las células malignas. Por ejemplo, se utiliza cobalto-60, que emite radiación gamma y destruye las células cancerosas. • Obtención de semillas con mejores cualidades. • Producción de esterilidad en especies nocivas y plagas. • Medida de espesores de materiales: láminas de papel o metálicas, plásticos, etcétera. • Radiografías industriales. • Estudio de las emigraciones y movimientos de animales. • Aprovechamiento de la energía de la radiación: generadores eléctricos en la industria espacial, marcapasos en medicina, etcétera. • Fechado radiactivo, para determinar fechas de hechos históricos o geológicos. Los isótopos radiactivos permiten determinar la antigüedad de muchos yacimientos arqueológicos. Debido a la desintegración del carbono-14, cuando un ser vivo muere podemos afirmar que se pone en marcha un reloj. Materia y antimateria. Partículas fundamentales Se ha descubierto un gran número de partículas bombardeando núcleos atómicos con protones y electrones de alta energía, dotados de velocidades muy grandes mediante aceleradores de partículas, pero el comportamiento de la materia ordinaria indica que está constituida simplemente por electrones, protones y neutrones. Además, cada partícula tiene su propia antipartícula. El positrón es la antipartícula del electrón, tiene la misma masa, pero su carga eléctrica es positiva. El antiprotón está cargado negativamente y tiene la misma masa que el protón. El antineutrón tiene la misma masa que el neutrón, pero tiene momentos magnéticos opuestos. Por tanto, la antimateria estaría compuesta por positrones, antiprotones y antineutrones. La materia y la antimateria se aniquilan entre sí y la masa que se pierde se convierte en energía. De acuerdo con la Teoría del Big Bang sobre el origen del Universo, en el instante de la gran explosión se creó tanta cantidad de materia como de antimateria; sin embargo, en el Universo conocido no existe la antimateria. Además, ambas deberían haberse aniquilado mutuamente produciendo una ingente cantidad de energía. Como esto no ocurrió, debió de existir una cantidad de materia mayor que de antimateria y a partir de esta diferencia se formaron las primeras estrellas y toda la materia visible que forma el Universo. Un grupo de físicos europeos ha confirmado en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) que en ciertas interacciones entre partículas subatómicas (mesones k) se produce lo que denominan una «violación de la paridad» que determina la asimetría entre la materia y la antimateria. Este descubrimiento confirma la existencia de una mayor cantidad de materia que de antimateria en los orígenes del Universo. Los científicos del CERN creen que no toda la antimateria desapareció del Universo e intentan detectarla en el cosmos mediante experimentos en satélites artificiales. Partículas fundamentales Los electrones parecen ser indivisibles, pero los neutrones y protones, que han sido considerados como indivisibles experimentalmente, parecen estar compuestos por unas partículas llamadas quarks. Según el modelo estándar de la física de partículas, existen dos tipos de partículas elementales: leptones y quarks. Los hadrones son partículas formadas por otras más simples y se dividen en mesones y bariones Los leptones parecen ser elementales, es decir, son partículas que no se pueden descomponer en otras más simples. Existen seis leptones: electrón (e– ), muón (m– ), partícula tau o tauón (t– ), neutrino electrónico (ne ), neutrino muónico (nm) y neutrino tauónico (nt ). El muón (m– ) es una partícula cargada negativamente cuya masa es 207 veces la del electrón; es inestable y se convierte en un electrón, un neutrino y un antineutrino. El leptón tau (t– ), o tauón, posee una masa casi doble que la del protón y carga eléctrica negativa. Los leptones parecen estar apareados. Cada pareja está formada por un leptón cargado y su correspondiente neutrino. Los neutrinos son partículas neutras estables. Pueden atravesar cantidades enormes de materia sin sufrir ninguna interacción. Se producen en grandes cantidades en el Sol y en las estrellas. Mientras estás leyendo estas líneas, miles de millones de neutrinos procedentes del Sol están atravesando tu cuerpo y la Tierra, prosiguiendo su viaje a través del Universo. Los quarks parecen ser partículas elementales. Existen seis tipos de quarks: up (arriba), down (abajo), strange (extraño), charm (encanto), bottom (fondo) y top (cima). Se representan con las letras iniciales de su nombre en inglés: u, d, s, c, b y t. A su vez, cada quark puede existir en tres variedades distintas que se denominan rojo, verde y azul. Aunque se describen como colores, nada tienen que ver con los colores reales; son denominaciones intuitivas para distinguir los distintos estados de los quarks. Sin embargo, esta propiedad del color es fundamental porque sólo existen en el Universo partículas de «color blanco»; por ejemplo, bariones, como el protón y el neutrón, donde se combinan tres quarks de colores diferentes, o partículas «sin color» (mesones), donde se combinan un quark y un antiquark del mismo color y se anulan. A la parte de la Física que se encarga del estudio de estas partículas se la conoce por Cromodinámica Cuántica. Los hadrones se dividen en mesones y bariones. Además del protón y el neutrón, el grupo de los hadrones incluye cientos de partículas inestables que parecen estar constituidas por quarks. Los quarks están fuertemente unidos entre sí en el interior de los hadrones, por lo que es muy difícil observarlos; sólo se ha conseguido detectarlos en aceleradores de partículas de alta energía. Los mesones son los hadrones de menor masa, están formados por un quark y un antiquark. El protón, el neutrón y todos los bariones están formados siempre por tres quarks . El protón está constituido por dos quarks u y un quark d. La carga del quark u es +2e /3 y la del quark d es –e/3, luego la carga total del protón es +e: 2 ( 2 /3 e) + (– 1/ 3 e) = +e El neutrón está formado por un quark u y dos quarks d, y su carga eléctrica es nula: (+ 2 /3 e) + 2 (– 1/ 3 e) = 0 Los seis leptones y los seis quarks se agrupan en tres familias de cuatro miembros cada una . Lo que diferencia a una familia de otra es la masa. Si se compara la masa de un protón, por ejemplo, con la masa de los tres quarks que lo forman, se observa una gran diferencia. Esto se explica porque la masa de los quarks no asociados es distinta a la que presentan en el «estado de confinamiento» en el que se encuentran dentro del protón. No se han podido estudiar todavía las propiedades de un quark dentro de un barión o un mesón, sino sólo en estado aislado en aceleradores de partículas. Es uno de los retos pendientes de la Cromodinámica Cuántica. Excepto los neutrinos que tienen una vida larga, las partículas de las otras dos familias sólo se han detectado en colisiones artificiales de alta energía. Para completar el modelo estándar de la Física de partículas, falta por descubrir una enigmática partícula que conferiría la masa a todas las partículas elementales. Se denomina bosón de Higgs. Para detectarlo sería necesario un acelerador de partículas, que ya se está construyendo, en el que se alcanzasen energías similares a las que existieron unos segundos después del Big Bang. La unificación de las interacciones fundamentales La enorme variedad de fenómenos existentes en el Universo puede describirse mediante cuatro tipos de fuerzas; sólo existen cuatro interacciones fundamentales: nuclear fuerte, electromagnética, nuclear débil y gravitatoria. La interacción nuclear fuerte es la más intensa, pero de muy corto alcance, 10–15 m (1 fermi), aproximadamente. Afecta a los quarks y mantiene unidos los protones y neutrones que componen el núcleo de los átomos. Los protones, debido a su carga eléctrica positiva, se repelerían eléctricamente si no estuvieran ligados por una fuerza intensa. Esta fuerza nuclear no se aprecia fuera del núcleo. La interacción electromagnética es la segunda en intensidad, aproximadamente cien veces menor que la interacción fuerte. Actúa sobre partículas cargadas eléctricamente y puede ser atractiva o repulsiva, según sea el signo de las cargas. Es la responsable de que los átomos, las moléculas y la materia en general sean estables. La interacción nuclear débil tiene un radio de acción muy corto (unos 10–17 m). Su intensidad es 10–5 veces la de la interacción fuerte y es la responsable de la desintegración beta de los núcleos atómicos y las transformaciones entre leptones. La interacción gravitatoria es la más débil de todas. Su intensidad es aproximadamente 10–39 veces la de la interacción fuerte. Es atractiva en todas las masas. Su alcance es ilimitado y es la responsable de la estructura general del Universo. Puesto que las leyes de Newton (fuerza gravitatoria) y Coulomb (fuerzas eléctricas) son tan semejantes, ¿puede haber una fuerza única que explique la naturaleza fundamental de todos los fenómenos que existen en el Universo? Este es un objetivo de los físicos: unificar estas fuerzas de modo que todas sean manifestaciones de una sola interacción, de una fuerza única. Newton demostró que la gravedad terrestre y la gravedad astronómica se deben a una sola fuerza, la interacción gravitatoria. Maxwell realizó la unificación electromagnética y demostró que las fuerzas eléctricas y magnéticas tienen su origen en una sola interacción existente entre las partículas cargadas eléctricamente. Steven Weinberg, Abdus Salam y Sheldon Glashow, que recibieron el premio Nobel de Física en 1979, sostienen que la interacción nuclear débil y la interacción electromagnética son aspectos diferentes de un mismo fenómeno básico, la interacción electrodébil. A elevadas energías no parece existir diferencias entre las interacciones electromagnética y nuclear débil. Sólo a bajas energías se manifiestan como interacciones distintas