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Una de las preguntas más fundamentales y profundas que la Física puede plantearse acerca del Universo que nos rodea es:
¿Existe alguna unidad básica y elemental que constituya toda la materia de la que estamos formados?
Desde el punto de vista de la historia de la ciencia los primeros intentos dirigidos a encontrar una posible respuesta a esta pregunta aparecen en el ámbito de la metafísica, dando origen a la idea de átomo.
Átomo: Unidad invisible de materia
Esta idea concebida en sus inicios como un concepto puramente filosófico aterriza finalmente en el terreno de la ciencia entre los años 1803 y 1808, durante los cuales John Dalton elabora su modelo atómico aplicando metodologías propiamente científicas.
En este modelo existían diferentes tipos de átomos, los cuales no eran más que simples esferas perfectas que podían unirse entre ellas para formar moléculas y estructuras más complejas. Aún así, este sencillo modelo permitió explicar las leyes que rigen la estequiometría y entender la manera en la cual se combinaban los diferentes elementos en las reacciones químicas.
Sin embargo, hubo que esperar a principios del siglo XX y al nacimiento de la mecánica cuántica para disponer de las herramientas matemáticas y de los desarrollos teóricos necesarios para poder explicar los fenómenos que ocurren a nivel atómico y subatómico.
En la imagen moderna que han proporcionado estos avances el átomo ya no es indivisible, sino que se entiende como un sistema complejo formado por un núcleo central y electrones distribuidos a su alrededor formando orbitales de probabilidad.
No sólo el átomo ha dejado de ser considerado indivisible en la actualidad, sino que también su núcleo central tiene una estructura interna constituida por protones y neutrones que a su vez están compuestos por quarks y gluones, las partículas subatómicas más fundamentales que conocemos hoy en día. El campo de la física que estudia el núcleo atómico y sus propiedades recibe el nombre de Física Nuclear.
Para ilustrar estas ideas en la figura se indican las escalas típicas del tamaño atómico y nuclear, así como las diferentes disciplinas de la Física que se encargan de estudiar cada una de estas escalas.
Si nos fijamos la escala atómica es del orden de 10^-10 metros.
Vamos a coger una regla en la cual aparezcan señalados los milímetros y ahora dividamos ese milímetro en 10 millones de partes iguales. Entonces la longitud resultante de esta división sería del tamaño de un átomo
La escala nuclear es cinco órdenes de magnitud menor que la escala atómica, es decir, el núcleo atómico en el cual están contenidos los protones y neutrones es 100 000 veces más pequeño que el tamaño total del átomo.
Es decir, si colocamos un grano de arena de un milímetro en el centro de un campo de fútbol de 100 metros, el núcleo sería ese grano de arena y los electrones estarían en las gradas más externas del campo de fútbol.
La Física Nuclear, que comenzó siendo ciencia básica, hace ya décadas que se ha incorporado de manera natural a la Física Aplicada y a la Ingeniería. En particular, sus potenciales aplicaciones a tecnologías emergentes están resultando ser muy prometedoras para encontrar posibles soluciones a los grandes retos que debe enfrentar la sociedad moderna y la humanidad.
Las predicciones actuales indican que para el año 2025, el océano contendrá una tonelada de plástico por cada tres toneladas de peces.
Algunas técnicas nucleares permiten medir el movimiento, el destino y el efecto de los microplásticos en los océanos y estudiar si es posible separarlos una vez ingeridos por animales marinos. También el uso de radiación ionizante emitida por los núcleos atómicos se puede emplear en el reciclado de plásticos.
Tokamak de ITER. Preparado para soportar en su interior temperaturas de 150 millones de grados centígrados.
Los núcleos pesados con un elevado número de protones y neutrones como el uranio o el plutonio se utilizan en las centrales nucleares de fisión para obtener energía libre de emisiones CO2 que puedan contribuir al calentamiento global y al cambio climático, aunque si que generan residuos radiactivos.
Por otra parte los núcleos ligeros como el deuterio, un isótopo del hidrógeno, o el helio pueden fusionarse y liberar grandes cantidades de energía sin emitir CO2 ni generar residuos radiactivos. Esta línea de investigación es la que colaboraciones como ITER están desarrollando para construir generadores de fusión nuclear de primera generación.
Propuesta de blindaje electrostático para una base lunar (NASA).
Los viajes espaciales tripulados son una realidad cada vez más cercana. Sin embargo, en el espacio exterior no existe una atmósfera terrestre que proteja a las naves espaciales de recibir radiación solar y radiación cósmica. Aunque este hecho no constituye un obstáculo importante para misiones de corta duración, la radiación se convierte en un inmenso problema si queremos vivir en el espacio de forma indefinida o viajar por el Sistema Solar.
Por ejemplo, en una misión tripulada a Marte los astronautas recibirían importantes dosis de radiación durante el transcurso del vuelo espacial que podrían provocar daños biológicos a sus organismos e incluso cáncer.
Por este motivo diferentes agencias espaciales, como la NASA o la ESA, tienen abiertas líneas de investigación en las cuales aplican técnicas de Física Nuclear para diseñar blindajes que protejan a las futuras tripulaciones de la radiación y también estudiar los efectos que la radiación produce en un viaje espacial.
Resonancia magnética que permite monitorizar la actividad cerebral.
La Medicina Nuclear es una especialidad de la medicina que utiliza aplicaciones de la Física Nuclear para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades. En la parte diagnóstica podemos encontrar técnicas como la Tomografía Computerizada (TC), la Resonancia Magnética Nuclear o la Tomografía por Emisión de Positrones (PET) que tienen como objetivo el estudio y la identificación de las posibles causas de una enfermedad.
Por otro lado, en la parte de tratamiento, encontramos técnicas como la radioterapia que emplean altas dosis de radiación para destruir células cancerosas y reducir tumores.
Recuerda revisar las respuestas de las preguntas abiertas al final de está página.
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Te recomendamos visitar el siguiente material para mayor conocimiento o entendimiento sobre el tema:
1. ¿Qué es la física nuclear?6. La idea del átomo, concebido como una unidad indivisible de materia.
7. La mecánica cuántica
8. Tomografía Computerizada (TC), Resonancia Magnética Nuclear y Tomografía por Emisión de Positrones (PET).
9. 10^-10 metros
10. El núcleo sería como un grano de arena en el centro de un campo de fútbol, mientras que los electrones estarían en las gradas.
Referencias:
1. Ibáñez, D., & Ibáñez, D. (2024, 7 octubre). La Física Nuclear y sus aplicaciones a tecnologías emergentes. EDEM Escuela de Empresarios. https://edem.eu/la-fisica-nuclear-y-sus-aplicaciones-a-tecnologias-emergentes/ https://edem.eu/la-fisica-nuclear-y-sus-aplicaciones-a-tecnologias-emergentes/
2. ¿Qué es la Física Nuclear? (s. f.). CPAN - Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear. https://www.i-cpan.es/es/content/%C2%BFqu%C3%A9-es-la-f%C3%ADsica-nuclear https://www.i-cpan.es/es/content/%C2%BFqu%C3%A9-es-la-f%C3%ADsica-nuclear
3. Nociones básicas de física nuclear - Rincón educativo. (2024, 13 diciembre). Rincón Educativo. https://rinconeducativo.org/es/recursos-educativos/nociones-basicas-fisica-nuclear/ https://rinconeducativo.org/es/recursos-educativos/nociones-basicas-fisica-nuclear/
4. Física_nuclear. (s. f.). Química.es. https://www.quimica.es/enciclopedia/Física_nuclear.html#google_vignette https://www.quimica.es/enciclopedia/Física_nuclear.html#google_vignette
5. Date un Vlog. (2019b, julio 7). ¿Cómo funciona una CENTRAL NUCLEAR? [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=_qgVKmOsqV8 https://www.youtube.com/watch?v=_qgVKmOsqV8
6. Hector Rago. (2020, 16 agosto). FISICA NUCLEAR: LO MÁS BÁSICO [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=CeQKUoYbESI https://www.youtube.com/watch?v=CeQKUoYbESI
7. Jóvenes Nucleares. (2020, 25 marzo). La fisión nuclear (en dos minutos) [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=V8mnJ5ri28w https://www.youtube.com/watch?v=V8mnJ5ri28w