VII. LA ENERG�A Y EL N�CLEO DEL �TOMO
YA A PRINCIPIOS del siglo, en 1902, Pierre y Marie Curie hab�an notado que cada �tomo de una sustancia radiactiva funciona como una fuente constante de energ�a; y poco despu�s, en 1903, Rutherford y Soddy hab�an hecho ver que esa energ�a sal�a del interior del �tomo y que deb�a de ser enorme comparada con la producida por cambios qu�micos. Ahora se sabe que esa energ�a proviene del n�cleo de los �tomos.
Pero �cu�l es el origen de toda esa energ�a del n�cleo del �tomo? Fue Albert Einstein (Fig. 30) quien en 1905 propuso una teor�a en la que se asevera que la energ�a y la masa son diferentes aspectos de lo mismo, y que la relaci�n se puede expresar por la siguiente ecuaci�n:
donde E representa la energ�a, m la masa y c la velocidad de la luz en el vac�o.
Esta ecuaci�n indica que la masa se puede transformar en energ�a y la energ�a
en masa y, adem�s, que una peque�a cantidad de masa se transforma en una cantidad
de energ�a verdaderamente asombrosa, pues el valor de c es una cantidad muy
grande, y al elevarla al cuadrado se vuelve enorme.
Como los n�cleos de los �tomos est�n formados de protones y neutrones, es de esperarse que la masa del n�cleo pudiera determinarse sumando la masa de ellos. Sin embargo, se demostr�, con gran sorpresa de los cient�ficos, que la masa total de un n�cleo es diferente de la suma de la masa de los protones y neutrones. Todos los n�cleos de los elementos ligeros, excepto el del hidr�geno, pesan menos que la suma de las masas de sus neutrones y protones.
Esta diferencia se conoce como defecto de masa. Y �en qu� se convierte el defecto
de masa? Al fusionarse los nucleones para formar un �tomo de helio-4 se desprende
una enorme cantidad de energ�a, conocida como energ�a de fusi�n. (V�ase la Fig.
31.)
Figura 31. Dos protones y dos neutrones son m�s pesados que el n�cleo del helio,
que est� formado precisamente por dos protones y dos neutrones; la diferencia
se transforma en energ�a.
Si en una reacci�n nuclear se produce una p�rdida de masa, la masa que ha desaparecido debe, de acuerdo con la ecuaci�n de Einstein, presentarse en forma de energ�a. Estas relaciones de masa y energ�a muestran la inmensa importancia del hecho de que la masa at�mica exacta de la. mayor�a de los is�topos no es un n�mero entero.
En el proceso de la desintegraci�n del radio, la energ�a se desprende muy poco a poco. La masa de los productos hijos es ligeramente menor que la masa del radio, pero esa peque�a fracci�n de masa se convierte en una cantidad enorme de energ�a.
De acuerdo con Einstein, para obtener la energ�a equivalente de un miligramo de materia nuclear, se requiere la combusti�n de m�s de 2 000 kilogramos de carb�n.
En general, la energ�a nuclear es millones de veces mas eficiente que la energ�a obtenida por la combusti�n al carb�n, pero el tiempo que se requiere para aprovecharla es muy largo. Habr�a que esperar 1 600 a�os para extraer la mitad de la energ�a proveniente de una muestra de radio, mientras que el calor producido por la combusti�n del carb�n se puede obtener mucho m�s r�pidamente. Sin embargo, la energ�a nuclear se puede liberar en forma muy r�pida mediante reacciones nucleares; una de ella es la reacci�n de fisi�n nuclear del uranio-235, de que ya hablamos (pp. 80-85), y otra es la reacci�n de fusi�n de los n�cleos ligeros, como los n�cleos de hidr�geno para formar n�cleos de helio.
�SE PUEDE APROVECHAR LA ENERG�A ENCERRADA EN EL �TOMO?
La energ�a nuclear se ha aprovechado en la Tierra desde hace miles de millones de a�os. Esta energ�a proviene principalmente del Sol, de la energ�a geot�rmica y, mucho m�s recientemente, se aprovecha la energ�a de la fisi�n del uranio-235.
La energ�a solar es en realidad energ�a nuclear que se produce en el centro del Sol y es irradiada a todo el sistema planetario.
Una teor�a afirma que la energ�a solar se deriva, en parte por lo menos, de una reacci�n en la que los n�cleos de helio se construyen directamente a partir de los n�cleos de hidr�geno y es, probablemente, la responsable de la generaci�n de energ�a en la mayor�a de los astros. En algunas estrellas, sin embargo, se cree que existen otras reacciones nucleares m�s importantes que son la causa de la energ�a de estos astros. En estas reacciones nucleares participan otros elementos ligeros. El interior de tales estrellas, aunque muy caliente, no lo es suficientemente para permitir que el hidr�geno se convierta en helio.
La Tierra aprovecha s�lo una peque��sima fracci�n de esta energ�a solar: menos de 1 parte de cada 10 000 de las radiaciones que emite el Sol.
Sin el calor de la radiactividad es probable que no existiera en la Tierra ni atm�sfera ni oc�anos. La historia de la Tierra es una historia de calor en la que se ha gastado una cantidad inmensa de energ�a en la construcci�n de monta�as, volcanes y otros fen�menos que han formado los continentes, los oc�anos y la atm�sfera. Exceptuando la energ�a superficial que proviene del Sol, el resto de la energ�a de la Tierra proviene de su interior. Esta energ�a t�rmica tiene su origen en dos fuentes principales: el calor heredado de la formaci�n de la Tierra y el calor generado por transformaciones nucleares.
Esta energ�a geot�rmica proviene del centro de la Tierra; su temperatura aumenta en profundidad a partir de una l�nea llamada isogeoterma. A partir de ella, la temperatura aumenta a raz�n de 1 grado cent�grado por cada 33 metros de profundidad, lo cual provoca la formaci�n del magma, que es un fluido a temperaturas enormes que se encuentra en las profundidades de la Tierra. La energ�a nuclear que permite este calentamiento del magma y esa enorme energ�a encerrada en la Tierra es producida por la radiactividad de los is�topos inestables, que al irse desintegrando depositan su energ�a en sus alrededores, calentando as� las vecindades del n�cleo desintegrado.
Energ�a producida por la fisi�n del uranio-235
Seguramente cuando Einstein encontr� la ecuaci�n que relaciona la masa y la energ�a nunca imagin� que se pudiera comprobar alg�n d�a si era v�lida; pero ahora la cantidad de energ�a que se produce en el proceso de fisi�n nuclear de un �tomo de uranio-235 proporciona la prueba de su ecuaci�n.
La energ�a contenida en un kilo de uranio equivale a la producida por la combusti�n de millones de kilogramos de carb�n. Sin embargo, no es tan sencillo utilizar esta energ�a como parece a simple vista.
La manera de extraer energ�a del uranio es muy diferente a aquella utilizada tradicionalmente para extraer energ�a de la combusti�n de carb�n, gasolina, madera, etc. Si esperamos a que la radiaci�n alfa que emite el uranio libere la mitad de la energ�a que tiene encerrada en su n�cleo, se requerir�an miles de millones de a�os de espera. Para extraer en forma eficiente la energ�a del uranio se requieren los reactores nucleares, en donde, en forma controlada, por medio del proceso de fisi�n del uranio-235 se libera una enorme cantidad de energ�a del n�cleo del �tomo. As� pues, s�lo si se dispone de los reactores nucleares adecuados y de otras instalaciones es posible aprovechar este elemento.
El uranio-235 se fisiona mucho m�s f�cilmente que el uranio-238, ya que este
�ltimo is�topo del uranio s�lo suele capturar neutrones sin producir fisi�n;
pero desafortunadamente el uranio natural est� formado principalmente por uranio-238
en un 99.27% y uranio-235 en un 0.72%.
De hecho, el n�cleo del uranio-235 es bastante inestable: esto es, se encuentra bajo una tensi�n pr�xima a la rotura interna; por esto, un neutr�n que se le acerque puede fisionarlo r�pidamente.
A fin de hacer posible el aprovechamiento del uranio para producir energ�a, en ocasiones se requiere aumentar el porcentaje de uranio-235, procedimiento que se denomina enriquecimiento de uranio en uranio-235.
El reactor nuclear libera la energ�a nuclear del uranio-235 en forma de calor, el calor se emplea para producir vapor de agua y el vapor para generar electricidad con un equipo el�ctrico convencional.
