Las estrellas: como están formadas.
Una estrella es un cuerpo celeste constituido por una esfera de plasma en continuo proceso de colapso, aunque la interacción de diversas fuerzas internas equilibra dicho proceso en equilibrio hidrostático, generando a su vez energía mediante fusión termonuclear. La energía generada se emite al espacio en forma de radiación electromagnética y neutrinos. Son los únicos objetos celestes que emiten luz propia. Las estrellas se componen sobre todo de hidrógeno y helio, con una cantidad variable de elementos más pesados.
Gran parte de lo conocido acerca de las estrellas viene del estudio de las nebulosas. Las estrellas nacen en nebulosas como la Nebulosa de Orión mientras que otras como la Nebulosa del Cangrejo son los restos de una estrella que ha explotado. Cuando una estrella muere devuelve el material que la forma a lespacio interestelar. Esto incluye elementos pesados que más tarde formaran nuevas estrellas o planetas.
Muchas estrellas son atraídas gravitacionalmente a otras estrellas formando sistemas binarios. Las estrellas no están distribuidas uniformemente en el universo, sino que, típicamente, están agrupadas en galaxias. Una galaxia gigante típica (como la nuestra) contiene cientos de miles de millones estrellas.
El Sol es tomada como la estrella prototípica, no porque sea especial en ningún sentido, sino porque es la más cercana a la Tierra y por tanto la más estudiada. La mayoría de las características de las estrellas se suelen medir en unidades solares. Por ejemplo, la masa del Sol es:
Msol = 1.9891 × 1030 kg
Las masas de las otras estrellas se suelen dar en Msol
La evolución estelar explica como las estrellas se crean y mueren.
Hay diferentes clasificaciones de estrellas que van desde el tipo O (muy grandes y brillantes) hasta el tipo M (el cual, frecuentemente, es justo lo suficientemente grande para provocar la fusión del hidrógeno). El Sol es del tipo G2.
Plasma (estado de la materia)
En física y química, el concepto de plasma es un estado de la materia donde algunos o todos los electrones han sido separados de las órbitas externas del átomo. El resultado es una colección de iones(átomos que al perder electrones adquieren carga positiva) y electrones (de carga negativa) que no están ligados el uno al otro. Se da a altas temperaturas, como por ejemplo en el interior de las estrellas. A partir de cierta temperatura (que depende de la presión y de otros factores), los átomos ya no pueden conservar sus electrones y éstos se mueven libremente, formando una especie de «gas» de electrones y núcleos. Sus propiedades físicas son parecidas a las de un gas muy denso.
El plasma es también llamado gas ionizado.
El término plasma es normalmente reservado a un sistema de partículas cargadas, lo suficientemente grandes para tener un comportamiento colectivo. Un pequeño número de iones y electrones no es, usualmente, llamado plasma.
Como las nebulosas y las estrellas están formadas de plasma, es la forma de materia más común del universo visible (más del 99%).
El plasma fue identificado como forma de materia por Sir William Crookes en 1879, pero la palabra "plasma" fue aplicada por primera vez al gas ionizado por el Dr. Irving Langmuir.
La primera vez que se consiguió crear plasma artificialmente fue en un tokamak( aparato construido para obtener la fusión del plasma), del CERN en Ginebra (Suiza), en un experimento destinado a fabricar un reactor de fusión nuclear.
Fusión nuclear
En física nuclear y química nuclear, la fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen para formar un núcleo más pesado. Se acompaña de la liberación o absorción de una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.
La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro, libera energía en general, mientras que la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía; y viceversa para el proceso inverso, fisión nuclear. En el caso más simple de fusión del hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía.
La fusión nuclear se produce de forma natural en las estrellas. La fusión artificial también se ha logrado en varias empresas humanas, aunque todavía no ha sido totalmente controlada. Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford conducidos unos pocos años antes, la fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno) fue observada por primera vez por Mark Oliphant en 1932; los pasos del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas posteriormente fueron elaborados por Hans Bethe durante el resto de esa década. La investigación sobre la fusión para fines militares se inició en la década de 1940 como parte delProyecto Manhattan, pero no tuvo éxito hasta 1952. La investigación sobre la fusión controlada con fines civiles se inició en la década de 1950, y continúa hasta este día.
Descripción general
Las reacciones de fusión dan energía a las estrellas y producen todos los elementos, excepto los más ligeros, en un proceso llamado nucleosíntesis. Aunque la fusión de los elementos más ligeros en las estrellas libera energía, la producción de los elementos más pesados absorbe energía.
Cuando la reacción de fusión es una cadena sostenida y fuera de control, puede resultar en una explosión termonuclear, como la generada por unabomba de hidrógeno. Las reacciones que no son autosuficientes aún pueden liberar una energía considerable, así como un gran número de neutrones.
Las investigaciones sobre la fusión controlada llevan más de 50 años persiguiendo el objetivo de obtener energía de fusión para la producción de electricidad. Este proceso ha estado repleto de extremas dificultades científicas y tecnológicas, pero esto se ha traducido en progreso. En la actualidad, las reacciones equilibradas y controladas (autosuficientes) de fusión, no han podido ser demostradas en los pocos reactores de tipotokamak que hay en el mundo.1 Está previsto que en torno al año 2018 entren en funcionamiento diseños viables para un reactor que, teóricamente, generará diez veces más energía de la requerida para calentar el plasma a la temperatura necesaria (ver ITER).
Se necesita mucha energía para forzar a los núcleos a fusionarse, incluso los del elemento más ligero, el hidrógeno. Esto se debe a que todos los núcleos tienen una carga positiva (debido a sus protones), y como las cargas iguales se repelen, los núcleos se resisten con fuerza a que se los ponga demasiado juntos. Acelerados a altas velocidades (esto es, calentados a temperaturas termonucleares), pueden superar esta repulsión electromagnética y acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte sea lo suficientemente grande como para lograr la fusión. La fusión de núcleos más ligeros, que crea un núcleo más pesado y un neutrón libre, en general libera más energía de la que se necesita para forzar a los núcleos a acercarse; se trata de una reacción exotérmica que puede producir reacciones autosuficientes.
La energía liberada en la mayoría de las reacciones nucleares es mucho mayor que en las reacciones químicas, porque la energía de enlace que mantiene unido un núcleo es mucho mayor que la energía que mantiene unido al núcleo con un electrón. Por ejemplo, la energía de ionización ganada con la adición de un electrón a un átomo de hidrógeno es 13.6 electrón-voltios—menos de una millonésima de los 17 MeV liberada en la reacción DT (deuterio-tritio), reacción que se muestra en el diagrama de la derecha. Las reacciones de fusión tienen una densidad de energía muchas veces mayor que la fisión nuclear, es decir, las reacciones producen mucha más energía por unidad de masa a pesar de que las reacciones de fisiónindividuales son generalmente mucho más enérgicas que las reacciones de fusión individuales, que a su vez son millones de veces más enérgicas que las reacciones químicas. Sólo la conversión directa de la masa en energía, como la causada por la colisión de la materia y la antimateria, es más energética por unidad de masa que la fusión nuclear.
Condiciones necesarias para que se produzca la fusion nuclear
Antes de que la fusión pueda tener lugar, debe superarse una importante barrera de energía producida por la fuerza electrostática. A grandes distancias dos núcleos se repelen entre sí debido a la fuerza de repulsión electrostática entre sus protones cargados positivamente. Si dos núcleos pueden ser acercados lo suficiente, sin embargo, la repulsión electrostática se puede superar debido a la interacción nuclear fuerte, que es más fuerte en distancias cortas.
Cuando se añade un nucleón como un protón o un neutrón a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a otros nucleones, pero principalmente a sus vecinos inmediatos, debido al corto alcance de esta fuerza. Los nucleones en el interior de un núcleo tienen más vecinos nucleones que los de la superficie. Ya que los núcleos más pequeños tienen una mayor relación entre área de superficie y volumen, la energía de enlace por nucleón debido a la fuerza nuclear por lo general aumenta con el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente a la de un núcleo con un diámetro de cerca de cuatro nucleones.
La fuerza electrostática, por otra parte, es una fuerza inversa del cuadrado de la distancia, así que un protón añadido a un núcleo sentirá una repulsión electrostática de todos los otros protones en el núcleo. La energía electrostática por nucleón, debido a la fuerza electrostática por tanto, aumenta sin límite cuando los núcleos se hacen más grandes.
En distancias cortas, la interacción nuclear fuerte (atracción) es más fuerte que la fuerza electrostática (repulsión). Así, la mayor dificultad técnica para la fusión es conseguir que los núcleos se acerquen lo suficiente para fusionar. Las distancias no están a escala..
El resultado neto de estas fuerzas opuestas es que la energía de enlace por nucleón generalmente aumenta con el tamaño del núcleo, hasta llegar a los elementos hierro yníquel, y un posterior descenso para los núcleos más pesados. Finalmente, la energía de enlace se convierte en negativa y los núcleos más pesados (con más de 208 nucleones, correspondientes a un diámetro de alrededor de 6 nucleones) no son estables. Los cuatro núcleos más estrechamente unidos, en orden decreciente de energía de enlace, son 62Ni,58Fe, 56Fe, y 60Ni.2 A pesar de que el isótopo de níquel, 62Ni, es más estable, el isótopo de hierro 56Fe es una orden de magnitud más común. Esto se debe a una mayor tasa de desintegración de 62Ni en el interior de las estrellas impulsado por la absorción de fotones.
Una notable excepción a esta tendencia general es el núcleo helio-4, cuya energía de enlace es mayor que la del litio, el siguiente elemento más pesado. El principio de exclusión de Pauli proporciona una explicación para este comportamiento excepcional, que dice que debido a que los protones y los neutrones son fermiones, no pueden existir en el mismo estado. Helio-4 tiene una energía de enlace anormalmente grande debido a que su núcleo está formado por dos protones y dos neutrones, de modo que sus cuatro nucleones puede estar en el estado fundamental. Cualquier nucleón adicionales tendrían que ir en estados de energía superiores.
Fisión nuclear
En física nuclear, la fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía).
MECANISMO EN QUE SE PRODUCE
La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico lo que supone que se liberan cantidades sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que la liberada en las reacciones químicasconvencionales, en las que están implicadas las cortezas electrónicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación gamma como de energía cinética de los fragmentos de la fisión, que calentarán la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzca la fisión.
La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con una partícula de la energía correcta; la otra partícula es generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndolo inestable (como una pirámide de naranjas en el supermercado llega a ser inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la velocidad correcta). El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media de dos y medio por reacción), y algunos fotones.
Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos. Los elementos que se producen son resultado del azar, pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones del átomo fisionado original.
Los productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos, no son isótopos estables; estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de desintegración.
[]Fisión fría y rotura de pares de nucleones
La mayor parte de las investigaciones sobre fisión nuclear se basa en la distribución de masa y energía cinética de los fragmentos de fisión. Sin embargo, esta distribución es perturbada por la emisión de neutrones por parte de los fragmentos antes de llegar a los detectores.
Aunque con muy baja probabilidad, en los experimentos se ha detectado eventos de fisión fría, es decir fragmentos con tan baja energía de excitación que no emiten neutrones. Sin embargo, aún en esos casos, se observa la rotura de pares de nucleones, la que se manifiesta como igual probabilidad de obtener fragmentos con número par o impar de nucleones. Los resultados de estos experimentos permiten comprender mejor la dinámica de la fisión nuclear hasta el punto de escisión, es decir, antes de que se desvanezca la fuerza nuclear entre los fragmentos.
Induciendo la fisión
La fisión nuclear de los átomos fue descubierta en 1938 por los investigadores alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann a partir del trabajo desarrollado por el propio Hahn junto a Lise Meitner durante años anteriores. Por este descubrimiento recibió en 1944 el Premio Nobel de química, pero el trabajo de Meitner quedó sin reconocimiento. El estudio de la fisión nuclear se considera parte de los campos de la química y la física.
§ Aunque la fisión es prácticamente la desintegración de materia radioactiva, comenzada a menudo de la manera más fácil posible (inducido), que es la absorción de un neutrón libre, puede también ser inducida lanzando otras cosas en un núcleo fisionable. Estas otras cosas pueden incluir protones, otros núcleos, o aún los fotones de gran energía en cantidades muy altas (porciones de rayos gamma).
§ Muy rara vez, un núcleo fisionable experimentará la fisión nuclear espontánea sin un neutrón entrante.
§ Cuanto más pesado es un elemento más fácil es inducir su fisión. La fisión en cualquier elemento más pesado que el hierro produce energía, y la fisión en cualquier elemento más liviano que el hierro requiere energía. Lo contrario también es verdad en las reacciones de fusión nuclear (la fusión de los elementos más livianos que el hierro produce energía y la fusión de los elementos más pesados que el hierro requiere energía).
§ Los elementos más frecuentemente usados para producir la fisión nuclear son el uranio y el plutonio. El uranio es el elemento natural más pesado; el plutonio experimenta desintegraciones espontáneas y tiene un período de vida limitado. Así pues, aunque otros elementos pueden ser utilizados, estos tienen la mejor combinación de abundancia y facilidad de fisión.
Reacción en cadena
Una reacción en cadena ocurre como sigue: un acontecimiento de la fisión empieza lanzando 2 ó 3 neutrones en promedio como subproductos. Estos neutrones se escapan en direcciones al azar y golpean otros núcleos, incitando a estos núcleos para experimentar la fisión. Puesto que cada acontecimiento de la fisión lanza 2 o más neutrones, y estos neutrones inducen otras fisiones, el proceso se construye rápidamente y causa la reacción en cadena. El número de los neutrones que se escapan de una cantidad de uranio depende de su área superficial. Solamente los materialesfisibles son capaces de sostener una reacción en cadena sin una fuente de neutrones externa.
Masa crítica
La masa crítica es la mínima cantidad de material requerida para que el material experimente una reacción nuclear en cadena. La masa crítica de un elemento fisionable depende de su densidad y de su forma física (barra larga, cubo, esfera, etc.). Puesto que los neutrones de la fisión se emiten en direcciones al azar, para maximizar las ocasiones de una reacción en cadena, los neutrones deberán viajar tan lejos como sea posible y de esa forma maximizar las posibilidades de que cada neutrón choque con otro núcleo. Así, una esfera es la mejor forma y la peor es probablemente una hoja aplanada, puesto que la mayoría de los neutrones volarían de la superficie de la hoja y no chocarían con otros núcleos.
También es importante la densidad del material. Si el material es gaseoso, es poco probable que los neutrones choquen con otro núcleo porque hay demasiado espacio vacío entre los átomos y un neutrón volaría probablemente entre ellos sin golpear nada. Si el material se pone bajo alta presión, los átomos estarán mucho más cercanos y la probabilidad de una reacción en cadena es mucho más alta. La alta compresión puede ser alcanzada poniendo el material en el centro de una implosión, o lanzando un pedazo de ella contra otro pedazo de ella muy fuertemente (con una carga explosiva, por ejemplo). Una masa crítica del material que ha comenzado una reacción en cadena se dice que se convierte en supercrítica.
]Moderadores
Únicamente con juntar mucho uranio en un sólo lugar no es suficiente como para comenzar una reacción en cadena. Los neutrones son emitidos por un núcleo en fisión a una velocidad muy elevada. Esto significa que los neutrones escaparán del núcleo antes de que tengan oportunidad de golpear cualquier otro núcleo (debido a un efecto relativista).
Un neutrón de movimiento lento se llama neutrón térmico y solamente esta velocidad del neutrón puede inducir una reacción de fisión. Así pues, tenemos cuatro velocidades de neutrones:
§ Un neutrón (no-térmico) rápidamente se escapará del material sin la interacción;
§ Un neutrón de velocidad mediana será capturado por el núcleo y cambiará el material en un isótopo (pero no induciría la fisión).
§ Un neutrón de movimiento lento (térmico) inducirá a un núcleo a que experimente la fisión.
§ Un neutrón móvil realmente lento será capturado o escapará, pero no causará fisión.
Algunos años antes del descubrimiento de la fisión, la manera acostumbrada de retrasar los neutrones era hacerlos pasar a través de un material depeso atómico bajo, tal como un material hidrogenoso. El proceso de retraso o de moderación es simplemente una de las colisiones elásticas entre las partículas de alta velocidad y las partículas prácticamente en reposo. Cuanto más parecidas sean las masas del neutrón y de la partícula pulsada, mayor es la pérdida de energía cinética por el neutrón. Por lo tanto los elementos ligeros son los más eficaces como moderadores del neutrón.
A unos cuantos físicos en los años 30 se les ocurrió la posibilidad de mezclar el uranio con un moderador: si fuesen mezclados correctamente, los neutrones de alta velocidad de la fisión podrían ser retrasados al rebotar de un moderador, con la velocidad correcta, para inducir la fisión en otros átomos de uranio. Las características de un buen moderador son: peso atómico bajo y baja o nula tendencia a absorber los neutrones. Los moderadores posibles son entonces el hidrógeno, helio, litio, berilio, boro y carbono. El litio y el boro absorben los neutrones fácilmente, así que se excluyen. El helio es difícil de utilizar porque es un gas y no forma ningún compuesto. La opción de moderadores estaría entonces entre el hidrógeno,deuterio, el berilio y el carbono. Fueron Enrico Fermi y Leó Szilárd quienes propusieron primero el uso de grafito (una forma de carbono) como moderador para una reacción en cadena. El deuterio es el mejor tecnológicamente (introducido en el agua pesada), sin embargo el grafito es mucho más económico.
Te felicito por tan vasta explicación, muy completa y entendible
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