Un cambio nuclear consiste en la modificación del número de partículas (protones y neutrones) de los núcleos que forman los átomos de los elementos químicos. Cuando se presenta un cambio de este tipo, existen grandes cantidades de energía asociadas a él, debido a que son muy grandes las fuerzas que mantienen unidas las partículas en los núcleos.

La radiactividad es el resultado de un cambio nuclear. Todos los núcleos de los elementos químicos tienen una estructura específica y generalmente estable cuando es igual el número de protones (partículas con carga positiva) y neutrones (partículas sin carga), pero a medida que se incrementa el tamaño y peso del núcleo, se provoca una inestabilidad en él, debido a las fuerzas de repulsión de los protones, lo que da origen a la radiactividad. Ésta se presenta de tres maneras, como emisión de partículas alfa (D), beta (E) y emisión de radiaciones gama (J).

La radiactividad puede utilizarse para establecer la edad de fósiles o restos arqueológicos, ya que existen detectores sumamente sensibles que pueden medir los cambios nucleares presentados en la estructura original de los objetos. La medicina nuclear utiliza compuestos radiactivos como marcadores con propósitos de diagnóstico o para el tratamiento de enfermedades.

Además de la radiactividad, existen otros tipos de cambios nucleares: la fisión y la fusión nuclear. La fisión consiste en la separación o rompimiento de un núcleo pesado para formar dos núcleos más ligeros. La fusión nuclear es el proceso inverso ya que consiste en obtener un núcleo más pesado a partir de la unión de dos ligeros. En ambos casos, para iniciar el proceso se requiere gran cantidad de energía, pero la cantidad de energía que se libera es mucho mayor.

En los reactores nucleares se aprovecha la fisión para producir energía eléctrica en gran escala. Las bombas atómicas como las que se hicieron estallar en 1945 en Japón, son ejemplos en los que la fisión nuclear se utilizó con fines destructivos.

Un ejemplo de fusión nuclear que ocurre continuamente a nuestro alrededor es el que produce la energía solar.

Muchos de los grandes sabios, sobre todo del siglo pasado, murieron con la frustración de no poder explicarse qué pasa en el Sol.

Es fácil entender que la cantidad de energía que la Tierra recibe del Sol en forma de luz y calor es inmensa, capaz de conservar la temperatura suficiente para la vida. Sin embargo, la energía que sale de la esfera solar se dispersa hacia todos lados, de modo que la Tierra capta una mínima parte respecto de la cantidad total producida.

Si bien el Sol es mucho más grande que la Tierra, este gasto de energía lo hubiera consumido por completo si su combustible fuera del tipo que usamos en nuestro planeta. Durante un tiempo se pensó que estaría formado simplemente por un combustible desconocido en la Tierra; sin embargo, la espectroscopía mostró que el Sol está formado preferentemente por hidrógeno, un elemento muy abundante en el planeta.

¿Qué clase de cambio ocurre en el hidrógeno para que se genere tanta energía?

La respuesta está en un cambio que sucede a nivel nuclear: Aun cuando las reacciones en el Sol son muy complejas, la más importante de ellas se debe a la fusión nuclear.

En las condiciones generadas por la inmensa fuerza gravitacional debida a la masa del Sol. Y la altísima temperatura en su interior, los núcleos de hidrógeno se juntan para formar núcleos de helio (He); parte de la masa de los núcleos de hidrógeno se convierte en energía, siendo ésta la fuente de la energía que emite el Sol. El hidrógeno que aún tiene el astro, a pesar de que ha brillado por cinco mil millones de años, le será suficiente para seguir emitiendo energía al menos por otro periodo semejante.

Los cambios nucleares ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo de manera natural, sin que nos percatemos, y son hasta cierto punto inofensivos. La ciencia ha aprendido a producir estos cambios artificialmente, creando plantas nucleares, con la finalidad de resolver el problema de los energéticos; sin embargo, se requiere establecer numerosas medidas de seguridad ya que un accidente en su funcionamiento puede traer consecuencias desastrosas para la humanidad, como ha ocurrido en algunos países.

Algo importante que debes observar es que en el caso de los cambios nucleares, las leyes de conservación, tanto de la materia como de la energía, se reúnen por la posibilidad de transformar una en otra.

En 1905 Albert Einstein (1879-1955), uno de los científicos más sobresalientes de la historia de la humanidad, expresó una teoría sorprendente para su época, la cual afirma que en realidad la materia y la energía son dos formas diferentes de lo mismo y se pueden transformar entre sí. Lo anterior se representa en la siguiente fórmula, cuya belleza consiste en su sencillez y profundidad:

E = mc²

Para determinar la cantidad de energía que se produce en una reacción nuclear, se aplica la ecuación anterior, que significa que la energía (E) producida a partir de una porción de materia es igual a su masa (m), multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (c). Así por ejemplo, 1 g de uranio produce tanta energía como las que produciría 2,600,000 kg de carbón al quemarse. Una pequeñísima cantidad de materia se convierte en cantidades enormes de energía; esto es lo que ocurre en el Sol. Así es explicable que se diga que la materia es energía concentrada.

Traduciendo lo anterior a lo que se conoce como la Ley de la Conservación de la Materia y la Energía se llega al siguiente enunciado: “La cantidad total de materia y energía del universo no aumenta ni disminuye (no se crea ni se destruye); no obstante, la materia y la energía pueden transformarse entre sí”.

ACTIVIDAD DE REGULACIÓN

1. A continuación te presentamos un cuadro en el cual deberás indicar a qué tipo de cambio (Físico, Químico o Nuclear) corresponden los fenómenos y/o actividades que están en la primer columna, para ello puedes emplear una “X”.

EXPLICACIÓN INTEGRADORA

Desde que el hombre comenzó a notar que a su alrededor ocurrían cambios, intentó de alguna manera controlarlos. Así, al dominar el fuego se anotó el primer acierto respecto al control de los cambios. Más adelante aprendió a fabricar herramientas rudimentarias y con el tiempo a extraer metales. En la Edad Media los alquimistas intentaban fabricar fórmulas mágicas para obtener juventud eterna o pretendían transformar tierra o carbón en metales o piedras preciosas. En realidad todos estos intentos no fueron otra cosa más que tratar de controlar los cambios.

Fue hasta finales del siglo XVIII cuando Antoine L. Lavoisier y algunos de sus contemporáneos comenzaron a realizar estudios sistemáticos sobre la forma en que se verificaban los cambios, dando a la Química un carácter de ciencia experimental al introducir en ella la cuantificación.

La Química tiene como propósito controlar y cuantificar los cambios. La aplicación de los conocimientos químicos impulsa el desarrollo de la tecnología y constituye gran parte del poder económico de un país. Para darte cuenta de la importancia de la química en la vida cotidiana, no hay más que dar un vistazo a todos los procesos donde esta ciencia tiene un papel importante a nivel económico, político y social, por ejemplo:

La industria del petróleo es fundamentalmente química, ya que después de la extracción se lleva a cabo los procesos de refinación y transformación en una gran cantidad de subproductos útiles para la vida cotidiana como son los plásticos, los aceites, la gasolina, el gas, etcétera.

La industria química produce reactivos y una gran cantidad de productos necesarios para el desarrollo de otras industrias, tales como: ácidos, bases, sales, fertilizantes, detergentes, etcétera.

La industria alimentaria utiliza aditivos, colorantes, saborizantes, etc., en el procesamiento de los alimentos.

La industria farmaceútica produce medicamentos y otros muchos productos necesarios para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.

La industria metalúrgica produce metales y aleaciones de alta pureza, gracias al tratamiento químico de los minerales extraídos de las minas.

Los anteriores son sólo algunos ejemplos de la importancia de los cambios químicos y éstos de alguna manera representan el índice de desarrollo de un país, ya que actualmente nuestra forma de vida depende en gran parte de la fabricación de estos productos y muchos más.

El hierro se ha usado para construir puentes desde hace ya mucho tiempo, pero debe hacerse un proceso de mantenimiento que incluye darle una mano de pintura, porque si no, después de un cierto tiempo, pierde sus características estructurales. ¿Cómo podríamos saber qué es lo que pasa cuando el hierro se oxida?. Una forma de explicarlo es pensar que el hierro reacciona si se le agrega algo y se forma (sintetiza) un compuesto. Veamos qué tan cierto es esto.

En tres vasos de precipitados de 100mL coloca agua (H2O) 50 mL en c/u de ellos. A uno de ellos agrégale una cucharada de carbonato de sodio (Na CO₃) y a otro ácido

2 clorhídrico, llamado comercialmente ácido muriático (HCI). En cada uno coloca un clavo nuevo previamente pesado, el cual es de hierro (Fe). Deja pasar tres o cuatro días y anota las observaciones en tu cuaderno. En seguida saca los clavos de los vasos y pésalos nuevamente.

Las discusiones pueden ser muy variadas. Si observas bien, verás que el clavo en la solución de ácido clorhídrico se ha cubierto de una sustancia semejante a la que se forma en el hierro de los puentes o en la lámina de los coches viejos. En esta experiencia has reproducido, en el laboratorio, lo que sucede en la realidad y has usado la síntesis controlada para aumentar tu conocimiento de un fenómeno natural, en este caso la oxidación de hierro. ¿A qué se deben los diferentes pesos registrados antes y después del experimento?.

Algunas sustancias son producidas por procesos de síntesis de una forma natural. Estas síntesis han llegado a ser tan importantes que ahora se efectúan en los laboratorios y también se producen sustancias que antes no existían, y con ello se supera la propia naturaleza.

Aquí queremos aprovechar este momento para que reflexiones sobre la importancia que tiene la posibilidad de crear nuevos materiales.

Indudablemente hay materiales cuyas características de duración son muy benéficas, pero un uso indiscriminado, sin cuidado y responsabilidad, puede ser dañino a la propia naturaleza. Un ejemplo es el plástico que se usa para bolsas, o para envasar diferentes productos. Resulta tan “durable” que una vez usado y arrojado al basurero simplemente no se descompone, porque no es degradable en condiciones naturales, sea por desgaste o porque se descomponga por la acción de organismos vivos (biodegradable).

La industria ya está buscando materiales con estas características, porque los materiales no degradables están cubriendo la superficie terrestre. ¿Qué sería del hombre y los demás seres vivos si cubrimos la Tierra con envases plásticos desechables y prácticamente eternos?.