La física nuclear és una branca de la física que s'ocupa de l'estudi dels nuclis atòmics, les partícules subatòmiques i les interaccions nuclears. Se centra a comprendre l'estructura i les propietats dels nuclis atòmics, així com les forces i les reaccions nuclears que hi passen.
La física nuclear abasta una àmplia gamma de temes, que inclouen la desintegració radioactiva, la fissió nuclear, la fusió nuclear, la radioactivitat, les interaccions de partícules carregades amb la matèria, les reaccions nuclears induïdes i la producció d'energia a través de processos nuclears .
També s'investiga la formació i la desintegració d'isòtops i la generació d'elements a l'Univers, així com la radiació i els seus efectes sobre la matèria i els éssers vius.
Els avenços en la física nuclear han portat al desenvolupament d'aplicacions pràctiques en diversos camps, com ara la generació d'energia nuclear, la medicina nuclear, la datació per radiocarboni, la investigació en astrofísica i la producció de materials i radioisòtops per a ús industrial i mèdic.
Què estudia la física nuclear?
La física nuclear abasta diversos temes fonamentals. A continuació, s'esmenten alguns dels temes principals relacionats amb aquesta disciplina:
Estructura nuclear
En l'àmbit de l'estructura nuclear, la física nuclear estudia la composició i les propietats dels nuclis atòmics, incloent la seva grandària, forma, càrrega, moment magnètic i distribució de càrrega.
També s'hi investiga l'estructura interna dels nuclis i com estan organitzats els protons i neutrons dins d'ells.
Desintegració radioactiva
Examina els processos mitjançant els quals els nuclis inestables es desintegren emetent partícules i radiació. S'estudien els diferents tipus de desintegració, com ara:
-
L'emissió de partícules alfa.
-
L'emissió de radiació beta.
-
La desintegració gamma.
Reaccions nuclears
Els físics nuclears s'ocupen de la investigació de les interaccions entre nuclis i partícules subatòmiques. Això inclou dos tipus de reaccions:
-
La fissió nuclear, on un nucli pesant es divideix en dos o més fragments
-
La fusió nuclear, on dos nuclis lleugers es combinen per formar-ne un de més pesat. S'exploren les condicions i els factors que afecten aquestes reaccions.
Models nuclears
El desenvolupament de models teòrics i matemàtics per descriure i predir el comportament dels nuclis atòmics es fa mitjançant la física nuclear.
Aquests models inclouen el model de capes, el model de gota líquida i el model de partícules, que proporcionen diferents perspectives sobre l'estructura i les propietats nuclears.
Energia nuclear
La física nuclear inclou lestudi de la generació denergia elèctrica a través de reaccions nuclears, com la fissió i la fusió nuclear.
En aquest camp s'investiguen les aplicacions de l'energia nuclear a la producció d'electricitat, els reactors nuclears i les tecnologies relacionades. S'hi inclouen els desafiaments associats amb la seguretat i el maneig de les deixalles nuclears.
Medicina nuclear
Aquest camp de la física inclou es concentra en laplicació de la tecnologia nuclear en la medicina. La medicina nuclear inclou conceptes com la producció de radioisòtops per a diagnòstic i tractament de malalties, la imatgeologia nuclear i la teràpia amb radiació.
Astrofísica nuclear
L'astrofísica nuclear és l'estudi dels processos nuclears que tenen lloc a les estrelles, com la nucleosíntesi estel·lar, on es produeixen elements més pesants a partir de reaccions nuclears.
7 Exemples de física nuclear
Aquí tens alguns exemples de fenòmens i aplicacions de la física nuclear:
-
Sistemes de datació d'elements arqueològics mitjançant la desintegració radioactiva: Un exemple clàssic de física nuclear és la desintegració radioactiva. El decaïment de l'isòtop radioactiu del carboni-14 (C-14) es fa servir per determinar l'edat d'objectes arqueològics i geològics.
-
Font d'energia tèrmica a les centrals nuclears: La fissió nuclear és el procés en el qual un nucli pesant, com l'urani-235 (U-235), es divideix en dos nuclis més petits, alliberant una gran quantitat d'energia en forma de calor i radiació. Aquest fenomen és la base dels reactors nuclears i les bombes nuclears.
-
L'energia que genera el Sol: La fusió nuclear és el procés en el qual dos nuclis lleugers, com els deuteri i el triti, es combinen per formar un nucli més pesat, alliberant una enorme quantitat d'energia. La fusió nuclear és la font d'energia a l'interior del Sol i es vol replicar aquest procés a la Terra per generar energia neta i sostenible.
-
Producció d'isòtops i radioisòtops per a la medicina nuclear: La física nuclear s'utilitza per produir isòtops i radioisòtops radioactius utilitzats en diverses aplicacions. Per exemple, el tecneci-99m (Tc-99m) és un radioisòtop àmpliament utilitzat en medicina nuclear per al diagnòstic de malalties.
-
Imatge nuclear: La tomografia per emissió de positrons (PET) i la tomografia computada d'emissió de fotó únic (SPECT) són tècniques d'imatgeologia nuclear que s'utilitzen en medicina per obtenir imatges detallades de l'interior del cos i diagnosticar malalties.
-
La nucleosíntesi estel·lar és el procés mitjançant el qual es formen elements més pesants al nucli de les estrelles. Aquest és un exemple de com la física nuclear ens ajuda a entendre com es produeixen elements químics al cosmos.
-
Teràpia per al tractament del càncer: La física nuclear s'utilitza a la teràpia amb radiació per al tractament del càncer. La radioteràpia utilitza feixos de radiació ionitzant per danyar i destruir les cèl·lules canceroses, mentre es minimitza el dany a les cèl·lules sanes circumdants.
Quins són els físics nuclears més importants de la història?
A continuació, s'esmenten alguns dels científics més importants a l'àmbit de la física nuclear:
- Ernest Rutherford (1871-1937): Considerat un dels pares de la física nuclear, Rutherford va realitzar experiments clau que van conduir al descobriment del nucli atòmic i va proposar el model planetari de l'àtom.
- Marie Curie (1867-1934): Pionera al camp de la radioactivitat, Curie va ser la primera dona a rebre un Premi Nobel i l'única persona a rebre dos Nobel en diferents disciplines (Física i Química). Les seves investigacions sobre la radioactivitat i el descobriment dels elements ràdio i poloni van establir les bases de la física nuclear i la medicina nuclear.
- Enrico Fermi (1901-1954): Físic italià conegut per les seves contribucions a la teoria quàntica i la física nuclear. Fermi va dur a terme experiments pioners a la fissió nuclear i va liderar el primer reactor nuclear controlat a Chicago.
- Niels Bohr (1885-1962): Famós pel seu model de l'àtom de Bohr, Bohr va realitzar importants investigacions en física nuclear i va ser un dels pioners en la comprensió de l'estructura del nucli atòmic i la descripció de les reaccions nuclears.
- James Chadwick (1891-1974): Chadwick va descobrir la partícula subatòmica neutrons, la qual cosa va ser fonamental per comprendre l'estructura i estabilitat dels nuclis atòmics.
- J. Robert Oppenheimer (1904-1967): Conegut principalment pel seu lideratge en el Projecte Manhattan, que va desenvolupar la primera bomba atòmica, Oppenheimer també va fer importants contribucions a la teoria quàntica i la física nuclear.
Tot i que, Albert Einstein (1879-1955) és un científic molt important en el camp de la física nuclear, més conegut per la seva teoria de la relativitat.
Tot i això, les seves contribucions a la física nuclear també van ser significatives sobretot per la seva famosa equació de l'energia, E=mc², que estableix l'equivalència entre l'energia i la massa. Aquesta equació és essencial per entendre lalliberament denergia en reaccions nuclears, com la fissió i la fusió.