Aquí hay una explicación muy simplificada. Esencialmente, esto se debe a que los núcleos de elementos pesados contienen una gran cantidad de protones agrupados en un espacio muy pequeño. Debido a que los protones están cargados positivamente, todos se repelen entre sí con mucha fuerza por medio de la fuerza electromagnética. Esta repulsión es superada por la fuerte fuerza nuclear, que es la fuerza que mantiene unidos todos los núcleos atómicos.
Un núcleo pesado necesita más energía para mantenerse unido por unidad de masa que uno más ligero, debido a la mayor densidad de carga positiva *. Como resultado, es energéticamente favorable que un núcleo pesado expulse parte de su carga positiva y se convierta en un núcleo más ligero. En muchos elementos, esto ocurre espontáneamente a una velocidad lo suficientemente alta como para medir y llamamos a este fenómeno “radioactividad”. Dos formas comunes de que esto ocurra son la “desintegración alfa”, que implica la emisión de un paquete de dos protones-dos-neutrones (de hecho, un núcleo de helio) y la “desintegración beta” en la que el núcleo emite un positrón y uno de los protones. se convierte en un neutrón. En ambos casos, las partículas emitidas se llevan la diferencia entre la energía necesaria para mantener unido el núcleo más pesado y la energía necesaria para mantener unido el núcleo más ligero. Utilizando diversos medios tecnológicos, esta energía se puede capturar y utilizar con fines útiles.
En algunos elementos, como U-235 y Pu-239, se puede inducir a los núcleos a dividirse en núcleos más ligeros bombardeándolos con neutrones. Cuando un núcleo pesado absorbe un neutrón y se divide en dos más ligeros, esos dos núcleos ligeros toman mucha menos energía total para mantenerse unidos que el más pesado. El exceso de energía es arrastrado por varios neutrones más que se emiten durante este proceso, junto con fotones de alta energía y otras partículas. De nuevo, por diversos medios tecnológicos, esta energía puede capturarse y utilizarse con fines útiles. Este proceso es el que se usa en las centrales nucleares, y libera una gran cantidad de energía. Una libra de uranio, por ejemplo, puede proporcionar más de un millón de veces más energía que una libra de carbón o petróleo.
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Todos los elementos pesados en la tierra se formaron originalmente hace miles de millones de años en los núcleos de las estrellas en explosión. Las estupendas cantidades de energía liberadas durante estas explosiones proporcionaron la patada necesaria para agrupar grandes cantidades de protones y neutrones en núcleos pesados estables o semiestables. Esos núcleos (al menos, los que aún existen) mantienen esa energía hasta nuestros días. Las explosiones estelares que forjaron estos átomos los dispersaron por el cosmos, donde se convirtieron en parte de la materia prima para crear nuevos sistemas solares, incluido el nuestro. Algunos elementos pesados son completamente estables, otros liberan su energía al azar, un átomo a la vez. Para un elemento dado, calculamos el tiempo que tarda la mitad de sus átomos en desintegrarse y llamamos a esto la “vida media”. El uranio-238, por ejemplo, tiene una vida media de 4.500 millones de años, por lo que gran parte de lo que estaba allí cuando se formó la Tierra todavía existe. El plutonio-238, por otro lado, tiene una vida media de solo 87.7 años, por lo que cada átomo que estaba allí cuando se formó la Tierra hace mucho tiempo que se descompuso. La tasa extremadamente alta de descomposición del plutonio significa que emite mucha energía, por lo que es adecuado para su uso en un generador termoeléctrico de radioisótopos como los que se usan en las sondas espaciales. Afortunadamente, hemos descubierto cómo sacarle más provecho bombardeando uranio-238 con neutrones.
En cierto sentido, los combustibles nucleares también son “combustibles fósiles”, ¡pero son fósiles de estrellas muertas en lugar de animales y plantas muertos!
(*) Esto solo es cierto para núcleos más pesados que el hierro. Para núcleos más ligeros, dominan otros factores.
