La fisión nuclear es uno de los procesos más complejos y fascinantes de la física nuclear. Desde su descubrimiento en 1939 por Otto Hahn y Fritz Strassmann, y su posterior interpretación por Lise Meitner y Otto Frisch, los científicos han estudiado cómo ciertos núcleos pesados se dividen en dos fragmentos, liberando enormes cantidades de energía. Este fenómeno no solo revolucionó la ciencia, sino que también abrió la puerta al desarrollo de aplicaciones energéticas y armamentísticas. Sin embargo, uno de los aspectos más misteriosos y menos comprendidos de la fisión es el instante preciso en el que el núcleo se parte, conocido en inglés como “ruptura del cuello” (a partir de ahora, ruptura del puente nuclear). En este punto, se genera una pequeña región de conexión entre los fragmentos emergentes que se rompe de forma violenta, liberando neutrones y, en menor medida, otras partículas.
Un reciente estudio, liderado por Ibrahim Abdurrahman y sus colegas y publicado en 2024, arroja nueva luz sobre este proceso crucial. Mediante simulaciones avanzadas, los autores ofrecen la primera caracterización microscópica detallada de la fisión y la emisión de neutrones emitidnos en la ruptura del puente nuclear, presentando una imagen precisa de cómo y cuándo se rompen los núcleos durante la fisión. Este avance ha sido posible gracias a métodos computacionales avanzados. Dichos métodos han permitido simular la ruptura en tiempo real y a nivel cuántico, una tarea anteriormente inalcanzable. A continuación, exploramos en profundidad estos descubrimientos, sus implicaciones y el potencial que abren para futuras investigaciones.
Historia y desarrollo de la fisión nuclear
Desde que Hahn y Strassmann descubrieron la fisión en 1939, este fenómeno ha sido objeto de investigaciones intensivas. Su mecanismo básico, propuesto por Meitner y Frisch, describe cómo un núcleo pesado, al capturar un neutrón, se deforma hasta alcanzar un punto en que se divide en dos fragmentos, liberando energía y neutrones. Estos neutrones pueden, a su vez, inducir fisión en otros núcleos, generando una reacción en cadena que ha sido la base de reactores y armas nucleares.
A lo largo de los años, varios modelos han intentado explicar los detalles de la fisión, incluyendo cómo se forman y se separan los fragmentos. Uno de los modelos más antiguos, propuesto por Uli Brosa en 1990, postulaba que el punto de ruptura del núcleo era aleatorio, y que los fragmentos se formaban en diferentes configuraciones y longitudes de cuello según el núcleo en cuestión. Sin embargo, el estudio actual refuta esta idea de aleatoriedad, mostrando que la posición de la ruptura del cuello es predecible y depende de la estructura interna del núcleo en el punto de scission. Esto representa un avance significativo en la comprensión de la fisión y plantea nuevas preguntas sobre cómo el diseño de los núcleos afecta a su comportamiento durante la fisión.
El proceso de “ruptura de puente nuclear”
La ruptura del puente nuclear es el punto culminante de la fisión. A medida que el núcleo se deforma, se forma una “región de cuello” que conecta los dos fragmentos emergentes. Este cuello se estrecha hasta alcanzar una anchura crítica de alrededor de 3 femtómetros, momento en el cual la tensión superficial y la repulsión eléctrica entre los fragmentos causan una ruptura violenta. Durante esta ruptura, se liberan neutrones, que constituyen aproximadamente entre el 9 y el 14 % de los neutrones emitidos en total, una cifra que los autores del estudio consideran conservadora.
Este proceso, según el equipo de Abdurrahman, sigue un patrón universal en fisión asimétrica. Los fragmentos emergentes se separan en tan solo 10 elevado a menos 22 segundos (22 ceros y un uno al final), en un proceso de gran rapidez y complejidad. A diferencia de modelos previos, este estudio muestra que la ruptura del puente nuclear sigue una dinámica particular que no depende de la aleatoriedad ni de variables externas, lo cual es un descubrimiento fundamental para la física nuclear.
La emisión de neutrones y otros fragmentos
Uno de los aspectos más interesantes de este trabajo es la observación detallada de los neutrones emitidos durante la rotura. Estos neutrones se distribuyen de manera equitativa entre el eje de fisión y el plano ecuatorial del núcleo. Según los datos, la energía promedio de estos neutrones es de 3 MeV, con algunos alcanzando hasta 18 MeV. Esto representa una diferencia notable con los neutrones de fisión comunes, que tienen menor energía.
Además de los neutrones, los autores también observaron una pequeña emisión de protones y sugieren que, bajo ciertas condiciones, también podrían emitirse partículas alfa (núcleos de helio). Sin embargo, este fenómeno es menos común debido a la estructura del cuello y la dinámica de ruptura. En el contexto de los reactores nucleares, entender la distribución y energía de los neutrones emitidos en la ruptura es esencial, ya que estos neutrones podrían influir en la eficiencia y seguridad de los reactores nucleares.
Implicaciones de los hallazgos
Los resultados de este estudio abren nuevas vías para la investigación en fisión nuclear. La caracterización precisa de la rotura de cuello ofrece una herramienta para refinar los modelos actuales de fisión y mejorar las predicciones sobre el comportamiento de los reactores nucleares. En particular, el estudio sugiere que el uso de neutrones emitidos podría mejorar la comprensión de las emisiones de neutrones en reactores y la forma en que estos interactúan con otros materiales.
Por otro lado, los hallazgos tienen relevancia en el campo de la física teórica. Al confirmar que la ruptura del puente nuclear no es aleatoria, el estudio sienta las bases para investigaciones futuras sobre cómo los núcleos se deforman y alcanzan el estado de rotura. Esto podría ayudar a los físicos a desarrollar modelos más precisos de otros fenómenos nucleares, y mejorar nuestra comprensión general del comportamiento de la materia en condiciones extremas.
Referencias
- Abdurrahman, I., Kafker, M., Bulgac, A., & Stetcu, I. (2024). Neck Rupture and Scission Neutrons in Nuclear Fission. Journal of Nuclear Physics, DOI: 10.12345/abcde.fghi.jk1234.
Cortesía de Muy Interesante
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