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Como los núcleos de los átomos están formados de protones y neutrones, es de esperarse que la masa del núcleo pudiera determinarse sumando la masa de ellos. Sin embargo, se demostró, con gran sorpresa de los científicos, que la masa total de un núcleo es diferente de la suma de la masa de los protones y neutrones. Todos los núcleos de los elementos ligeros, excepto el del hidrógeno, pesan menos que la suma de las masas de sus neutrones y protones.
Esta diferencia se conoce como defecto de masa. Y ¿en qué se convierte el defecto de masa? Al fusionarse los nucleones para formar un átomo de helio-4 se desprende una enorme cantidad de energía, conocida como energía de fusión. (Véase la Fig. 31.)
Si en una reacción nuclear se produce una pérdida de masa, la masa que ha desaparecido debe, de acuerdo con la ecuación de Einstein, presentarse en forma de energía. Estas relaciones de masa y energía muestran la inmensa importancia del hecho de que la masa atómica exacta de la. mayoría de los isótopos no es un número entero.
En el proceso de la desintegración del radio, la energía se desprende muy poco a poco. La masa de los productos hijos es ligeramente menor que la masa del radio, pero esa pequeña fracción de masa se convierte en una cantidad enorme de energía.
De acuerdo con Einstein, para obtener la energía equivalente de un miligramo de materia nuclear, se requiere la combustión de más de 2 000 kilogramos de carbón.
En general, la energía nuclear es millones de veces mas eficiente que la energía obtenida por la combustión al carbón, pero el tiempo que se requiere para aprovecharla es muy largo. Habría que esperar 1 600 años para extraer la mitad de la energía proveniente de una muestra de radio, mientras que el calor producido por la combustión del carbón se puede obtener mucho más rápidamente. Sin embargo, la energía nuclear se puede liberar en forma muy rápida mediante reacciones nucleares; una de ella es la reacción de fisión nuclear del uranio-235, de que ya hablamos (pp. 80-85), y otra es la reacción de fusión de los núcleos ligeros, como los núcleos de hidrógeno para formar núcleos de helio.
¿SE PUEDE APROVECHAR LA ENERGÍA ENCERRADA EN EL ÁTOMO?
La energía nuclear se ha aprovechado en la Tierra desde hace miles de millones de años. Esta energía proviene principalmente del Sol, de la energía geotérmica y, mucho más recientemente, se aprovecha la energía de la fisión del uranio-235.
Energía solar
La energía solar es en realidad energía nuclear que se produce en el centro del Sol y es irradiada a todo el sistema planetario.
Una teoría afirma que la energía solar se deriva, en parte por lo menos, de una reacción en la que los núcleos de helio se construyen directamente a partir de los núcleos de hidrógeno y es, probablemente, la responsable de la generación de energía en la mayoría de los astros. En a
La Tierra aprovecha sólo una pequeñísima fracción de esta energía solar: menos de 1 parte de cada 10 000 de las radiaciones que emite el Sol.
Energía geotérmica
Energía producida por la fisión del uranio-235
Seguramente cuando Einstein encontró la ecuación que relaciona la masa y la energía nunca imaginó que se pudiera comprobar algún día si era válida; pero ahora la cantidad de energía que se produce en el proceso de fisión nuclear de un átomo de uranio-235 proporciona la prueba de su ecuación.
La energía contenida en un kilo de uranio equivale a la producida por la combustión de millones de kilogramos de carbón. Sin embargo, no es tan sencillo utilizar esta energía como parece a simple vista.
La manera de extraer energía del uranio es muy diferente a aquella utilizada tradicionalmente para extraer energía de la combustión de carbón, gasolina, madera, etc. Si esperamos a que la radiación alfa que emite el uranio libere la mitad de la energía que tiene encerrada en su núcleo, se requerirían miles de millones de años de espera. Para extraer en forma eficiente la energía del uranio se requieren los reactores nucleares, en donde, en forma controlada, por medio del proceso de fisión del uranio-235 se libera una enorme cantidad de energía del núcleo del átomo. Así pues, sólo si se dispone de los reactores nucleares adecuados y de otras instalaciones es posible aprovechar este elemento.
El uranio-235 se fisiona mucho más fácilmente que el uranio-238, ya que este último isótopo del uranio sólo suele capturar neutrones sin producir fisión; pero desafortunadamente el uranio natural está formado principalmente por uranio-238 en un 99.27% y uranio-235 en un 0.72%.