Capítulo 2: La fisión nuclear

2.1 Descubrimiento de la fisión nuclear

El descubrimiento de la fisión nuclear constituye uno de los hitos más trascendentales de la física del siglo XX, no solo por su impacto en la comprensión de la estructura del núcleo atómico, sino también por sus profundas implicancias tecnológicas, energéticas y geopolíticas. Este fenómeno fue identificado a finales de 1938, en el contexto de una intensa actividad experimental orientada a estudiar las reacciones nucleares inducidas por neutrones.

Tras el descubrimiento del neutrón por James Chadwick en 1932 [1], se abrió la posibilidad de bombardear núcleos atómicos sin la barrera electrostática que afecta a las partículas cargadas. Esto permitió explorar nuevas formas de transmutación nuclear. En particular, el grupo liderado por Enrico Fermi en Roma realizó experimentos sistemáticos irradiando diversos elementos con neutrones, observando la formación de núcleos radiactivos que inicialmente fueron interpretados como elementos transuránicos [2].

Sin embargo, los resultados experimentales obtenidos en Berlín por Otto Hahn y Fritz Strassmann en diciembre de 1938 revelaron un fenómeno inesperado: al bombardear uranio con neutrones, se producían elementos mucho más ligeros, como el bario [3]. Este resultado no podía explicarse mediante los modelos nucleares existentes en ese momento.

La interpretación teórica de este hallazgo fue realizada por Lise Meitner y su sobrino Otto Frisch, quienes propusieron que el núcleo de uranio se dividía en dos fragmentos de masa comparable, liberando una gran cantidad de energía [4]. Este proceso fue denominado “fisión nuclear”, por analogía con la división celular en biología. La explicación se basó en el modelo de la gota líquida del núcleo, desarrollado previamente por Niels Bohr, que permitía entender la deformación y ruptura del núcleo bajo la acción de un neutrón incidente [5].

La energía liberada en la fisión puede interpretarse mediante la relación masa-energía establecida por Albert Einstein en su teoría de la relatividad especial:

$E = mc^2$

En este proceso, una pequeña fracción de la masa del núcleo original se convierte en energía cinética de los fragmentos y en radiación, alcanzando valores del orden de 200 MeV por evento de fisión [4], [7]. Esta enorme liberación de energía por núcleo individual explica el potencial energético de las reacciones de fisión.

Un aspecto fundamental del descubrimiento fue la observación de que, además de los fragmentos de fisión, se emiten varios neutrones secundarios. Este hecho fue crucial, ya que permitió a Leó Szilárd concebir la posibilidad de una reacción en cadena autosostenida, en la cual los neutrones liberados inducen nuevas fisiones [6]. Esta idea sentó las bases para el desarrollo tanto de reactores nucleares como de armas nucleares en los años posteriores.

El descubrimiento de la fisión nuclear marcó el inicio de una nueva era en la física y en la historia de la humanidad. En pocos años, este conocimiento condujo al desarrollo del primer reactor nuclear bajo la dirección de Fermi en 1942, y posteriormente a aplicaciones civiles y militares que transformaron profundamente el mundo contemporáneo.

2.2 Mecanismo de la fisión nuclear

El mecanismo de la fisión nuclear describe el proceso mediante el cual un núcleo pesado, al absorber un neutrón, se vuelve inestable y se divide en dos fragmentos de masas comparables, liberando energía y neutrones adicionales. Este fenómeno puede entenderse a partir de modelos nucleares que combinan aspectos colectivos e individuales del núcleo atómico.

Cuando un neutrón es absorbido por un núcleo fisible como el uranio-235, se forma un núcleo compuesto excitado (por ejemplo, $^{236}\text{U}^*$ 236U∗). La energía de excitación proviene tanto de la energía cinética del neutrón incidente como de la energía de enlace liberada durante la captura [8]. Este núcleo compuesto puede evolucionar hacia diferentes canales de desintegración, siendo la fisión uno de los más probables para núcleos pesados.

El modelo de la gota líquida, desarrollado por Niels Bohr y John Archibald Wheeler, proporciona una descripción macroscópica del proceso [9]. En este modelo, el núcleo se comporta como una gota de fluido cargada eléctricamente. La competencia entre la tensión superficial (que tiende a mantener la forma esférica) y la repulsión coulombiana entre protones (que tiende a deformarlo) determina su estabilidad.

A medida que el núcleo compuesto se deforma, puede superar una barrera de potencial conocida como barrera de fisión. Esta barrera representa la energía necesaria para que el núcleo pase de una configuración aproximadamente esférica a una configuración elongada que conduce a la escisión en dos fragmentos. La altura de esta barrera depende de la masa y la carga del núcleo, así como de su estructura interna [9].

La evolución del núcleo hacia la fisión puede describirse en varias etapas:

Captura del neutrón: formación del núcleo compuesto excitado.
Deformación progresiva: el núcleo adquiere una forma elipsoidal.
Estado de silla (saddle point): configuración crítica en la que se alcanza el máximo de la barrera de fisión.
Descenso hacia la escisión: el núcleo se alarga aún más hasta dividirse en dos fragmentos.
Separación de fragmentos: emisión de neutrones rápidos y radiación gamma.

La energía liberada en la fisión proviene principalmente de la diferencia de energía de enlace entre el núcleo original y los fragmentos resultantes. Esta puede estimarse a partir de la diferencia de masas antes y después de la reacción, según:

$E = mc^2$ E=mc2

Típicamente, la energía total liberada en una fisión es del orden de 200 MeV, distribuida aproximadamente en: energía cinética de los fragmentos (~170 MeV), energía de los neutrones emitidos (~5 MeV), radiación gamma (~7 MeV) y energía asociada a desintegraciones beta posteriores de los productos de fisión [10].

Un aspecto clave del mecanismo de la fisión es la emisión de neutrones secundarios, generalmente entre 2 y 3 por evento de fisión en el caso del uranio-235 [11]. Estos neutrones pueden inducir nuevas fisiones, dando lugar a una reacción en cadena, concepto introducido por Leó Szilárd [6]. La probabilidad de que esta reacción sea autosostenida depende de factores como la masa del material, su geometría y la presencia de moderadores o absorbentes de neutrones.

Desde el punto de vista microscópico, el proceso de fisión también involucra efectos de estructura nuclear, como capas nucleares y números mágicos, que influyen en la distribución de masas de los fragmentos. Esto explica por qué la fisión no produce fragmentos de masas exactamente iguales, sino una distribución asimétrica característica [12].

En resumen, el mecanismo de la fisión nuclear es el resultado de la interacción entre efectos macroscópicos (modelo de la gota líquida) y microscópicos (estructura nuclear), que determinan la estabilidad del núcleo y su evolución hacia la escisión.

2.3 Distribución de masas y energías en la fisión nuclear

La fisión nuclear no produce fragmentos de masas iguales, sino una distribución característica de masas y energías que refleja la compleja interacción entre efectos macroscópicos y microscópicos del núcleo. El estudio de estas distribuciones ha sido fundamental para comprender la dinámica del proceso de fisión y sus aplicaciones tecnológicas.

Experimentalmente, se observa que la fisión de núcleos pesados como el uranio-235 o el plutonio-239 produce dos fragmentos principales cuyas masas no son simétricas, sino que siguen una distribución bimodal. Es decir, existe una mayor probabilidad de obtener un fragmento ligero (con número de masa alrededor de 90–100) y uno pesado (alrededor de 130–140), en lugar de dos fragmentos de masa aproximadamente igual [13].

Este comportamiento fue inicialmente inesperado desde el punto de vista del modelo de la gota líquida, que predecía una fisión simétrica. La explicación se encuentra en los efectos de estructura nuclear, particularmente en la estabilidad asociada a números mágicos de protones y neutrones. Los fragmentos cercanos a configuraciones cerradas (como $Z=50$ , $N=82$ ) son más estables, lo que favorece la aparición de distribuciones asimétricas [14].

La distribución de masas puede representarse mediante una función de probabilidad $Y(A)$ Y(A), que indica el rendimiento de fragmentos con número de masa $A$ A. Esta función presenta típicamente dos máximos (picos) correspondientes a los fragmentos ligero y pesado, con un mínimo relativo en la región de masas intermedias.

Además de la distribución de masas, es fundamental analizar la distribución de energías. La mayor parte de la energía liberada en la fisión se manifiesta como energía cinética de los fragmentos, conocida como energía cinética total (TKE, Total Kinetic Energy). Esta energía depende de la repulsión coulombiana entre los fragmentos en el momento de la escisión.

La energía cinética total puede aproximarse considerando la repulsión electrostática entre dos fragmentos cargados: $TKE \approx \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \frac{Z_1 Z_2 e^2}{R}$

donde $Z_1$ y $Z_2$ son los números atómicos de los fragmentos y $R$ es la distancia entre sus centros en el punto de escisión [15]. Esta relación muestra que fragmentos con mayor carga generan una mayor repulsión y, por tanto, mayor energía cinética.

La energía total liberada en la fisión puede expresarse nuevamente mediante la equivalencia masa-energía:

$E = mc^2$

En términos experimentales, la energía total (~200 MeV) se distribuye aproximadamente de la siguiente manera [10]:

Energía cinética de los fragmentos: ~170 MeV
Energía de neutrones prompt: ~5 MeV
Radiación gamma prompt: ~7 MeV
Energía de desintegración beta (energía retardada): ~8 MeV

Existe también una correlación importante entre la distribución de masas y la energía cinética: las configuraciones más compactas en el momento de la escisión tienden a producir mayores energías cinéticas. Asimismo, la emisión de neutrones prompt depende de la excitación de los fragmentos, la cual está relacionada con su masa y energía.

El número de neutrones emitidos por fisión, generalmente entre 2 y 3 para el uranio-235, no es constante, sino que presenta una distribución que depende de la energía del neutrón incidente y de la partición de masas [11]. Este aspecto es esencial para el control de reactores nucleares y la predicción de su comportamiento dinámico.

En resumen, la distribución de masas y energías en la fisión nuclear es un reflejo directo de la estructura del núcleo y de la dinámica del proceso de escisión. Su estudio permite no solo comprender mejor los mecanismos fundamentales de la fisión, sino también optimizar aplicaciones en energía nuclear y tecnología de reactores.

2.4 Neutrones en la fisión y fisión fría

Los neutrones desempeñan un papel central en la fisión nuclear, tanto en la iniciación del proceso como en su propagación mediante reacciones en cadena. Asimismo, el estudio de configuraciones particulares como la fisión fría ha permitido profundizar en la comprensión de la dinámica de escisión y en la distribución de energía entre los productos de fisión.

En una reacción de fisión inducida, un neutrón incidente es capturado por un núcleo fisible, formando un núcleo compuesto excitado que puede fisionar. Como resultado, se emiten varios neutrones denominados neutrones prompt, típicamente entre 2 y 3 por evento en el caso del uranio-235 [11]. Estos neutrones son emitidos en tiempos del orden de $10^{-14}$ s tras la escisión, y poseen energías del orden de 1 a 2 MeV.

Además de los neutrones prompt, existen los llamados neutrones retardados, emitidos por productos de fisión inestables mediante procesos de desintegración beta. Aunque representan una fracción pequeña (del orden de 0.6% en el uranio-235), su importancia es fundamental para el control de reactores nucleares, ya que introducen escalas de tiempo más largas (milisegundos a segundos) que permiten regular la reacción en cadena [16].

El número promedio de neutrones emitidos por fisión, denotado por $\nu$ ν, depende del núcleo fisible y de la energía del neutrón incidente. Este parámetro es crucial para determinar si una reacción en cadena es subcrítica, crítica o supercrítica. En términos generales:

Si $\nu < 1$ : la reacción se extingue (subcrítica).
Si $\nu = 1$ : la reacción es autosostenida (crítica).
Si $\nu > 1$ : la reacción crece exponencialmente (supercrítica).

El concepto de reacción en cadena fue introducido por Leó Szilárd [6], quien reconoció que los neutrones emitidos en una fisión podían inducir nuevas fisiones, liberando aún más neutrones. Este principio es la base de los reactores nucleares y de las armas nucleares.

Desde el punto de vista energético, los neutrones también transportan una fracción de la energía liberada en la fisión. Aunque esta es pequeña comparada con la energía cinética de los fragmentos, es relevante para procesos de moderación y absorción en sistemas nucleares [10].

Fisión fría

La denominada fisión fría corresponde a un subconjunto de eventos de fisión en los cuales la energía de excitación de los fragmentos es mínima. En estos casos, la mayor parte de la energía disponible se convierte directamente en energía cinética de los fragmentos, con muy poca emisión de neutrones y radiación gamma.

El descubrimiento experimental de la fisión fría se atribuye a Claude Signarbieux, quien observó eventos de fisión caracterizados por energías cinéticas excepcionalmente altas y emisión reducida de neutrones [17]. Estos resultados evidenciaron la existencia de configuraciones de escisión en las cuales los fragmentos se forman con muy baja excitación interna.

En la fisión convencional, los fragmentos se generan altamente excitados y liberan neutrones prompt para alcanzar estados más estables. En contraste, en la fisión fría los fragmentos se forman cerca de su estado fundamental, lo que implica:

Emisión de cero o muy pocos neutrones.
Energía cinética total (TKE) cercana al máximo permitido por la reacción.
Configuraciones de escisión más compactas.

Un aporte fundamental al estudio de este fenómeno fue la determinación de las energías cinéticas máximas en la fisión de núcleos como $^{233}\text{U}$ 233U, $^{235}\text{U}$ 235U y $^{239}\text{Pu}$ 239Pu, realizada por Modesto Montoya [18]. Estos resultados permitieron establecer límites superiores para la energía cinética total y proporcionaron evidencia experimental clave sobre la geometría del sistema en el momento de la escisión.

La fisión fría proporciona información valiosa sobre el proceso de ruptura del núcleo, ya que reduce la complejidad asociada a la evaporación de neutrones. Permite estudiar con mayor precisión la distribución de energía en el instante de escisión, así como los efectos de estructura nuclear en los fragmentos [14].

Desde el punto de vista teórico, este fenómeno pone en evidencia la importancia de los efectos microscópicos, como las capas nucleares y las configuraciones de mínima energía, que favorecen ciertos canales de fragmentación con baja excitación interna.

Referencias (estilo IEEE)

[1] J. Chadwick, “Possible existence of a neutron,” Nature, vol. 129, pp. 312, 1932.

[2] E. Fermi, “Artificial radioactivity produced by neutron bombardment,” Nature, vol. 133, pp. 757–758, 1934.

[3] O. Hahn y F. Strassmann, “Über den Nachweis…,” Naturwissenschaften, 1939.

[4] L. Meitner y O. R. Frisch, “Disintegration of uranium…,” Nature, 1939.

[5] N. Bohr, “Neutron capture…,” Nature, 1936.

[6] L. Szilárd, “Chain reactions involving neutrons,” Phys. Rev., 1939.

[7] A. Einstein, “Does the inertia of a body depend upon its energy content?,” 1905.

[8] E. Fermi, op. cit.

[9] N. Bohr y J. A. Wheeler, “The mechanism of nuclear fission,” Phys. Rev., 1939.

[10] R. Vandenbosch y J. R. Huizenga, Nuclear Fission, 1973.

[11] G. R. Keepin, Physics of Nuclear Kinetics, 1965.

[12] P. Möller et al., 1995.

[13] U. Brosa et al., 1990.

[14] W. Greiner y J. A. Maruhn, Nuclear Models, 1996.

[15] K.-H. Schmidt y B. Jurado, 2018.

[16] G. R. Keepin, op. cit.

[17] C. Signarbieux et al., “Evidence for cold fission…,” 1981.

[18] M. Montoya et al., “Maximum kinetic energy in fission of $^{233}$ 233U, $^{235}$ 235U and $^{239}$ 239Pu,” Zeitschrift für Physik A, 1985.