Introducción

Los objetivos de esta línea de trabajo son: el conocimiento básico del comportamiento de las reacciones nucleares inducidas por iones pesados y estudios de estructura nuclear a altos momentos angulares. En pocas palabras, por un lado se trata de entender los procesos que ocurren cuando un dado núcleo atómico -luego de ser acelerado hasta velocidades de alrededor del 5% de la velocidad de la luz- colisiona contra otro núcleo que se encuentra inicialmente en reposo. Por otra parte se trata de comprender cuales son las consecuencias, que las antedichas reacciones producen en la estructura interna de los núcleos, como ser cambios de forma, vibraciones, rotaciones, etc.

¿Para qué sirve el estudio de las reacciones nucleares?

Aunque nos parezcan alejadas de nuestras actividades y de nuestros intereses cotidianos, las reacciones nucleares tienen relación directa con nuestra propia existencia sobre la Tierra. En efecto, el Sol que nos ilumina, tanto como el resto de las estrellas que se agrupan en miles de millones de galaxias del Universo, obtienen su energía de la combustión nuclear. Por ejemplo, en el interior de las estrellas los núcleos atómicos chocan constantemente entre sí impulsados por altísimas temperaturas, las que a su vez pueden mantenerse gracias a la energía liberada en las transmutaciones nucleares, dando lugar a un ciclo que se alimenta a sí mismo. El estudio de las reacciones nucleares nos ayuda a comprender estos procesos, así como también a los mecanismos por los cuales se originan los elementos químicos que forman parte de los objetos que nos rodean.

¿Cómo se realizan estos estudios?

Nuestra labor de investigación se realiza simulando, a escala de laboratorio, procesos similares a los que en la Naturaleza se desarrollan en el interior de las estrellas. En el laboratorio TANDAR de la Comisión Nacional de Energía Atómica, se cuenta con un acelerador de iones pesados que es capaz de proveer a los núcleos las energías adecuadas merced a la aceleración de los iones (átomos cargados eléctricamente) a lo largo de un potencial eléctrico de hasta 20 millones de voltios. Las partículas así aceleradas son dirigidas finalmente contra un blanco -usualmente una lámina muy delgada- de algún material cuyos átomos tengan los núcleos atómicos de interés.

¿Por qué se necesitan velocidades -y por lo tanto, energías- tan elevadas?

Para que se produzcan las reacciones nucleares, es necesario que los núcleos se acerquen entre sí a distancias suficientemente pequeñas como para que las fuerzas nucleares -intensas, pero de muy corto alcance- puedan hacerse sentir. Llegar a esas distancias tan pequeñas requiere grandes energías, capaces de vencer la repulsión eléctrica inicial que los núcleos cargados positivamente se ejercen en forma mutua antes de llegar al rango de distancias donde las fuerzas nucleares se imponen.

¿Qué ocurre cuando un núcleo atómico "choca" contra otro a estas elevadas velocidades y energías? En otras palabras, ¿qué es una reacción nuclear?

Son muchas las cosas que pueden ocurrir. Por ejemplo, es posible que ambos núcleos se "interpenetren" y terminen fundiéndose en un nuevo núcleo atómico que estará constituído por la suma de los componentes de cada núcleo inicial, quienes pierden su identidad. El nuevo núcleo así producido (núcleo compuesto) suele quedar en un estado altamente excitado, es decir, dotado de una alta energía interior que obtiene a expensas de una fracción de la energía cinética asociada inicialmente al movimiento del proyectil. Normalmente, el núcleo compuesto ha de desprenderse de esta energía interna por intermedio de la emisión secuencial de partículas y de radiación electromagnética, lo cual da lugar finalmente a un núcleo residual habitualmente denominado residuo de evaporación. Este tipo de reacciones se conocen como de fusión. Una de las formas posibles de estudiar este tipo de reacciones involucra la detección de los residuos de evaporación utilizando un sistema de medición de tiempo de vuelo.

Otro posible desenlace de la colisión, es que los núcleos no pierdan totalmente su identidad original, sino que intercambien una o más partículas (protones y neutrones) y/o que adquieran alguna energía interna a expensas de la energía cinética inicial. Estas reacciones caen en la categoría general de reacciones cuasielásticas, y pueden dividirse -según se produzca o no intercambio de masa y de carga eléctrica, y excitación interna- en reacciones de dispersión inelástica, o de transferencia.

Un caso particular entre estas últimas reacciones es el de la llamada dispersión elástica, en la que no se produce intercambio de partículas entre los núcleos que participan en el choque, ni éstos adquieren energía de excitación interna. Es semejante a lo que ocurre cuando dos bolas de billar cambian su dirección luego de chocar entre sí, sin perder su identidad y sin pérdida de la energía cinética total.

El estudio de las colisiones elásticas y cuasielásticas suele realizarse mediante la detección, identificación y medición de la energía cinética de uno de los dos fragmentos salientes (habitualmente el fragmento similar al proyectil o "projectile-like fragment").

Esta clasificación de las reacciones nucleares que acabamos de dar se basa en la observación del resultado final. Para dar una imagen cotidiana, es equivalente a clasificar los accidentes de tránsito, por ejemplo, a partir del estado en que quedaron los vehículos después de una colisión. Sin embargo, el trabajo de un perito que estudie el accidente iría un paso más allá: a partir de los restos de la colisión aspira a entender cómo se produjo la colisión, en qué punto ocurrió el impacto, qué sucedió en el habitáculo del conductor, y muchos otros detalles del choque en sí. Del mismo modo, el estudio de las reacciones nucleares apunta, por ejemplo, a comprender muchos aspectos del mecanismo de la reacción a partir del estudio de los remanentes del choque, conocidos como productos de la reacción.

Por supuesto no es posible llevar la analogía muy lejos. Mientras que el estudioso de accidentes vehiculares puede recurrir en gran medida a impresiones visuales, directas o fotográficas, el investigador de las reacciones debe utilizar detectores bastante más sofisticados (de estado sólido, gaseosos, de análisis magnético, etc.) para determinar en qué estado quedaron las cosas después de la colisión. Esto normalmente significa saber cuántas (y cuáles) partículas se produjeron, y en qué direcciones y con qué velocidades fueron emitidas.

Un experimento típico para estudiar algún aspecto particular de una determinada reacción nuclear consistirá, en resumen, en acelerar un gran número de núcleos de un determinado tipo (proyectiles) utilizando un acelerador de partículas como el TANDAR, y dirigirlos contra otro gran número de núcleos (blanco). Mediante una apropiada distribución de detectores como los mencionados arriba se podrá estudiar y clasificar a los productos de la reacción de acuerdo a su tipo, energía y ángulo de emisión. Debido al enorme número de proyectiles y blancos involucrados, el resultado final suele expresarse en términos estadísticos, relacionados con las probabilidades o frecuencias de ocurrencia de los distintos posibles desenlaces de la reacción. En la jerga, suele utilizarse el concepto de sección eficaz (ds/dw) para medir estas probabilidades.

En lo que sigue vamos a ilustrar con algunos ejemplos el tipo de arreglo experimental, los detectores utilizados y algunos de los espectros característicos obtenidos. Además, en ese contexto intentaremos (de acuerdo con la clasificación antes mencionada) ubicar el tipo de reacción nuclear que corresponda.