Química sin límites
Acelerador de partículas
Un acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para propulsar partículas cargadas a altas velocidades dentro de haces bien definidos.
Objetivos de aprendizaje
Predecir el producto de transmutación nuclear producido utilizando un acelerador de partículas
Puntos clave
Puntos clave
- Los aceleradores de partículas se han utilizado históricamente para hacer chocar átomos o partículas, a menudo para inducir la transmutación nuclear, que es la conversión de un elemento en otro.
- El término transmutación se remonta a la alquimia.
- Hay dos clases básicas de aceleradores: los electrostáticos y los de campo oscilante.
Términos clave
- Transmutación: La transformación de un elemento en otro mediante una reacción nuclear.
- Alquimia: La antigua búsqueda de una panacea universal, y de la piedra filosofal. El proceso acabó convirtiéndose en química.
- Partícula subatómica: Cualquiera de las muchas unidades de materia más pequeñas que un átomo.
Un acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para propulsar partículas cargadas a altas velocidades y contenerlas en haces bien definidos. Mientras que los aceleradores de partículas actuales se centran en hacer chocar partículas subatómicas, los primeros aceleradores de partículas hacían chocar átomos enteros, induciendo la fusión nuclear y, por tanto, la transmutación nuclear.
La transmutación nuclear es la conversión de un elemento químico o isótopo en otro. En otras palabras, los átomos de un elemento pueden convertirse en átomos de otro elemento por transmutación. Esto ocurre a través de reacciones nucleares en las que una partícula exterior reacciona con un núcleo, que puede ser suministrado por un acelerador de partículas, o a través de la desintegración radiactiva, donde no se necesita ninguna partícula exterior.
Historia de la transmutación nuclear
El término transmutación se remonta a la alquimia. Los alquimistas perseguían la piedra filosofal, capaz de transformar los metales comunes en oro. La imposibilidad de la transmutación metálica había sido debatida entre alquimistas, filósofos y científicos desde la Edad Media. En el siglo XVIII, Antoine Lavoisier sustituyó la teoría alquímica de los elementos por la teoría moderna de los elementos químicos, y más tarde John Dalton desarrolló aún más la noción de átomos para explicar diversos procesos químicos. La desintegración de los átomos es un proceso distinto que implica energías mucho mayores que las que pudieron conseguir los alquimistas.
La transmutación nuclear fue aplicada conscientemente por primera vez en la física moderna por Frederick Soddy cuando, junto con Ernest Rutherford, descubrió que el torio radiactivo se convertía en radio en 1901. En el momento en que se dio cuenta, recordó más tarde Soddy, gritó: «¡Rutherford, esto es transmutación!» Rutherford replicó: «Por el amor de Dios, Soddy, no lo llames transmutación. Nos cortarán la cabeza por alquimistas».
Aceleradores de partículas
Hay dos clases básicas de aceleradores: los electrostáticos y los de campo oscilante. Los aceleradores electrostáticos utilizan campos eléctricos estáticos para acelerar las partículas. Un ejemplo a pequeña escala de esta clase es el tubo de rayos catódicos de un viejo televisor normal. Otros ejemplos son el generador Cockcroft-Walton y el generador Van de Graaf. La energía cinética alcanzable para las partículas en estos dispositivos está limitada por la ruptura eléctrica. Los aceleradores de campo oscilante, en cambio, utilizan campos electromagnéticos de radiofrecuencia para evitar el problema de las averías. Esta clase, cuyo desarrollo comenzó en la década de 1920, es la base de todos los conceptos de aceleradores modernos y de las instalaciones a gran escala. Rolf Widerøe, Gustav Ising, Leó Szilárd, Donald Kerst y Ernest Lawrence son considerados pioneros de este campo, ya que concibieron y construyeron el primer acelerador lineal de partículas operativo, el betatrón y el ciclotrón.
Dado que los colisionadores pueden aportar pruebas sobre la estructura del mundo subatómico, en el siglo XX se solía denominar a los aceleradores como destructores de átomos. A pesar de que la mayoría de los aceleradores (a excepción de las instalaciones de iones) realmente propulsan partículas subatómicas, el término persiste en el uso popular cuando se refiere a los aceleradores de partículas en general.
Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi: Foto aérea del Tevatrón en el Fermilab, que se asemeja a un ocho. El acelerador principal es el anillo de arriba; el de abajo (aproximadamente la mitad del diámetro, a pesar de las apariencias) es para la aceleración preliminar, la refrigeración y el almacenamiento del haz, etc.