Una investigación internacional publicada en Nature en la que participa el Grupo de Física Nuclear (GFN-UCM) de la Facultad de Ciencias Físicas y del Instituto IPARCOS de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) ha identificado cómo y cuándo se genera la rotación de los fragmentos resultantes de la división de un núcleo atómico durante el proceso de fisión.

Durante la fisión nuclear un núcleo pesado se escinde en otros dos más ligeros liberando grandes cantidades de energía, lo que da lugar a múltiples aplicaciones, como la producción de electricidad en centrales nucleares.

El estudio revela que los fragmentos resultantes de la fisión nuclear obtienen su momento angular intrínseco (rotación) después de la fisión, y no antes

El proceso de fisión fue descubierto a finales de los años 30 del siglo XX por los químicos Otto Hahn y Fritz Strassmann, y los físicos Lise Meitner y Otto Frisch. A pesar de los casi 90 años transcurridos desde entonces, persisten hasta hoy múltiples interrogantes.

Los autores del nuevo estudio han investigado cómo y por qué los fragmentos resultantes de la fisión nuclear poseen un alto momento angular, es decir, giran rápidamente sobre sí mismos, incluso cuando el núcleo original no lo hace.

“La mayoría de las teorías actuales dan por sentado que la rotación de los fragmentos de fisión se genera antes de que el núcleo se divida, lo que daría lugar a una correlación entre las rotaciones de los dos fragmentos producidos en la fisión. Sin embargo, nuestro trabajo revela que los fragmentos resultantes de la fisión nuclear obtienen su momento angular intrínseco (rotación) después de la fisión, y no antes”, explica Luis Mario Fraile, investigador de la UCM, cuyo equipo contribuyó a a la preparación del experimento, adquisición y análisis de datos, y discusión científica.

La nueva información sobre el papel del momento angular en la fisión nuclear permitirá mejorar la comprensión del propio proceso de fisión. También es útil para otras áreas de investigación, como el estudio de la estructura de los isótopos ricos en neutrones, y la síntesis y estabilidad de los elementos superpesados.

“Además, puede tener aplicaciones prácticas, por ejemplo, para contribuir a entender el problema del calentamiento por radiación gamma en los reactores nucleares”, apunta Fraile.

Una treintena de institutos para estudiar núcleos exóticos

Los experimentos, realizados en el acelerador ALTO del Laboratorio Irène Joliot-Curie (IJC) de Orsay (Francia), han sido posibles gracias a un grupo internacional de físicos nucleares de la colaboración nu-ball, cuyo objetivo es estudiar los mecanismos de producción y la estructura de una amplia gama de núcleos exóticos.

La colaboración, dirigida por el IJC, cuenta con investigadores de 37 institutos y 16 países, entre ellos y además de la UCM, el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia.

Para revelar el mecanismo que genera el espín de los fragmentos, el equipo indujo reacciones de fisión nuclear en la instalación ALTO y midió los rayos gamma que se emiten en el proceso. En concreto, se irradiaron muestras de uranio 238U y de torio 232Th con un haz de neutrones pulsados.

Este descubrimiento puede tener aplicaciones prácticas, por ejemplo, para contribuir a entender el problema del calentamiento por radiación gamma en los reactores nucleares

Luis Mario Fraile (GFN/IPARCOS-UCM)

El análisis exhaustivo de los rayos gamma emitidos ha permitido demostrar que el espín en la fisión se genera realmente después de la escisión del núcleo. Los experimentos mostraron que el espín promedio tiene una dependencia con la masa del fragmento en forma de diente de sierra.

Sin embargo, los dos fragmentos (que pueden dividirse en diferentes proporciones de masa), tienen espines promedio que no parecen estar correlacionados con la masa de su fragmento asociado.

"Lo que realmente nos sorprendió fue la falta de dependencia significativa del espín promedio observado en un fragmento con respecto al espín mínimo exigido en el fragmento asociado”, señala el autor principal del estudio, Jonathan Wilson, del IJC.

“La mayoría de las teorías que plantean la hipótesis de que el espín se genera antes de la fisión habrían predicho una fuerte correlación, pero nuestros resultados muestran que el espín del fragmento surge después de la fisión. Se puede ilustrar como el chasquido de una banda elástica estirada que al romperse da lugar a una fuerza de giro", apunta Wilson.

Referencia:

J.N. Wilson et al. 'Angular momentum generation in nuclear fission', Nature, 2021

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