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1.- Composición del núcleo. Isótopos

2.- Estabilidad de los núcleos. Energía de enlace

3.- Radiactividad

4.-Reacciones nucleares

  - Reacción de fisión
  - Reacción de fusión
  - Problema: bomba H
   
   
   

 

 

 

ELEMENTOS BÁSICOS DE FÍSICA NUCLEAR

 

4.- Reacciones nucleares.

Una reacción nuclear es un proceso de combinación y transformación de las partículas y núcleos atómicos. Una reacción nuclear se representa mediante una ecuación que muestra el proceso en el que intervienen núcleos atómicos. Ya se han visto a lo largo de estos apuntes algunas reacciones referentes a procesos radiactivos ya que la desintegración α y β pueden considerarse como reacciones nucleares. Existen otro tipo de reacciones nucleares consistentes en el bombardeo de un núcleo con otros núcleos de menor tamaño o, incluso, con partículas subatómicas.

La primera reacción nuclear (diferente a la desintegración radiactiva) estudiada lo fue por parte de Rutherford en 1919: consiste en el bombardeo de núcleos de nitrógeno-14 con partículas α (procedentes de la desintegración del radio-226):

Podemos pensar que el sueño de los alquimistas está cerca pues el nitrógeno se ha convertido en oxígeno de forma artificial. Otro ejemplo de reacción nuclear, utilizada por Irene-Joliot Curie (hija de Marie y Pierre Curie)  y su esposo Jean Fréderic Joliot-Curie les permitió descubrir la radiactividad artificial:

el fósforo-30 es radiactivo, fue el primer isótopo radiactivo sintetizado en un laboratorio y permitió al matrimonio descubridor recibir el premio Nobel en 1935.

Podemos ver en la última reacción nuclear un motivo del porqué de la peligrosidad de la partícula α ya que produce reacciones nucleares que dan lugar a nuevos núcleos radiactivos.

Más ejemplos:

Podemos ver en todas estas reacciones que se debe conservar la masa (la suma de los números másicos de los productos y reactivos es la misma) y la carga (la suma de los números atómicos –protones- en productos y reactivos es la misma).

El catálogo de partículas y núcleos utilizados para bombardear es muy extenso. Las más importantes, junto con sus símbolos, son:

Las partículas con carga eléctrica se pueden acelerar con campos eléctricos y magnéticos con el objeto de facilitar el choque y la reacción (aceleradores de partículas) al impactar a gran velocidad con el blanco. El neutrón y otras partículas neutras no se pueden acelerar dado su carácter neutro.

 

 

Reacción de fisión

Es un tipo de reacción nuclear que se produce cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos ligeros. En estas reacciones se libera mucha energía.

La fisión nuclear fue descubierta en 1939 por O. Hahn y F. Strassmann al bombardear un núcleo de uranio-235 con un neutrón. Se produce uranio-236, un núcleo muy inestable que se fisiona en dos núcleos más ligeros según la reacción:

A pesar de que el uranio-235 es energéticamente menos estable que sus productos de fisión, no se fisiona de forma espontánea. Es necesaria una energía de activación que se obtiene de la captura de un neutrón por el núcleo. La energía desprendida se puede determinar calculando exactamente el defecto de masa entre productos y reactivos pues aunque la suma de los números másicos de productos y reactivos se conserva, hay una diferencia entre el las masas experimentales de productos y reactivos.

Una serie de consideraciones a temer en cuenta:

1ª) El uranio-235 que permitió descubrir la fisión nuclear no es precisamente el isótopo más abundante del uranio. Enriquecer una muestra de un elemento en un isótopo concreto no es una tecnología que esté al alcance de todos los países.

2ª) Los dos fragmentos producto de la fisión no son siempre los mismos. En la reacción anterior los fragmentos son el bario-141 y el kriptón-92, pero estos fragmentos son  el caso más probable de ruptura. La gráfica adjunta nos muestra cómo varía la probabilidad de fisión del uranio-235 en función del número másico de los núcleos producto de la misma.

La mayor parte de los núcleos obtenidos en la fisión son radiactivos y dan lugar a sus propias series radiactivas.

3ª) La energía liberada es del orden de 200 MeV por reacción, es decir, por átomo de uranio fisionado. Si suponemos que tenemos 235 g de uranio-235,  tendremos  un  número  de Avogadro de átomos de uranio fisionales a 200 MeV por átomo dan un total de 12 · 1025 MeV de energía = 192 · 1011 J.

Un kilogramo de uranio-235 produciría por fisión una energía cuya cantidad es 1.800.000 veces superior a la obtenida por quemar 1 kg de gasolina (1 kg de gasolina produciría 4’6 · 107 J).

 

4ª) En las reacciones de fisión se producen entre 2 y 3 neutrones, dependiendo de los núcleos producto de la reacción de fisión. Estos neutrones pueden fisionar a otros núcleos de uranio-235 y producir una reacción en cadena. Para que se produzca dicha reacción en cadena debe haber un número determinado de núcleos del elemento fisionable, es su masa crítica.

Enrico Fermi fue el primer físico que produjo una reacción en cadena en 1942 en Chicago.

5ª) Otros núcleos fisionables son el torio, protoactinio, plutonio,…

 

Fusión nuclear

Es un tipo de reacción nuclear en la que núcleos ligeros se unen para producir un núcleo más pesado. Sería la una reacción inversa a la fisión nuclear:

La energía desprendida en el ejemplo anterior es de 17’6 MeV ya que los productos presentan un defecto de masa de 0’0189 u. El desprendimiento de energía se produce porque el núcleo de helio-4 es más estable que los núcleos de deuterio y tritio y se desprende la energía de enlace correspondiente.

Tal como sucede en la fisión, para iniciar un proceso de fusión nuclear es necesaria una energía de activación. En el caso de la fusión, la energía necesaria para que los núcleos se unan venciendo las repulsiones electrostáticas es proporcionada por una energía térmica muy elevada (correspondiente a temperaturas superiores al millón de grados Kelvin).

Los núcleos de pequeño peso atómico, como el deuterio o el tritio, son los más adecuados para producir fusión nuclear.

Las reacciones de fusión, también llamadas termonucleares, tienen lugar de forma natural en el Sol y las estrellas, gracias a las altas temperaturas de su interior. De forma artificial, en cambio, el ser humano sólo ha conseguido (hasta ahora) la fusión en cadena de forma explosiva: se trata de la bomba de hidrógeno o bomba H. Mediante una bomba atómica de fisión se alcanza la temperatura necesaria para llevar a cabo la reacción de fusión, es decir, en una bomba H una bomba atómica es el detonador.

 
Problema:

Solución

Masa de reactivos = 2’01474 + 3’01700 = 5’03174 u

Masa de productos = 4’00388 + 1’0087 = 5’01258 u

Defecto de masa = 0’01916 u.

Pasamos ahora este defecto de masa a kilogramos con objeto de obtener la energía correspondiente en julios:

La energía correspondiente a este defecto de masa es:

Esta energía es liberada para la formación de 4’00388 u de helio según la estequiometría de reacción nuclear del enunciado, es decir, se ha calculado la energía liberada para la formación de un núcleo de helio-4 cuya masa es:

Cuando se hayan formado por fusión 10 g de helio-4, la energía total liberada será:

 

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Estos apuntes se finalizaron el 25 de junio de 2007 en

Villanueva del Arzobispo, Jaén (España)

Autor: Felipe Moreno Romero

fresenius1@gmail.com

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