El núcleo • 1911 E. Rutherford el átomo consiste de un núcleo muy pequeño ≈ 10-14 m. • El modelo de Rutherford se basa en la mecánica clásica. • La mecánica cuántica es la teoría que debe usarse para describir al núcleo. • La física atómica estudia principalmente electrones localizados en capas y subcapas alrededor del núcleo. Sus estados energéticos son del oren de eV. El núcleo • La estructura nuclear más simple es el deuterón núcleo = protón + neutrón. Para separarlos se requieren 2.24 MeV. • En una reacción nuclear como la fisión del 235U en 89Kr y 144Ba, se liberan del orden de 200 MeV por átomo de U. • Las partículas que constituye al núcleo (neutrones y protones) se denominan nucleones. El núcleo • Un núclido es una especie atómica caracterizado por la constitución específica de su núcleo, es decir, por: El número de protones, denominado número atómico y denotado por Z. El número de neutrones, denominado número neutrónico y denotado por N, y Su estado energético nuclear. Una cantidad importante es el número másico, que es la suma de protones más neutrones y denotado por A. A=Z+ N El núcleo 𝐴 𝑍𝐵N • Con frecuencia se omite N por redundante. 35 • 35 𝐶𝑙 se denota simplemente como 17 18 17𝐶𝑙. • Los isótopos son núclidos con el mismo número de protones (mismo número atómico Z) pero diferente número de neutrones (diferente número másico A). 28 30 29 32 𝑆𝑖, 𝑆𝑖, 𝑆𝑖, 14 14 14 14𝑆𝑖 Son todos isótopos del Si • Los isótonos tienen el13mismo número de neutrones: 14 6𝐶, 7𝑁 • Los isóbaros tienen el mismo número másico pero diferente número atómico: 17 17 17 7𝑁, 8𝑂, 9𝐹 Fuerzas nucleares • De acuerdo a la ley de Coulomb, los protones deberían repelerse. • Sólo una fuerza muy atractiva puede mantener a los nucleones en forma estable en el núcleo. • A estas fuerzas se les denomina interacciones fuertes. Éstas fueron estudiadas por Hideki Yukawa. Fuerzas nucleares Las características de las interacciones fuertes son: 1. Las fuerzas nucleares son efectivas sólo en distancias muy cortas. 2. Las fuerzas nucleares son independientes de la carga. 3. Las fuerzas nucleares son las más intensas conocidas en la naturaleza. 4. Las fuerzas nucleares son saturadas rápidamente por los nucleones circundantes. Fuerzas nucleares Corto alcance Las fuerzas nucleares son apreciables sólo cuando la distancia entre los nucleones es del orden de 10-15 m. También existe evidencia que muestra que a distancias extremadamente cortas 0.5 x 10-15 m los nucleones se repelen entre sí. Fuerzas nucleares Fuerzas nucleares Fuerzas nucleares Independencia de la carga Los experimentos muestran que la interacción entre nucleones es independiente de la carga. Con mucha exactitud, se ha determinado que la interacción entre Protón-neutrón Neutrón-neutrón Protón-protón Es la misma, excluyendo las fuerzas de Coulomb. Fuerzas nucleares Fuerzas intensas Las fuerzas entre nucleones son las más intensas encontradas en la naturaleza. Las fuerzas gravitacionales y electromagnéticas, a pesar de ser más débiles, se observaron mucho antes que las fuerzas nucleares, dado que aquellas están asociadas con cuerpos macroscópicos. Propiedades del núcleo Masa nuclear supuesta 𝑍𝑚𝑝 + 𝑁𝑚𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙 < 𝑍𝑚𝑝 + 𝑁𝑚𝑛 𝑍𝑚𝑝 + 𝑁𝑚𝑛 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑀𝐷 Denominada déficit de masa La explicación teórica se basa en la ecuación relativista 𝐸 = ∆𝑚𝑐 2 Propiedades del núcleo Propiedades del núcleo Densidad nuclear. A pesar de que la fuerza nuclear es muy intensa, los experimentos muestran que la densidad nuclear es casi constante. La densidad nuclear tampoco depende del número másico A. Dicho en otras palabras, el número de protones y neutrones por unidad de volumen es aproximadamente constante en todo el núcleo 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑦 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠 𝐴 = 4 3 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑛ú𝑐𝑙𝑒𝑜 𝜋𝑅 3 3 𝐴∝𝑅 𝑅 ∝ 𝐴 1/3 𝑅 = 𝑅0 𝐴 1/3 𝑐𝑜𝑛 𝑅0 = 1.2 × 10−15 𝑚 Fotoestabilidad-estabilidad nuclear • Sabemos que las energías que ligan a los nucleones son muy grandes. • Sin embargo cuando partículas como los neutrones, protones, partículas alfa, o fotones de alta energía chocan con el núcleo pueden inducir cambios dentro de éste. • Las partículas pueden: permanecer en el núcleo y dar lugar a la expulsión de otras. Fracturar al núcleo Rebotar Fotoestabilidad-estabilidad nuclear • La estabilidad del núcleo se mide en términos de la energía de la partícula incidente y de las energías de amarre de las partículas que lo forman. • Además del único protón del átomo de H, la siguiente estructura nuclear más simple es el deuterón. En su desintegración 2 1 1 𝐻 → 𝐻 + 𝑛 1 1 La energía de amarre se encuentra a partir de 𝐸𝑏 = 𝑍𝑚𝐻 + 𝑁𝑚𝑛 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒 21𝐻 Si md es la masa nuclear del deuterón, la energía de amarre se calcula a partir de 𝐸𝑏 + 𝑚𝑑 𝑐 2 = 𝑚𝑝 𝑐 2 + 𝑚𝑛 𝑐 2 Fotoestabilidad-estabilidad nuclear • Experimentalmente, la energía de amarre del deuterón se puede calcular por fotodesintegración. En este proceso fotones energéticos son absorbidos por el núcleo, lo que da lugar a la desintegración a través del proceso 𝛾+𝑑 ⟶𝑝+𝑛 El balance de masa y energía de la ecuación previa es ℎ𝜈 + 𝑚𝑑 𝑐 2 = 𝑚𝑝 𝑐 2 + 𝑚𝑛 𝑐 2 + 𝐸𝐾𝑝 + 𝐸𝐾𝑛 ℎ𝜈 = 𝐸𝑏 Fotoestabilidad-estabilidad nuclear En la tabla se muestra como los 272 núclidos estables encontrados en la naturaleza se clasifican de acuerdo a números pares y nones de protones y neutrones. Protones Neutrones Núclidos estables par par 160 par non 56 non par 52 non non 4 272 Non non sólo en elementos ligeros Fotoestabilidad-estabilidad nuclear 48 20𝐶𝑎 Z = 20 N = 28 232 91𝑃𝑎 Z = 91 N = 141 Modelos nucleares: la gota líquida • No hay ninguna teoría completa que describa todas las propiedades nucleares. • Muchos modelos se han desarrollado para describir diferentes propiedades. • En un líquido, las energías de ligadura de dos átomos en una molécula son independientes de otros átomos en la misma molécula. • El efecto señalado es similar al efecto de saturación de las fuerzas nucleares, donde la energía de amarre por nucleón permanece prácticamente constante para número de masa A≥20. Modelos nucleares: la gota líquida • En 1935 C.V. Weisacker, propuso la fórmula semiempírica para la energía de amarre nuclear para un núcleo (Z, N, A) 2 3 𝐸𝑏(𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟) = 𝑎𝐴 − 𝑏𝐴 − 𝑐𝑍 𝑍−1 1 𝐴3 − 𝑑 𝑁−𝑍 2 𝐴 ∓ 𝛿 3 𝐴4 (MeV) Los valores de las constantes son 𝑎 = 15.8, 𝑏 = 17.8, 𝑐 = 0.71, 𝑑 = 23.7. La constante 𝛿 se selecciona de acuerdo con Modelos nucleares: la gota líquida 𝛿 Z N A 34 par par par 0 par non non 0 non par non -34 non non par Modelos nucleares: la gota líquida El primer término, es el efecto volumétrico. La energía de amarre es directamente proporcional al número de nucleones, en el mismo sentido que el calor de vaporización es proporcional a la masa de un líquido. Al igual que en un líquido los nucleones en la superficie no están totalmente rodeados. El segundo término es similar a la tensión superficial en los líquidos. El tercer término corrige la repulsión electrostática de Coulomb. El cuarto término está asociad a la falta de simetría entre el número de protones y neutrones. El último es un término correctivo, llamado término de apareamiento. Modelos nucleares: las capas • Experimentalmente se ha establecido que muchas propiedades nucleares varían periódicamente, de manera similar a cómo varían las propiedades atómicas en la tabla periódica de los elementos. • Por ejemplo, los núcleos más estables ocurren cuando e número de protones (Z) o el número de neutrones (N = A-Z) son iguales a uno de los siguientes números, 2, 8, 20, 50, 82, 126 que son llamados números mágicos. • Estos números han sido explicados por el modelo de capas del núcleo, el cual propone que los protones y los neutrones forman capas cerradas, de manera similar a las capas electrónicas. Modelos nucleares: las capas • Si se hace una amplificación de la curva de energía de amarre por nucleón, es posible notar que hay máximos para la energía de amarre para ciertos núclidos, respecto a sus vecinos. 120 140 16 83 208 4 𝐻𝑒, 𝑂, 𝑆𝑟, 𝑆𝑛, 𝐶𝑒, 2 8 38 82𝑃𝑏 50 58 • Los números mágicos también aparecen cuando se compara el número de núclidos estables con el número de protones o neutrones. Modelos nucleares: las capas Modelos nucleares: las capas El neutrón • En 1930 W. Bothe y H. Becker produjeron una radiación muy penetrante al bombardear núcleos de 9 4𝐵𝑒 con partículas a de 5.3 MeV, producidas en una fuente radiactiva. Penetraba varios centímetros de plomo. No era desviada por campos eléctricos o magnéticos. La conclusión es que se trataba de luz altamente energética. Los experimentos no eran compatibles con la presencia de rayos g. El neutrón • La energía liberada se puede calcular de la reacción 9 13 4 𝐻𝑒 + 𝐵𝑒 ⟶ 2 4 6𝐶 + 𝛾 y corresponde a 10.6 MeV, muy lejana de la que se esperaría de la dispersión Compton (aprox. 55 MeV). James Chadwick sugirió que se trataba de una partícula sin carga, de aproximadamente el mismo tamaño que el protón. La reacción que propuso Chadwick fue 9 4 12 1 𝐻𝑒 + 𝐵𝑒 ⟶ 𝐶 + 2 4 6 0𝑛 Dado que la masa del 49𝐵𝑒 no se conocía bien se empleó la reacción 11 4 1 14 𝐻𝑒 + 𝐵 ⟶ 𝑁 + 7 2 0𝑛 5 El neutrón • Calcula la energía disponible del déficit de masa cuando el neutrón es considerado parte de la reacción. 4 9 12 1 𝐻𝑒 + 𝐵𝑒 ⟶ 𝐶 + 2 4 6 0𝑛 Dado que el neutrón tiene una masa casi igual a la del protón y a que carece de carga, se ha convertido en un importante proyectil en muchos experimentos. A continuación se presenta una muestra de métodos de producción de neutrones. Fuente de neutrones El radio es un emisor radiactivo, y cuando se mezcla con berilio, las partículas a expulsan neutrones del berilio de acuerdo con 4 9 12 1 2𝐻𝑒 + 4𝐵𝑒 ⟶ 6𝐶 + 0𝑛 El neutrón Partículas cargadas aceleradas Cuando deuterones de alta velocidad bombardean un blanco de tritio, se producen neutrones de acuerdo con 2 3 4 1 𝐻 + 𝐻 ⟶ 𝐻𝑒 + 1 1 2 0𝑛 Esta reacción tiene una ventaja pues se conoce la energía del neutrón emitido. Como el neutrón es más ligero que la partícula a, éste se lleva la mayor parte de la energía disponible de la reacción en forma de energía cinética. • ¿Cuál es la energía disponible? El neutrón Fotodesintegración La interacción de los rayos g con los núcleos es también un medio para producir neutrones. Por ejemplo, la reacción 𝛾 + 49𝐵𝑒 ⟶ 84𝐵𝑒 + 10𝑛 La masa de salida es mayor que la de entrada y se requiere energía del exterior para iniciar la reacción. ¿Cuál es la energía umbral del fotón para producir esta reacción? El neutrón • Detección de neutrones Dado que los neutrones no tienen carga no pueden interactuar con campos eléctricos y magnéticos, ni pueden producir ionización. Los neutrones no provocan fluorescencia, ni producen trayectorias en las cámaras de niebla ni en emulsiones. Tampoco pueden ser registrados en los contadores Geiger. Lo anterior dio lugar al desarrollo de técnicas para su detección. El neutrón Una forma de detectarlos es a través de la ionización producida por las partículas cargadas creadas en una reacción nuclear cuando los neutrones se usan como proyectiles. Se puede lograr que una cámara de ionización sea sensible a neutrones llenándola de trifloruro de boro. Los neutrones incidentes sobre los núcleos de boro producen partículas a de acuerdo con la reacción 10 1 7 4 𝑛 + 𝐵 ⟶ 𝐿𝑖 + 0 3 2𝐻𝑒 5 Lo que se detecta en la cámara de ionización es la partícula a que indica indirectamente la presencia de neutrones. El neutrón Un neutrón lento tiene la probabilidad de interactuar con un núcleo y ser absorbido. A este proceso de le denomina captura radiactiva de neutrones. En este caso la captura del neutrón por el núcleo da lugar a la emisión de un fotón, por ejemplo en la reacción 28 1 27 𝑛 + 𝐴𝑙 ⟶ 0 13 13𝐴𝑙 + γ Así, es posible detectar la presencia de un neutrón. Reacciones nucleares • Cuando un núcleo se bombardea con una partícula de modo que ocurre un cambio en las características o la identidad del núcleo, se dice que hay una reacción nuclear. • Las primeras reacciones nucleares producidas en un laboratorio fueron efectuadas por Rutherford en 1919. Para ello empleó partículas a con energía de 7.68 MeV procedentes del Po-214 para bombardear N-14 y producir O-17 y protones, es decir 4 1 17 14 𝐻𝑒 + 𝑁 ⟶ 𝐻 + 7 1 2 8𝑂 Reacciones nucleares • Simbólicamente, como se ha visto, una reacción nuclear se escribe como 𝑥+𝑋 ⟶𝑦+𝑌 En donde x es el proyectil, X es el núcleo blanco, y es la partícula producto en tanto que Y representa el núcleo de retroceso. • Las ecuación anterior puede denotarse como 𝑋 𝑥, 𝑦 𝑌 • No es, sino con el advenimiento de los aceleradores de partículas a partir de 1931, que el número de reacciones nucleares se amplió. Reacciones nucleares • Todas las reacciones nucleares son gobernadas por los siguientes principios 1. Conservación de la carga eléctrica. La carga eléctrica se conserva en las reacciones nucleares 𝑍𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝑍𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 La suma de los números protónicos antes de la reacción es igual a la suma de los números protónicos después de la reacción. 2. Conservación del número total de nucleones. La suma de los números de masa antes y después de la reacción debe ser la misma, 𝐴𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝐴𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 3. Conservación de la masa y energía. Para un sistema aislado, dado que la masa y la energía son intercambiables, la masa energía permanece constante. 4. Conservación del momento lineal. 5. Conservación del momento angular Reacciones nucleares • En una reacción 𝑋 𝑥, 𝑦 𝑌, en la que X está en reposo, el balance de masa energía a partir de la conservación de energía resulta ser 𝑚𝑥 𝑐 2 + 𝐸𝐾𝑥 + 𝑀𝑋 𝑐 2 = 𝑚𝑦 𝑐 2 + 𝐸𝐾𝑦 + 𝑀𝑌 𝑐 2 + 𝐸𝐾𝑌 • Si se supone por ahora que las reacciones son de baja energía (energía del proyectil menor a 10 MeV), las energías cinéticas 𝐸𝐾𝑥 , 𝐸𝐾𝑦 , 𝐸𝐾𝑦 se pueden considerar en su aproximación clásica; 𝐸𝐾 = 𝑝2 . 2𝑚 • El valor Q de la reacción es la energía disponible de la diferencia en masa entre el proyectil más el blanco y la partícula producto más el núcleo en retroceso. Q es 𝑄 = 𝑚𝑥 + 𝑀𝑋 − 𝑚𝑦 + 𝑀𝑌 𝑐 2 = 𝐸𝐾𝑦 + 𝐸𝐾𝑌 − 𝐸𝐾𝑥 Reacciones nucleares • Cuando la masa de entrada es mayor que la masa de salida, 𝑚𝑥 + 𝑀𝑋 > 𝑚𝑦 + 𝑀𝑌 , parte de la masa se transforma en energía (se crea energía a expensas de la masa perdida). • La energía creada es la diferencia entre la energía cinética de salida y la energía cinética de entrada. Así ha ocurrido una transformación de masa en energía de acuerdo a la ecuación ∆𝑚 𝑐 2 = ∆𝐸 = 𝑄 • La pérdida o déficit de masa es ∆𝑚 y ∆𝐸 es la energía correspondiente que se ha creado. Las reacciones en las que 𝑄 > 0 se denominan exotérmicas porque liberan energía. Reacciones nucleares • Por otro lado si 𝑚𝑥 + 𝑀𝑋 < 𝑚𝑦 + 𝑀𝑌 , entonces 𝐸𝐾𝑦 + 𝐸𝐾𝑌 < 𝐸𝐾𝑥 . En este caso, la masa de salida es mayor que la masa de entrada. Parece que se ha creado masa a expensas de la energía cinética de salida. De este modo ha ocurrido una transformación de energía en masa de acuerdo a ∆𝐸 ∆𝑚 = 2 𝑐 • Dado que 𝑄 < 0 y dado que hay que agregar energía desde una fuente externa, este tipo de reacción se denomina endotérmicas. Reacciones nucleares • Si el valor de Q para un proceso es mayor que cero, el proceso puede ocurrir espontáneamente. Sin embargo si Q es menor que cero, el proceso no es posible a menos que se suministre energía. • Considera la reacción nuclear 30 27 𝐴𝑙 𝛼, 𝑛 13 15𝑃 Calcula Q. Aun con la energía umbral encontrada en este ejemplo, no sería suficiente para iniciar la reacción. Reacciones nucleares • Si analizamos el mismo proceso desde el punto de vista de la energía de amarre. La ecuación toma la forma 𝑚𝑥 + 𝑀𝑋 + 𝐸𝑏 = 𝑚𝑦 + 𝑀𝑌 de donde 𝐸𝑏 = 𝑚𝑦 + 𝑀𝑌 − 𝑚𝑥 + 𝑀𝑋 de modo que 𝐸𝑏 = −Q • Si 𝐸𝑏 > 0, el proceso no ocurre espontáneamente. • En resumen 𝑄 < 0 ⇒ 𝐸𝑏 > 0 el proceso no ocurre espontáneamente 𝑄 > 0 ⇒ 𝐸𝑏 < 0 el proceso 𝐩𝐮𝐞𝐝𝐞 ocurrir espontáneamente con una liberación de energía igual a Q Sistema centro de masa Sistema centro de masa Radiactividad • El diccionario de la lengua española, acepta Radiactividad y radioactividad. • En 1896 H. Becquerel descubre la radiactividad. • En 1898, Marie y Pierre Curie separan 1g sustancia activa a partir de c.a. 1000 kg pecblenda. Se le denomina polonio (Po). • En 1903 a los tres se les confiere premio Nobel física. • En 1911 M. Curie recibe el premio Nobel química por aislar el radio (Ra). de de de de Radiactividad • A excepción de 257 núclidos estables, de más de 3000 núclidos conocidos, el resto son radiactivos. Es decir ellos, decaen en otros núclidos, por emisión de radiación. • El término radiación en este contexto se refiere tanto a partículas como a radiación electromagnética. • En 1900 E. Rutherford descubrió que la razón de emisión de radiación de una sustancia no es constante y que decrece en forma exponencial con el tiempo. • Esta dependencia exponencial con el tiempo es característica de la radiactividad e indica que es un proceso estadístico. Radiactividad • Rutherford descubrió que un campo magnético separaba la radiación en partículas a, que son núcleos de helio, y partículas b, que son electrones. • Posteriormente P. Willard encontró otro tipo de radición diferente, radiación g, que corresponde a RE muy energética. • Cualquier núclido que cambia su estructura emitiendo rayos g o alguna partícula nuclear como las partículas a, b- o b+ se denomina núcleo radiactivo. Radiactividad • Los siguientes procesos son representativos de la desintegración de los núclidos naturalmente radiactivos. 𝐴 𝐴−4 4 𝑀 ⟶ 𝑀 + a decaimiento 𝑍 𝑍−2 2𝐻𝑒 𝐴 𝐴 0 𝑀 ⟶ 𝑀 + 𝛽 + 𝜈ҧ −1 𝑍 𝑍+1 𝐴 𝐴 0 𝑀 ⟶ 𝑀 + 𝛽 + 𝜈ҧ +1 𝑍 𝑍−1 𝐴 𝐴 0 ⟶ 𝑀 + 𝛽 −1 𝑍 𝑍−1𝑀 + ∗ 𝐴 𝐴 𝑀 ⟶ 𝑍 𝑍𝑀 + 𝛾 b- decaimiento b+ decaimiento 𝜈 b- captura g decaimiento Radiactividad Series de Decaimientos Radiactivos Naturales 4n http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu 4n+2 Series de Decaimientos Radiactivos Naturales 4n+3 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu ¿? 4n+1 Fisión http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/nucene/u235chn.html#c1 Fisión • El uranio natural se compone de 0,72% de U-235 (el isótopo fisible), 99,27% de U-238, y trazas del 0,0055% de U-234 . El 0,72% de U-235, no es suficiente para producir una reacción en cadena crítica auto sostenida, en los tipos de reactores de agua ligera de los EE.UU., aunque son usados en los reactores canadienses CANDU. En los reactores de agua ligera, el combustible debe estar enriquecido con el 2,53,5% de U-235. • El uranio se encuentra como óxido de uranio, que cuando se purifica tiene un color amarillo intenso llamada "torta amarilla". Después de la reducción, el uranio debe pasar por un proceso de enriquecimiento de isótopos. A pesar de la necesidad del enriquecimiento, tan sólo se necesitan unos 3 kg de uranio natural, para abastecer las necesidades energéticas de un americano durante un año http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/nucene/fission.html#c2 Fisión • En la década de 1930, los físico-químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassman, intentaron crear elementos transuránicos, mediante el bombardeo de uranio con neutrones. En lugar de los elementos pesados que esperaban, obtuvieron varios productos no identificados. Cuando finalmente identificaron uno de los productos como el bario-141, fueron reacios a publicar el hallazgo por ser tan inesperado. Cuando finalmente publicaron los resultados en 1939, estos llamaron la atención de Lise Meitner, una físico nacida en Austria, que había trabajado con Hahn en sus experimentos nucleares. Tras la invasión de Austria por Hitler, se vió obligada a huir a Suecia, donde ella y Otto Frisch, su sobrino, continuaron trabajando en el problema del bombardeo de neutrones. Ella fue la primera en darse cuenta de que el bario de Hahn, y otros productos más ligeros de los experimentos de bombardeo de neutrones, venían de la fisión del U-235. Frisch y Meitner llevaron a cabo otros experimentos, que demostraron que la fisión del U-235, producía una enorme cantidad de energía, y que la fisión producía al menos dos neutrones, por cada neutrón absorbido en la interacción. Se dieron cuenta de que esto originaba una reacción en cadena, con un rendimiento energético sin precedentes. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/nucene/fission.html#c2 Fisión • El uranio-235 es el isótopo fisible de origen natural. • El uranio-238, que representa el 99,3% del uranio natural, no es fisible por neutrones lentos. • Hay otros isótopos que pueden dar lugar a la fisión mediante el bombardeo de neutrones. • El plutonio-239 también es fisible por el bombardeo con neutrones lentos. • El plutonio-239 puede ser producido a partir del uranio238. • El Torio-232 es fisible, así que posiblemente podría ser utilizado como combustible nuclear. • El único otro isótopo que se conoce que es fisible por el bombardeo de neutrones de fisión lento, es el uranio233. Fisión La ecuación esquemática para el proceso de fisión es 235 236 ∗ 𝑈 + 𝑛 ⟶ 92 92𝑈 + 𝑋 + 𝑌 + 𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 ∗ , es un isótopo donde n es un neutrón lento, 236 𝑈 92 inestable, y X y Y son los fragmentos de fisión. Los fragmentos no están determinados en forma única, dado que hay varias combinaciones posibles de fragmentos y unn cierto número de neutrones expulsados. Algunos ejemplos de reacciones típicas de fisión son: 144 235 236 ∗ 89 1 1 𝑛 + 𝑈 ⟶ 𝑈 ⟶ 𝐵𝑎 + 𝐾𝑟 + 3 0 0𝑛 + 𝑄 92 92 36 56 140 235 236 ∗ 94 1 1 𝑛 + 𝑈 ⟶ 𝑈 ⟶ 𝑋𝑒 + 𝑆𝑟 + 2 0 0𝑛 + 𝑄 92 92 38 54 Donde Q es la energía liberada en la reacción. En el primer caso Q ~ 177 MeV. Fisión http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/nucene/u235chn.html#c1 Fisión La segunda reacción puede ampliarse de modo que 140 235 236 ∗ 94 1 1 𝑛 + 𝑈 ⟶ 𝑈 ⟶ 𝑋𝑒 + 𝑆𝑟 + 2 0 0𝑛 + 𝑄 92 92 38 54 Da lugar a − 140 − 140 − 140 − 140 140 𝛽 𝛽 𝛽 𝛽 54𝑋𝑒 ⟶ 55𝐶𝑠 ⟶ 56𝐵𝑎 ⟶ 57𝐿𝑎 ⟶ 58𝐶𝑒 y − 94 − 94 94 𝛽 𝛽 38𝑆𝑟 ⟶ 39𝑌 ⟶ 40𝑍𝑟 Así, el proceso de fisión libera una gran cantidad de energía y una cantidad más bien pequeña es liberada por el decaimiento radiactivo de los fragmentos. Esta energía liberada aparece como la energía cinética de los fragmentos y como la energía cinética de los electrones, neutrinos y neutrones liberados y como la energía de los fotones producidos. Fisión Un cálculo grueso de la energía liberada en la fisión de uranio-235 se obtiene del siguiente balance Antes de la fisión Después de la fisión 235 92𝑈 = 1 0𝑛 = 140 58𝐶𝑒 = 94 40𝑍𝑟 = 2 10𝑛 = 6𝛽 − = Esto resulta en un valor de Q de aprox. 200 MeV. Para comparar, en la desintegración de una partícula a la energía liberada es del orden de 5 MeV y en la combustión química del orden de 4 eV. Fusión Hans Bethe sugirió el ciclo del carbono y del protón-protón como reacciones nucleares para la liberación de energía por fusión: El ciclo del carbono se resume en 4 11𝐻 ⟶ 2 42𝐻𝑒 + 2 +10𝑒 + 2ν + 𝑄 Donde Q es aproximadamente 26 MeV En el ciclo protón-protón la energía liberada aproximadamente, también, de 26 MeV. es