Presentación PP parte 3

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