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Núcleo atómico y reacciones nucleares

Castilla y León · 2024 · Junio
Enunciado
Determine el defecto de masa y la energía de enlace por nucleón (expresada en MeV) para el isótopo del bario 56136Ba{}^{136}_{56}\text{Ba} sabiendo que su masa atómica es 135,904576 u135{,}904576\ \text{u}.

Datos: mneutroˊn=1,008665 um_{\text{neutrón}} = 1{,}008665\ \text{u}; mprotoˊn=1,007276 um_{\text{protón}} = 1{,}007276\ \text{u}.

Datos (de la tabla de constantes del examen): 1 u=1,66⋅10−27 kg1\ \text{u} = 1{,}66\cdot 10^{-27}\ \text{kg}; c0=3,00⋅108 m s−1c_0 = 3{,}00\cdot 10^{8}\ \text{m}\,\text{s}^{-1}; 1 eV=1,60⋅10−19 J1\ \text{eV} = 1{,}60\cdot 10^{-19}\ \text{J}.
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Resultado
  Δm=1,196 u=1,99⋅10−27 kg  \boxed{\;\Delta m = 1{,}196\ \text{u} = 1{,}99\cdot 10^{-27}\ \text{kg}\;}  Ee=1,12⋅103 MeVEe/A=8,21 MeV/nucleoˊn  \boxed{\;E_e = 1{,}12\cdot 10^{3}\ \text{MeV}\qquad E_e/A = 8{,}21\ \text{MeV/nucleón}\;}
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Estrategia

El defecto de masa es lo que «falta» al comparar la masa del núcleo con la suma de las masas de sus nucleones por separado. Esa masa equivale, por E=Δm c2E = \Delta m\,c^2, a la energía de enlace, y dividiéndola entre el número de nucleones AA se obtiene la energía de enlace por nucleón.
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Desarrollo

Composición del núcleo. 56136Ba{}^{136}_{56}\text{Ba} tiene Z=56Z = 56 protones y N=A−Z=136−56=80N = A - Z = 136 - 56 = 80 neutrones.

Defecto de masa:Δm=Z mp+N mn−M=56⋅1,007276+80⋅1,008665−135,904576\Delta m = Z\,m_p + N\,m_n - M = 56\cdot 1{,}007276 + 80\cdot 1{,}008665 - 135{,}904576Δm=137,100656−135,904576=1,19608 u\Delta m = 137{,}100656 - 135{,}904576 = 1{,}19608\ \text{u}En kilogramos:Δm=1,19608⋅1,66⋅10−27=1,99⋅10−27 kg\Delta m = 1{,}19608\cdot 1{,}66\cdot 10^{-27} = 1{,}99\cdot 10^{-27}\ \text{kg}Energía de enlace:Ee=Δm c2=1,9855⋅10−27⋅(3,00⋅108)2=1,79⋅10−10 JE_e = \Delta m\,c^2 = 1{,}9855\cdot 10^{-27}\cdot\left(3{,}00\cdot 10^{8}\right)^2 = 1{,}79\cdot 10^{-10}\ \text{J}Ee=1,787⋅10−10 J1,60⋅10−19 J/eV=1,12⋅109 eV=1117 MeVE_e = \frac{1{,}787\cdot 10^{-10}\ \text{J}}{1{,}60\cdot 10^{-19}\ \text{J/eV}} = 1{,}12\cdot 10^{9}\ \text{eV} = 1117\ \text{MeV}(con las constantes de la tabla, 1 u⋅c2=934 MeV1\ \text{u}\cdot c^2 = 934\ \text{MeV}).

Energía de enlace por nucleón:EeA=1117 MeV136=8,21 MeV/nucleoˊn\frac{E_e}{A} = \frac{1117\ \text{MeV}}{136} = 8{,}21\ \text{MeV/nucleón}Es un valor alto, cerca del máximo de la curva de estabilidad (unos 8,8 MeV/nucleón en torno al hierro): el bario-136 es un núcleo muy estable.

Nota: el enunciado da la masa atómica, que incluye los 56 electrones. Si se restan (me=5,49⋅10−4 um_e = 5{,}49\cdot 10^{-4}\ \text{u}) para quedarse con la masa del núcleo, sale Δm=1,2268 u\Delta m = 1{,}2268\ \text{u} y 8,42 MeV/nucleoˊn8{,}42\ \text{MeV/nucleón}, más cerca del valor real (unos 8,40 MeV/nucleoˊn8{,}40\ \text{MeV/nucleón}). Con los datos del enunciado (masa del protón y masa del átomo) lo que se espera es la resta directa de arriba; si haces la corrección de los electrones, dilo para que el corrector entienda la diferencia.
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Consejo

Calcula el número de neutrones como A−ZA - Z y no te dejes ningún decimal de las masas: el defecto de masa es una resta de números casi iguales y los redondeos tempranos lo estropean.

Para pasar de julios a MeV divide entre 1,60⋅10−131{,}60\cdot 10^{-13}, o usa directamente que 1 u1\ \text{u} equivale a unos 931-934 MeV931\text{-}934\ \text{MeV}.
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