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Núcleo atómico y reacciones nucleares

Castilla y León · 2024 · Junio

Enunciado

Defina fisión y fusión nuclear e identifique razonadamente cuál de estos dos procesos tiene lugar en cada una de las siguientes reacciones:

a)

{}^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow {}^{92}_{36}\text{Kr} + {}^{141}_{56}\text{Ba} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n} + 170\ \text{MeV}

{}^{2}_{1}\text{H} + {}^{2}_{1}\text{H} \rightarrow {}^{3}_{2}\text{He} + {}^{1}_{0}\text{n} + 3{,}2\ \text{MeV}

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Resultado

Fisión: un núcleo pesado se divide en otros más ligeros; fusión: núcleos ligeros se unen en uno más pesado. a) es una fisión y b) es una fusión; las dos liberan energía.

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Estrategia

Se definen los dos procesos y se clasifica cada reacción mirando los núcleos de partida y los de llegada: si un núcleo pesado se rompe en dos más ligeros es una fisión; si dos núcleos ligeros se unen en uno más pesado es una fusión. En los dos casos se libera energía porque los productos tienen más energía de enlace por nucleón.

Desarrollo

Definiciones.

Fisión nuclear: un núcleo pesado (por ejemplo, uranio-235), normalmente al absorber un neutrón, se divide en dos núcleos de masa intermedia y emite además dos o tres neutrones. Se libera mucha energía, unos 200 MeV por fisión. Los neutrones emitidos pueden provocar nuevas fisiones: es la reacción en cadena de los reactores nucleares.
Fusión nuclear: dos núcleos ligeros (isótopos del hidrógeno, helio...) se unen para formar un núcleo más pesado. Para vencer la repulsión eléctrica entre ellos hacen falta temperaturas de millones de grados; es la fuente de energía de las estrellas.

En los dos procesos la masa de los productos es menor que la de los reactivos, y ese defecto de masa se libera como energía,

E = \Delta m\,c^2

. Ocurre porque los productos están más cerca del máximo de la curva de energía de enlace por nucleón (hacia

A \approx 56

): los núcleos pesados ganan estabilidad al partirse, y los ligeros, al unirse.

a) Es una fisión. Un núcleo pesado,

{}^{235}_{92}\text{U}

, absorbe un neutrón y se rompe en dos núcleos medianos,

{}^{92}_{36}\text{Kr}

{}^{141}_{56}\text{Ba}

, liberando 3 neutrones y

170\ \text{MeV}

. Se conservan el número másico (

235 + 1 = 92 + 141 + 3 = 236

) y el atómico (

92 = 36 + 56

).

b) Es una fusión. Dos núcleos ligeros de deuterio,

{}^{2}_{1}\text{H}

, se unen y forman un núcleo más pesado,

{}^{3}_{2}\text{He}

, emitiendo un neutrón y

3{,}2\ \text{MeV}

. También se conservan

A

(

2 + 2 = 3 + 1

) y

Z

(

1 + 1 = 2

). Aunque libera menos energía por reacción que la fisión, por nucleón de combustible la energía es mayor (

3{,}2/4 = 0{,}8\ \text{MeV}

frente a

170/236 = 0{,}72\ \text{MeV}

Consejo

Para clasificar una reacción, mira los reactivos: un núcleo pesado (uranio, plutonio) que se parte es fisión; dos núcleos ligeros (hidrógeno, helio) que se juntan es fusión. Que salgan neutrones no decide nada: aparecen en las dos reacciones.

Comprueba siempre que se conservan $A$ y $Z$ : es una forma rápida de demostrar que has leído bien la reacción.