Junio 00/01, Opción B
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  1. Explica brevemente qué es la energía de enlace en un núcleo atómico. Relaciona este concepto con la producción de energía mediante procesos de fisión o fusión nuclear.

  2. Cuando un núcleo de Uranio-235 captura un neutrón se parte (fisiona) en dos fragmentos, más dos o tres neutrones, y libera unos 210 MeV de energía. La energía de enlace por nucleón de los fragmentos de fisión es, en promedio, de 8,4 MeV. Haz un cálculo aproximado de la energía de enlace por nucleón del 235U, despreciando la contribución de los neutrones producidos.

SOLUCIÓN

  1. Los núcleos atómicos están formados por protones (carga positiva) y neutrones (sin carga eléctrica).

La estabilidad de los núcleos no se puede explicar considerando la existencia de fuerzas gravitatorias o fuerzas electrostáticas, teniendo en cuenta que las primeras son despreciables frente a las segundas y que éstas y a las distancias a las que se encuentran los protones (cargas del mismo signo) resultan fuertemente repulsivas.

Por lo tanto debe existir otro tipo de fuerza que explique la estabilidad de los núcleos (la existencia de cargas eléctricas del mismo signo muy próximas). Esta fuerza se conoce con el nombre de Interacción nuclear fuerte, tiene un corto alcance (a distancias del tamaño de los núcleos) y una gran intensidad.

Se ha comprobado mediante técnicas espectroscópicas la masa de los núcleos y se ha comparado con la masa de las partículas que lo forman. El resultado ha permitido comprobar que existe una diferencia entre la masa de los nucleones (protones y neutrones) y la masa del núcleo. Esta diferencia se conoce como defecto de masa (D m)

"A" corresponde al número másico y "Z" al número atómico

Este defecto de masa explica la estabilidad de un núcleo.

El equivalente entre masa y energía se obtiene a partir de la ecuación

E = m ˇ c2

En la que c representa la velocidad de la luz en el vacío.

Cuando se forma un núcleo a partir de sus nucleones se produce una liberación de energía que corresponde a ese defecto de masa.

Se llama energía de enlace a la energía liberada en la formación de un núcleo.

Esta energía representa la que deberíamos comunicar a un núcleo para separar sus componentes.

Cuanto más grande sea ese valor, mayor energía será necesaria para "romper" ese núcleo.

Para poder valorar si un núcleo es más estable que otro es mejor utilizar la energía de enlace por nucleón que se halla dividiendo la energía de enlace correspondiente a un núcleo entre el número de nucleones que tiene (A, número másico)

Viene a representar la contribución de cada nucleón a la estabilidad nuclear.

Un núcleo será tanto más estable cuanto mayor sea su energía de enlace por nucleón.

Se comprueba que los núcleos más estables son los núcleos de la zona intermedia de la Tabla periódica.

En general, los núcleos tienden a una situación de mayor estabilidad mediante la emisión de partículas o radiación electromagnética por el núcleo (radiactividad natural) o mediante procesos de fisión o fusión nucleares.

Las reacciones de fisión nuclear consisten en la ruptura de un núcleo grande en dos medianos mediante la colisión con un proyectil con la velocidad adecuada, liberando una gran cantidad de energía. Esta energía procede de la diferencia entre la energía de enlace de los núcleos que se forman y la energía de enlace del núcleo que se fisiona (rompe). Un ejemplo corresponde a la reacción citada en el apartado b) del enunciado.

Las reacciones de fusión (como las que tienen lugar en las estrellas) consisten en la unión de núcleos pequeños para formar núcleos medianos, proceso que lleva consigo un gran desprendimiento de energía. Esta energía desprendida corresponde a la diferencia entre la energía de enlace de los núcleos que se forman y la energía de enlace de los núcleos iniciales que se funden.

Desde el punto de tecnológico, la energía liberada en los dos procesos anteriores puede aprovecharse como fuente energética si se llega a controlar las reacciones que se producen.

En el caso de las reacciones de fisión, el control se realiza en las centrales nucleares.

En el caso de las reacciones de fusión, existen muchos problemas sin resolver todavía.

  1. Si se desprecia la contribución de los neutrones en el proceso, se puede considerar que se produce una reacción nuclear en la que los 235 nucleones del Uranio se transforman en 235 nucleones repartidos en dos núcleos.

La energía de enlace del Uranio será:

Eenlace (U235) = Eenlace por nucleón (U235) ˇ 235

La energía de enlace de los núcleos formados será:

Eenlace (núcleos formados) = Eenlace por nucleón (núcleos formados) ˇ (A1 + A2)

A1 y A2 representan los números másicos de los dos fragmentos que se producen. En las condiciones que establece el enunciado, se puede considerar que A1 + A2 = 235

Eenlace (núcleos formados) = 8,4 ˇ 235

La energía de enlace al formarse los dos núcleos intermedios es mayor que la energía de enlace al formarse el núcleo de Uranio. Esta diferencia corresponde a la energía liberada en el proceso de fisión.

8,4 ˇ 235 - Eenlace por nucleón (U235) ˇ 235 = 210 MeV

Despejando, se obtiene:

Eenlace por nucleón (U235) = 7,5 MeV