Septiembre 03/04, Opción B
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  1. Explica brevemente en qué consiste la fisión nuclear.

  2. Tras capturar un neutrón térmico, un núcleo de Uranio 235 se fisiona en la forma

Calcula la energía liberada en este proceso. Expresa tu resultado en J y en MeV.

DATOS:

Masas atómicas:

mU = 235,0439 u; mBa = 140,9140 u; mKr = 91,9250 u; mn = 1,0087 u.

1 u = 1,66.10-27kg; e = 1,60.10-19 C; c= 3,00.108 m/s.

SOLUCIÓN

  1. La fisión nuclear consiste en la ruptura de un núcleo masivo (por ejemplo Uranio o Torio) en dos fragmentos de masa comparable y lleva consigo la liberación de una gran cantidad de energía.

Normalmente se trata de un proceso provocado artificialmente por medio de una desestabilización nuclear.

Los proyectiles utilizados en general son neutrones lentos. Se trata de partículas ideales ya que, al no tener carga eléctrica, no están sujetos a fuerzas de repulsión electrostática y tienen un mayor poder de penetración y no necesitan energías tan altas para poder impactar con los núcleos.

Cuando sobre un núcleo de Uranio incide un neutrón lento, éste es absorbido por aquel. Esto conduce a una desestabilización de las fuerzas internas del núcleo de tal manera que se rompe en dos trozos y se produce la emisión de varios neutrones con energía suficiente para poder incidir sobre otros núcleos y continuar el proceso.

Para que los neutrones emitidos puedan continuar el proceso de fisión deben perder parte de su energía chocando con otros núcleos hasta que su velocidad (energía) es la adecuada para que el proceso continúe.

La energía liberada en esta reacción proviene del hecho de que la masa del núcleo de Uranio es mayor que la masa de los núcleos formados. Este defecto de masa se transforma en energía. Aproximadamente por cada núcleo de Uranio se liberan 200 MeV.

Como el número de neutrones que se produce en cada fisión es de 2 a 3 por término medio que pueden producir nuevas fisiones, se produce, en las condiciones adecuadas, una reacción en cadena y el proceso puede llegar a descontrolarse liberando la energía en forma explosiva (bomba atómica).

Si queremos controlar el proceso, debemos disponer en el recinto donde se produce la reacción de unos materiales que absorban parte de los neutrones emitidos y para moderar su velocidad. Como moderador puede utilizarse grafito y como absorbente barras de cadmio. De este modo se puede controlar la reacción y poder aprovechar la energía liberada (centrales nucleares).

 

  1. Hallamos en primer lugar el defecto de masa del proceso:

D m = masa atómica del isótopo de Uranio mas masa atómica del neutrón – (masa atómica del isótopo de Bario + masa atómica del isótopo de Kriptón mas masa atómica de los 3 neutrones)

D m = 235,0439 + 1,0087 – (140,9140 + 91,9250 + 3·1,0087) = 0,1875 u

El equivalente energético de 1 uma se halla a partir de:

E = D m·c2

E = 1 u · 1,66·10-27 kg/u ·(3·108)2 = 1,49·10-10 J = 9,315·108 eV =931,5 MeV

Calculando la energía liberada que corresponde al defecto de masa:

E = 0,1875 u · 1,49·10-10 J/u = 2,8·10-11 J

E = 0,1875 u · 931,5 MeV/u= 174,66 MeV