Energía de Enlace Nuclear y Radiactividad: Conceptos Fundamentales

Conceptos Fundamentales de Física Nuclear

Representación Gráfica de la Energía en Reacciones Nucleares

Las reacciones de fusión parten de núcleos ligeros y producen un núcleo más pesado, que es más estable que los núcleos de partida. Las reacciones de fisión rompen un núcleo pesado y producen núcleos más ligeros, que son más estables que el núcleo de partida.

Interacciones Fundamentales de la Naturaleza

a) i) Las interacciones fundamentales de la naturaleza son cuatro:

1. Interacción gravitatoria
2. Interacción electromagnética
3. Interacción nuclear fuerte
4. Interacción nuclear débil

Características:

a) Alcance:

1. La interacción gravitatoria y la electromagnética tienen largo alcance, llegando hasta el infinito.
2. La interacción nuclear fuerte y la débil tienen corto alcance, quedando dentro de los núcleos.

b) Carácter:

1. La interacción gravitatoria es atractiva; las masas siempre se atraen.
2. La interacción electromagnética es atractiva y repulsiva; cargas de signos contrarios se atraen y de igual signo se repelen.
3. La interacción nuclear fuerte es fundamentalmente atractiva, para evitar que los protones se repelan y se desintegre el núcleo.
4. La interacción nuclear débil es repulsiva, y es la responsable de la desintegración de un neutrón.

ii) La interacción nuclear fuerte es la responsable de que un núcleo no se desintegre debido a las repulsiones entre los protones. La interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración espontánea de un neutrón dentro del núcleo.

Tipos de Emisiones Radiactivas

a) Existen tres tipos de emisiones radiactivas que se producen en los núcleos de los átomos: radiación alfa, radiación beta y radiación gamma.

• Los rayos alfa son núcleos de helio (2 protones y 2 neutrones), tienen carga positiva, se desvían en presencia de campos eléctricos y magnéticos y tienen poco poder de penetración en la materia.
• Los rayos beta son electrones que provienen de la desintegración de un neutrón del núcleo, en un protón (que se queda en el núcleo), un electrón que sale fuera y una tercera partícula que sale fuera. Tienen carga negativa, se desvían en presencia de campos eléctricos y magnéticos. Tienen más poder de penetración en la materia que los rayos alfa.
• Los rayos gamma son ondas electromagnéticas, energía pura. No se desvían en presencia de campos eléctricos y magnéticos. Tienen mayor poder de penetración que los rayos beta.

Veracidad de Afirmaciones sobre Física Nuclear

a) i) La afirmación es verdadera, ya que si se unieran los protones y neutrones para formar un núcleo, se liberaría una energía de enlace que proviene de la conversión de masa en energía según la ecuación de Einstein: E = Δmc². Por lo tanto, la masa del núcleo es menor.

ii) La afirmación es falsa, ya que una partícula alfa tiene de número másico 4 y de número atómico 2.

Sensibilidad de la Radiación a Campos Magnéticos

a) La afirmación "La radiación beta es sensible a campos magnéticos, mientras que la gamma no" es verdadera. La radiación beta son electrones que provienen de un núcleo y, como tienen carga negativa, se desvían en presencia de un campo magnético. La radiación gamma es energía pura que sale del núcleo y no tiene carga, por lo que no le afecta el campo magnético.

Definición de Energía de Enlace Nuclear

La energía de enlace nuclear (E) es la energía liberada cuando se forma un núcleo a partir de sus nucleones. En una reacción nuclear, la masa de los núcleos reaccionantes no coincide con la de los productos, generando un "defecto de masa" que se convierte en energía según la ecuación de Einstein, E=Δmc².

La estabilidad nuclear se evalúa mediante la energía de enlace por nucleón (E/A), que es la energía de enlace dividida por el número másico del núcleo, representando la energía necesaria para extraer un nucleón del núcleo.

Año 2023: Veracidad de Afirmaciones Basadas en Gráficas

a) i) Es falsa. En la gráfica, la energía de enlace por nucleón del ²³⁸₉₂U aparece con un valor más bajo que la del ⁵⁶₂₆Fe, lo cual quiere decir que para arrancar un nucleón del ²³⁸₉₂U hay que dar menos energía que para arrancar un nucleón del ⁵⁶₂₆Fe. Por lo tanto, el ⁵⁶₂₆Fe es más estable que el ²³⁸₉₂U.

ii) Es verdadera. En la gráfica la energía de enlace por nucleón del ⁴₂He es mayor que la del ²₁H. Por lo tanto, el ⁴₂He es más estable que el ²₁H. Luego, al fusionarse 2 núcleos de ²₁H y producir 1 núcleo de ⁴₂He, se desprende energía, ya que todo sistema al pasar a una situación más estable desprende energía.

Explicación del Defecto de Masa del Núcleo

a) i) Un núcleo tiene como constituyentes un número concreto de protones y neutrones. La suma de las masas de los protones y neutrones es mayor que la masa del núcleo. Esta masa que falta se denomina defecto de masa. Este defecto de masa se ha transformado en energía que se calcula mediante la ecuación de Einstein E = mc². Cuanto mayor es la energía liberada, mayor es la estabilidad nuclear.

Respuestas a Afirmaciones sobre Física Nuclear

a) i) Falsa. Al unir los nucleones (protones + neutrones) de un núcleo, parte de la masa se transforma en energía que se libera. Luego, la masa del núcleo es menor que la suma de las masas de sus nucleones.

ii) Falsa. La fisión nuclear consiste en romper un núcleo pesado en núcleos más ligeros.

Año 2022: Defecto de Masa y Energía de Enlace

a) i) Defecto de masa es la diferencia de masa entre los nucleones de un núcleo y la del núcleo ya formado. La energía correspondiente a ese defecto de masa, a través de la ecuación de Einstein, es la energía de enlace, que se podría definir como la energía liberada por un núcleo al formarse por la unión de los nucleones que lo forman.

ii) Las dos magnitudes están relacionadas por la ecuación de Einstein. Siempre habrá menos masa en el núcleo formado (defecto de masa), es decir, habrá menos energía y, por lo tanto, una energía liberada, con lo cual el núcleo formado es más estable que los nucleones por separado.

Justificación de Veracidad o Falsedad de Afirmaciones

a) i) Verdadera. Los componentes de un núcleo atómico (protones y neutrones) al unirse para formar un núcleo de un átomo liberan energía. Esa energía proviene, según la ecuación de Einstein E = mc², de parte de la masa de los componentes. Por lo tanto, el núcleo atómico tiene menos masa que la suma de las masas de los nucleones (protones y neutrones).

ii) Falsa. Es la interacción nuclear fuerte la responsable de la cohesión del núcleo atómico. La interacción débil es la responsable de la desintegración de un neutrón del núcleo atómico. Un neutrón se desintegra en tres partículas (un protón, un electrón y una tercera partícula).