Fundamentos de Física Nuclear: Reacciones, Energía y Aplicaciones

1. Desintegración Radiactiva: Partículas Alfa y Beta

¿Cómo varían los números atómico y másico de un núcleo radiactivo cuando emite una partícula? ¿Y cuando emite una partícula β?

• Emisión Alfa (α): El núcleo emite una partícula ⁴₂He. El número másico (A) disminuye en 4 unidades y el número atómico (Z) disminuye en 2 unidades.
• Emisión Beta (β): El núcleo emite un electrón ⁰_-1e. El número másico (A) permanece constante y el número atómico (Z) aumenta en 1 unidad.

2. Conservación en Reacciones Nucleares

¿Qué condición han de cumplir los números atómicos y los números másicos de los núcleos y partículas que intervienen en una reacción nuclear?

La suma de los números másicos y la suma de los números atómicos debe ser igual en ambos miembros de la ecuación, según el principio de conservación de la masa y de la carga.

3. Cálculos de Energía y Masa

Problema 4: Pérdida de masa

En una reacción nuclear se liberan 1,2 MeV de energía. ¿Qué pérdida de masa tuvo lugar en esa reacción?

• Datos: E = 1,2 MeV = 1,9224 × 10^-13 J; c = 3 × 10⁸ m/s.
• Cálculo: E = m · c² → m = E / c².
• Resultado: Δm = 2,14 × 10^-30 kg = 2,14 × 10^-27 g.

Problema 5: Energía liberada en el bombardeo

Al bombardear ¹⁰₅B con partículas α se forma ¹³₆C y protones. Halla la energía liberada en el proceso.

• Resultado: E = 6,1 MeV.

4. Radioisótopos y Aplicaciones

¿Qué son los radioisótopos? Son isótopos radiactivos de algunos elementos que tienen gran importancia en química, medicina e industria.

¿Cómo se podría medir la altura de un líquido en un recipiente inaccesible? Los isótopos radiactivos se pueden dispersar en el líquido; midiendo el volumen desalojado y el calor desprendido, es posible determinar la altura del líquido en el recipiente.

5. Funcionamiento y Riesgos de las Centrales Nucleares

Transformaciones energéticas

El proceso sigue esta secuencia: Nuclear → Calorífica (reactor) → Mecánica (turbina) → Eléctrica (generador).

Inconvenientes y seguridad

Los riesgos principales incluyen fugas radiactivas (con daños genéticos a largo plazo) y el almacenamiento de residuos peligrosos. Las soluciones pasan por extremar la seguridad en las centrales y fomentar la investigación en energías alternativas.

6. Energía y Unidades de Medida

Problema 13: Energía de 1 kg de materia

Si 1 kg de materia se transformase totalmente en energía (E = mc²):

• E = 1 kg · (3 × 10⁸ m/s)² = 9 × 10¹⁶ J ≈ 2,15 × 10¹³ kcal.

Problema 14: Equivalencia con carbón

Para obtener la misma energía que la pérdida de 1 kg de masa, se precisarían aproximadamente 2,7 × 10⁶ kg de carbón (con un poder calorífico de 8.000 kcal/kg).

Problema 16: Kilotón y Megatón

Son unidades de energía basadas en la explosión de TNT:

• Kilotón (kt): 1 kt = 4,18 × 10¹² J (aprox. 1,2 × 10⁶ kWh).
• Megatón (Mt): 1 Mt = 4,18 × 10¹⁵ J (aprox. 1,2 × 10⁹ kWh).