Tema: Educación: Operadores / Teoría



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Revision De Fisica Nuclear Rp10 Parte I 4b

  1. 1. Tema: Educación: Operadores / Teoría Revisión de Física Nuclear: Parte I Agustín Zuñiga Gamarra 4. Masa Nuclear 5. Energía de Ligadura Las masas de los átomos se expresan en Las masas de todos los núcleos son términos de la unidad de masa atómica, o ligeramente menores que la suma de las uma. Hasta no hace mucho el uma fue masas de los neutrones y protones definido como 1/16 de la masa de un átomo individuales contenidos en ellos. Esta neutro de O16. Por diferentes razones, y con diferencia en masa es llamada defecto de el fin de dejar la uma cercana a la escala masa, y esta dado por química de los pesos atómicos, las masas nucleares ahora se miden relativos a la masa ∆ = ZM p + NM n − M A (1.6) del C12 en lugar del O16. La uma es así usualmente definida como la 1/12 masa del átomo neutro del C12, y es igual a 1.660438 Donde MA es la masa del núcleo. La x 10 –24 g. En unidades de energía la uma ecuación (1.6) puede también escribirse (usando el patrón C12) es equivalente a como 931.478 MeV. En términos de esta unidad las masas del protón y neutron son: ∆ = Z ( M p + m e ) + NM n − ( M A + Zm e ) (1.7) Mp = 1.007277 uma Donde me es la masa de un electrón. La Mn = 1.008665 uma cantidad Mp +Me es aproximadamente igual a la masa M del átomo neutro en cuestión. El Compilaciones de las masas nucleares se defecto de masa del núcleo es por tanto encuentran en las referencias. Advertimos que en el uso de las tablas se debe identificar ∆ ≈ ZM H + NM n − M (1.8) cual es la referencia O16 o C12. Las ecuaciones (1.6) y (1.8) son equivalente Ejercicios de manera precisa debido a las diferencias de las energías de ligadura electrónica, pero E1: En cuánto varia la masa del protón y neutron si la esto no es importante para la mayoría de referencias son O16 y C12. propósitos. E2: Visitar internet para encontrar desde cuando se utiliza C12. E3: Disponer de una tabla de masas nucleares tanto en Cuando el ∆ es expresado en unidades de versión escrita cuanto en versión de página web. energía, es igual a la energía que es necesario para romper el núcleo en sus Problemas constituyentes nucleones. Esta energía es conocida como la energía de ligadura del P1: Determinar el valor de la unidad de masa atómica sistema, desde que representa la energía (uma) referidos a O16 y C12. con que el núcleo es mantenido unido. De P2: Determinar el valor de la uma en unidades de eV. otro lado, cuando un núcleo es producido desde A nucleones, ∆ es igual a la energía P3: Si las masas de los núcleos de H2, O16, Au 197 y liberada en el proceso. U235 se expresan relativos a O16 cuanta es la diferencia del valor de tablas que se expresan respecto al C12. Por ejemplo, cuando un neutron y protón se combinan para formar un deuterón, el núcleo de H2, un rayo γ de 2.23 MeV es emitido. Desde que esta energía se libera en la formación del deuterón, la masa del deuterón en unidades de energía es 2.23 MeV menor que la suma de las masas del neutron y Centro Nuclear RACSO. A. Zuñiga 1
  2. 2. Tema: Educación: Operadores / Teoría protón. El neutron y protón pueden la energía es liberada en el proceso. Tales posteriormente ser separados nuevamente , reacciones son posibles con una gran suministrándole la energía de ligadura al cantidad de pares de isótopos. Por ejemplo, sistema. Esto puede ser hecho de diversas cuando dos deuterones, cada una con maneras, por ejemplo mediante el energía de ligadura de 2.23 MeV, reaccionan bombardeo con rayo γ de energías mayores para formar el H3, que tiene una energía de que 2.23 MeV. ligadura total de 8.48 MeV, de acuerdo a la ecuación La energía de ligadura total de los núcleos es una función creciente del número de masa 2H 2 → H 3 + H 1 (1.9) atómica A. Esta no aumenta, sin embargo, a una tasa constante. Esto puede ser visto de hay una ganancia neta en la energía de manera mas conveniente cuando la energía ligadura del sistema de 8.48 – 2 x 2.23 = 4.02 promedio por nucleón es graficada versus A, MeV. En este caso, esta energía aparece como se presenta en la Fig. 1. como energía cinética de los núcleos productos H3 y H1. Las reacciones como la (1.9), en la que al menos un núcleo mas pesado, mas estable es producido desde dos ligeros, menos estables, son conocidas como reacciones de fusión. Las reacciones de este tipo son responsables para la enorme liberación de energía en las bombas de hidrógeno y puede algún día proveer de fuente ilimitada de potencia termonuclear. Moviendose ahora a las regiones de grandes A en la Fig. 1, se ve que una configuración Figura 1. Energía de ligadura por nucleón en mas estable es formada cuando un núcleo función del número másico. pesado se parte en dos. La energía de ligadura por nucleón en el U238, por ejemplo, Se nota que hay un numero de desviaciones es alrededor de 7.5 MeV, mientras que es desde la curva a bajos A, mientras que casi 8.4 MeV en la vecindad de A = 238/2 = encima de alrededor de A =50 al curva es 110. Así si un núcleo de uranio se divide en suave pero función decreciente con A. El dos núcleos mas ligeros, cada uno con casi comportamiento de la energía de ligadura es la mitad de la masa de uranio, hay una particularmente importante en la ganancia en la energía de ligadura del determinación de fuentes posibles de energía sistema de aproximadamente 0.9 MeV por nuclear. nucleón, que alcanza a una energía total liberada de alrededor 238 x 0.9 = 214 MeV. Aquellos núcleos en que la energía de Este proceso, claramente, es llamado fisión ligadura por nucleón es alta son nuclear, y es la fuente de energía en los particularmente estables o fuertemente reactores nucleares. ligados, y una cantidad relativamente grande de energía debe ser entregada para que Antes de dejar la discusión de la energía de estos sistemas se rompan. ligadura nuclear, debería notarse que los núcleos conteniendo 2, 6, 8, 14, 20, 28, 50, De otro lado, los núcleos con EB/A bajas 82, o 126 neutrones o protones son son menos estables y pueden ser rotas con especialmente estables. Estos núcleos son mas facilidad. denominados de mágicos, y sus números de nucleones asociados son conocidos como Sin embargo es posible formar una números mágicos. Esto corresponde a los configuración mas estable mediante la números de neutrones o protones que son combinación de dos núcleos menos estables, requeridos para llenar las capas (o subcapas) de nucleones en el núcleo de manera casi Centro Nuclear RACSO. A. Zuñiga 2
  3. 3. Tema: Educación: Operadores / Teoría similar a la manera que las capas de E5: Visite internet y comprenda como se realiza la generación de energía nucleoeléctrica por fisión. electrones son llenados en las estructuras atómicas. E6: Visite internet y comprenda porque son números mágicos. Es decir explique porque los N, Z y A pares La existencia de núcleos mágicos tienen un son mas estables. numero apreciables de consecuencias E7: En qué lugares del reactor se usan núcleos mágicos prácticas en ingeniería nuclear. Por ejemplo, y porqué. los núcleos con un número de neutrones mágico absorbe neutrones solamente en muy Problemas pequeñas cantidades, los materiales de este tipo pueden ser usados en lugares donde la P1: Determine la energía liberada en una reacción de absorción de neutrones debe ser evitada. fusión de dos deuterones. Zirconio, por ejemplo, cuyo isótopo mas P2: Determine la energía liberada por la fisión del núcleo abundante contiene 50 neutrones, ha sido de Uranio en dos partes iguales. ampliamente usado como material estructural en los reactores, y el bismuto (en forma P3: Utilizando las masas atómicas de las tablas, calcule líquida), que tiene isótopos únicamente en la la energía de ligadura del “ultimo neutron”, es decir, la energía requerida para remover un neutron desde los naturaleza tiene 126 neutrones, por ello ha núcleos siguientes: sido empleado como refrigerante en los reactores. (a) H2, (b) Be9, (c) U235, (d) U236, (e) Pb 208 P4: Utilizando las tablas de masas atómicas calcular la Ejercicios energía de ligadura por nucleón de los núcleos siguientes: E1: Disponer de acceso a una gráfica de la energía de ligadura por nucleón (Eb/A), escrita y dirección (a) H2, (b) He4, (c) O16, (d) Bi 209, (e) U235 electrónica. E2: Visitando internet encontrar la diferencia en el uso de la energía nuclear por fisión y fusión y su explicación utilizando al curva de la Eb/A E3: Visite internet para entender el proyecto ITER europeo de producción de energía termonuclear. E4: Escriba una crónica no mayor de 1200 palabras sobre la fusión nuclear como fuente de energía. Centro Nuclear RACSO. A. Zuñiga 3

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