Reacciones nucleares: definición, tipos, ejemplos

Las respuestas nucleares son procesos en los que se crea al menos un nucleido a partir de los choques entre dos núcleos atómicos o un núcleo atómico y una partícula subatómica. Los nucleidos generados por las reacciones nucleares no son exactamente los mismos que los núcleos que reaccionan (generalmente a los que se alude como los núcleos originales).

Dos tipos destacados de reacciones nucleares son las reacciones de fisión nuclear y las reacciones de fusión nuclear. Lo anterior incluye la retención de neutrones (u otras partículas generalmente ligeras) por parte de un núcleo pesado, lo que hace que se divida en (al menos dos) núcleos más ligeros. Las reacciones de fusión nuclear son los ciclos donde dos núcleos algo ligeros (por medio de un choque) manejan un solo núcleo más pesado.

Reacciones nucleares que liberan enormes cantidades de energía

La masa de un núcleo atómico es menor que la suma de las masas de cada partícula subatómica combinada que lo constituye (protones y neutrones). Esta diferencia de masa se atribuye a la energía de enlace nuclear (a la que se alude con frecuencia como un defecto de masa). La energía de enlace nuclear se puede caracterizar como la energía necesaria para mantener cada uno de los protones y neutrones dentro del núcleo.

Durante una reacción nuclear (como una reacción de fisión o fusión), la masa representada por la energía de enlace nuclear se entrega según la condición e = m × c ² (energía = masa ocasiona el cuadrado de la velocidad de la luz).

Para simplificar, los productos formados en la fisión nuclear y la fusión nuclear generalmente tienen una masa menor que los reactivos. Esta masa ‘faltante’ se transforma en energía. Un gramo de materia puede liberar aproximadamente 90,00,00,00,000 kJ de energía.

Fisión nuclear

Se refiere a la separación de un núcleo atómico en dos núcleos o más ligeros. Este proceso puede ocurrir a través de una reacción nuclear o por desintegración radiactiva. Estas reacciones descargan regularmente mucha energía, que va acompañada de la emisión de neutrones y rayos gamma (fotones que contienen enormes cantidades de energía, suficiente para sacar electrones de los átomos).

Esta reacción fue descubierta por primera vez por los químicos alemanes Otto Hahn y Strassmann en el año 1938. La energía creada a partir de las reacciones de fisión se convierte en electricidad en las plantas de energía nuclear. Esto se hace utilizando el calor generado por la reacción nuclear para convertir el agua en vapor. El vapor se utiliza para hacer pivotar turbinas con el fin de generar electricidad.

Ilustración de fisión nuclear

Una ilustración significativa de la fisión nuclear es la separación del núcleo de uranio-235 cuando es bombardeado con neutrones. Se pueden formar diferentes productos a partir de esta reacción nuclear, como se muestra en las situaciones a continuación.

U²³⁵ + n ¹ → Ba ¹⁴¹ + Kr ⁹² + 3 n ¹
U²³⁵ + n ¹ → Xe ¹⁴⁴ + Sr ⁹⁰ + 2 n ¹
U²³⁵ + n ¹ → La ¹⁴⁶ + Br ⁸⁷ + 3 n ¹
U²³⁵ + n ¹ → Te ¹³⁷ + Zr ⁹⁷ + 2 n ¹
U²³⁵ + n ¹ → Cs ¹³⁷ + Rb ⁹⁶ + 3 n ¹
Otra ilustración significativa de la fisión nuclear es la separación del núcleo de plutonio-239.

Fusión nuclear

En las reacciones de fusión nuclear, dos o más núcleos atómicos se combinan para formar un núcleo. Las partículas subatómicas, por ejemplo, los neutrones o los protones, también se forman como productos en estas reacciones nucleares.

Reacción de fusión nuclear

Un ejemplo de esta reacción es la reacción entre el deuterio (2H) y el tritio (3H) que produce helio (4He) y un neutrón (1n). Estas reacciones de fusión generalmente ocurren en el centro del sol y en diferentes estrellas. La fusión de los núcleos de deuterio y tritio va acompañada de una pérdida de aproximadamente 0,0188 uma de masa (que se transforma totalmente en energía). Se produce aproximadamente 1,69*109 KJ de energía por cada mol de helio formado.

Otros tipos importantes de reacciones nucleares

• Desintegración alfa

Los núcleos con números de masa más prominentes que 200 a menudo pasan por la desintegración alfa, un ciclo en el que un núcleo de 4He, comúnmente denominado partícula alfa (42α), se libera del núcleo principal.

La condición para el decaimiento alfa es: ^A X _Z → ^{A – 4} X’ _{Z – 2} + ⁴ α ₂

Donde A es el número másico y Z el número atómico. Debajo se muestra una ilustración de la descomposición alfa.

²²⁶ Ra → 222 ²²² Rn + ⁴ α ₂

Aquí, el núcleo de radio-226 se descompone en un núcleo de radón-222, liberando una partícula alfa simultáneamente.

• Decaimiento Beta

La desintegración beta ocurre cuando un neutrón se convierte en un protón, lo que va acompañado de la emisión de una partícula beta (electrón de alta energía). Una ilustración de este tipo de reacción nuclear es la desintegración beta del carbono-14 que produce nitrógeno-14:

¹⁴⁶ C → ¹⁴⁷ N + ⁰ β _-1

• Emisión gamma

La descarga gamma ocurre cuando un núcleo excitado (frecuentemente creado a partir de la desintegración radiactiva de otro núcleo) vuelve a su estado fundamental, lo que va acompañado de la emisión de un fotón de alta energía.
Una ilustración de la emisión gamma es la desexcitación del núcleo excitado de talio-234 (que proviene de la desintegración alfa del uranio-238). La condición para esta reacción nuclear es:

²³⁴ Th* → ²³⁴ Th + γ

Problemas de muestra

Pregunta 1: Completa las siguientes reacciones nucleares:

1. ¹ n ₀ + ⁴⁰ Ar ₁₈ ⇢ … +α
2. ¹ n ₀ + ²³⁵ U ₉₂ ⇢ ⁹⁸ Zr ₄₀ + …+ 3 ¹ n

Responder:

1. Igualando los números de masa:
A = 40 + 1 – 4 = 37,
Igualando los números atómicos,
Z = 18 + 0 – 2 = 16,
Entonces el núcleo formado es ³⁷ S ₁₆

2. Igualando los números de masa:
A = 235 + 1 – 98 – 3 = 135
Igualando los números atómicos,
Z = 92 + 0 – 40 = 52,
por lo que el núcleo formado es ¹³⁵ Te ₅₂

Pregunta 2: Considere la reacción  

¹³ C ₆ + ¹ H ₁ ⇢ ⁴ He ₂ + ¹⁰ B ₅

1. Use las masas de los nucleidos involucrados para determinar dónde es endógeno o exoérgico.
2. Si es exoergico, encuentra la cantidad de energia liberada, si es exoergico encuentra el umbral de energia.

Solicitud:	Nombre:	Z:	A:	Masa (Error de masa), u:
Núcleo objetivo:	C	6	13	13.0033548377
Partícula incidente:	protón	1	1	1.00782503207
Partícula saliente1	Él	2	4	4.00260325415
Núcleo final:	B	5	10	10.01293699

Responder:

Ahora,
entonces, de acuerdo con la Ecuación para 
la energía de reacción: E reaccionar = (M ₁ + M ₂ – Suma) × c ² ,
donde,
la Suma variable es la suma de todas las masas de las «partículas salientes»;
La variable M ₁ es la masa del “núcleo objetivo”, la
variable M ₂ es la masa de la “partícula incidente”.
Que sale negativo. Entonces la reacción es endógena.
Ahora el umbral de energía = E _th = [(Sum + M ₁ + M ₂ ) × (Sum – M ₁ – M ₂ ) / (2 × M ₁ ) ] × c ² ,
Entonces,
Umbral de energía: 4.37714 MeV

Pregunta 3: Calcula la energía liberada en la reacción de fisión:

¹ n ₀ + ²³⁵ U ₉₂ ⇢   ⁸⁸ Sr ₃₈ + ¹³⁶ Xe ₅₄ + 12n

Solicitud:	Nombre:	Z	A	Masa (Error de masa), u:
Núcleo objetivo:	tu	92	235	235.0439299
Partícula incidente:	neutrón	0	1	1.008664923
Fragmento de fisión seleccionado (por el usuario):	señor	38	88	87.9056121
Fragmento de fisión definido (por programa):	Xe	54	136	135.9072187
Partícula rápida 1, Fisión acompañada:	12_n	0	12	12.10397898888

Responder:

Ahora,
de acuerdo con la ecuación,
energía de reacción: E reaccionar = (M ₁ + M ₂ – SUM) × c ₂
Donde la variable SUM es la suma de todas las masas de las «partículas salientes»;
La variable M ₁ es la masa del “núcleo objetivo”, la
variable M ₂ es la masa de la “partícula incidente”.
Entonces, Energía de reacción: 126.4828(73) MeV

Pregunta 4: Encuentre la energía umbral para la siguiente reacción:

¹⁶ O ₈ + ¹ n ₀  ⇢   ¹³ C ₆ + ⁴ He ₂ 

Solicitud:	Nombre:	Z	A	Masa (Error de masa), u:
Núcleo objetivo:	O	8	dieciséis	15.9949146195
Partícula incidente:	neutrón	0	1	1.008664923
Partícula saliente 1:	Él	2	4	4.00260325415
Núcleo final:	C	6	13	13.0033548377

Responder:

Ahora,
de acuerdo con la Ecuación para la 
ENERGÍA DE REACCIÓN: E reaccionar = (M1 + M2 – SUMA) * c2,
donde la variable SUMA es la suma de todas las masas de las “Partículas Salientes”;
la variable M1 es la masa del “núcleo objetivo”, la
variable M2 es la masa de la “partícula incidente”
Ahora el umbral de energía = Eth = [ ( SUMA + M1 + M2 ) * ( SUMA – M1 – M2 ) / ( 2 * M1 ) ] * c2 ,
entonces, Umbral de energía: 2 MeV.

Pregunta 5: Encuentra el umbral de energía para la siguiente reacción:

³ He ₂ + ¹ n ₀  ⇢ 2 ² H ₁ 

Solicitud:	Nombre:	Z	A	Masa (Error de masa), u:
Núcleo objetivo:	Él	2	3	3.0160293191
Partícula incidente:	:neutrón	0	1	1.008664923
Partícula saliente	H	1	2	2.01410177785

Responder:

Ahora,
de acuerdo con la Ecuación para 
la energía de reacción: E reaccionar = (M ₁ + M ₂ – SUM) × c ₂ ,
donde la variable SUM es la suma de todas las masas de las «partículas salientes»;
La variable M 1 _es la masa _del «núcleo objetivo», la variable
M 2 _es la masa _de la «partícula incidente _{» .} × M ₁ )] × c ₂ , Entonces, Umbral de energía: 4 MeV.