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T6: Física nuclear
Fisión y defectos de masa
Problema
2025 · Ordinaria · Titular
D-b1
Examen

Un proyecto de investigación estudia producir la fisión de 510B^{10}_{5}\text{B} mediante el bombardeo con neutrones para dar lugar a una partícula alfa y 37Li^{7}_{3}\text{Li}. i) Escriba la ecuación de la reacción nuclear. ii) Calcule la energía liberada cuando se forman 1,5 millones de núcleos de 37Li^{7}_{3}\text{Li}. Datos: m(510B)=10,012937 um(^{10}_{5}\text{B}) = 10,012937 \text{ u}; m(37Li)=7,016003 um(^{7}_{3}\text{Li}) = 7,016003 \text{ u}; m(24He)=4,002603 um(^{4}_{2}\text{He}) = 4,002603 \text{ u}; mn=1,008665 um_{n} = 1,008665 \text{ u}; 1 u=1,661027 kg1 \text{ u} = 1,66 \cdot 10^{-27} \text{ kg}; c=3108 m s1c = 3 \cdot 10^{8} \text{ m s}^{-1}

Reacción nuclearEnergía liberadaEquivalencia masa-energía

i) La ecuación de la reacción nuclear solicitada representa la captura de un neutrón por un núcleo de Boro-10 para producir Litio-7 y una partícula alfa (núcleo de Helio-4). Se comprueba que se conserva tanto el número atómico como el número másico.

510B+01n37Li+24He^{10}_{5}\text{B} + ^{1}_{0}n \rightarrow ^{7}_{3}\text{Li} + ^{4}_{2}\text{He}

ii) Para calcular la energía liberada, determinamos primero el defecto de masa (\Delta m) del proceso, definido como la diferencia entre la masa total de los reactivos y la de los productos.

Δm=[m(510B)+mn][m(37Li)+m(24He)]\Delta m = [m(^{10}_{5}\text{B}) + m_n] - [m(^{7}_{3}\text{Li}) + m(^{4}_{2}\text{He})]
Δm=[10,012937 u+1,008665 u][7,016003 u+4,002603 u]\Delta m = [10,012937 \text{ u} + 1,008665 \text{ u}] - [7,016003 \text{ u} + 4,002603 \text{ u}]
Δm=11,021602 u11,018606 u=0,002996 u\Delta m = 11,021602 \text{ u} - 11,018606 \text{ u} = 0,002996 \text{ u}

Calculamos la energía liberada por una sola reacción aplicando la relación de equivalencia masa-energía de Einstein, convirtiendo previamente el defecto de masa al Sistema Internacional (kg).

Ereaccioˊn=Δmc2E_{\text{reacción}} = \Delta m \cdot c^2
Ereaccioˊn=0,002996 u1,661027 kg1 u(3108 m s1)2E_{\text{reacción}} = 0,002996 \text{ u} \cdot \frac{1,66 \cdot 10^{-27} \text{ kg}}{1 \text{ u}} \cdot (3 \cdot 10^{8} \text{ m s}^{-1})^2
Ereaccioˊn=4,4760241013 JE_{\text{reacción}} = 4,476024 \cdot 10^{-13} \text{ J}

Dado que por cada reacción se obtiene exactamente un núcleo de Litio-7, la energía total liberada para la formación de 1,5 millones de núcleos (N = 1,5 \cdot 10^6) se obtiene multiplicando la energía de una reacción por el número total de procesos.

Etotal=NEreaccioˊn=1,51064,4760241013 JE_{\text{total}} = N \cdot E_{\text{reacción}} = 1,5 \cdot 10^{6} \cdot 4,476024 \cdot 10^{-13} \text{ J}
Etotal=6,714107 J\mathbf{E_{\text{total}} = 6,714 \cdot 10^{-7} \text{ J}}