Física nuclear: radiactividad y fisión nuclear

Este cuestionario de Física de 2º de Bachillerato cierra el bloque de física moderna con el estudio del núcleo atómico: energía de enlace, tipos de desintegración radiactiva, la ley de desintegración exponencial, y los procesos de fisión y fusión nuclear, contenidos habituales de la PAU (Selectividad).

Se parte del defecto de masa, Δm=Zm_p+(A-Z)m_n-M_núcleo, magnitud siempre positiva que representa la diferencia entre la masa de los nucleones aislados y la masa real del núcleo ligado; mediante la equivalencia masa-energía de Einstein, E=Δmc², este defecto de masa se traduce en la energía de enlace nuclear. La energía de enlace por nucleón se presenta como el indicador fundamental de estabilidad nuclear, máxima en núcleos de masa intermedia como el hierro-56 y menor tanto en núcleos ligeros como en los muy pesados —lo que explica por qué tanto la fisión de núcleos pesados como la fusión de núcleos ligeros liberan energía, al desplazarse ambos procesos hacia la región de mayor estabilidad de la curva.

Se estudian los tres tipos de desintegración radiactiva natural: alfa (emisión de un núcleo de helio, que reduce Z en 2 unidades y A en 4), beta negativa (un neutrón se transforma en protón, aumentando Z en 1 sin cambiar A) y gamma (fotones de alta energía que no alteran ni Z ni A, solo desexcitan el núcleo). Se distingue la desintegración natural de la fisión inducida, que requiere la absorción de un neutrón externo.

La ley de desintegración radiactiva, N(t)=N₀e^(-λt), y el período de semidesintegración se aplican a un problema numérico clásico: tras tres períodos de semidesintegración sucesivos, queda exactamente (1/2)³=1/8 de la muestra original. Se define también la actividad radiactiva, A=λN, medida en Becquerel (una desintegración por segundo).

El bloque de reactores nucleares explica el papel del moderador (agua, grafito) en frenar los neutrones rápidos producidos en la fisión hasta convertirlos en neutrones térmicos, mucho más eficaces para inducir la fisión del uranio-235 y sostener la reacción en cadena de forma controlada. La fusión nuclear, en cambio, requiere temperaturas extremadamente altas para vencer la repulsión electrostática (barrera de Coulomb) entre núcleos cargados positivamente —el mecanismo que alimenta a las estrellas.

Las 12 preguntas combinan problemas numéricos (defecto de masa, desintegración exponencial) con preguntas conceptuales sobre los tipos de radiactividad y los procesos de fisión/fusión. Las 12 flashcards recogen todas las fórmulas y definiciones del bloque para el repaso final.

• Calcular el defecto de masa y la energía de enlace de un núcleo atómico a partir de las masas de sus nucleones
• Explicar por qué la curva de energía de enlace por nucleón predice que tanto la fisión como la fusión liberan energía
• Distinguir los tres tipos de desintegración radiactiva natural (alfa, beta, gamma) y su efecto sobre Z y A del núcleo
• Aplicar la ley de desintegración exponencial y el concepto de período de semidesintegración a problemas numéricos
• Explicar el papel del moderador en un reactor de fisión y la condición necesaria para que ocurra la fusión nuclear

"Considere un núcleo con número másico A y número atómico Z. El defecto de masa es Δm = Zm_p + (A-Z)m_n - M_núcleo. Tras un tiempo t = 3T₁/₂, la fracción de muestra restante es (1/2)³ = 1/8. Una partícula alfa es un núcleo de helio-4 (2 protones y 2 neutrones); al emitirla, el núcleo pierde 2 protones y 2 neutrones, reduciendo Z en 2 y A en 4."