Fundamentos de Física Nuclear y Cuántica: Defecto Másico, Fusión y Efecto Fotoeléctrico
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Fundamentos de la Física Nuclear y Cuántica
Defecto Másico y Estabilidad Nuclear
Experimentalmente se ha comprobado que la masa del núcleo atómico (mnúcleo) es menor que la suma de las masas de los nucleones (protones y neutrones) que lo forman. Esta pérdida de masa se conoce como Defecto Másico (Δm):
Δm = Σmnucleones - mnúcleo
Esta masa se transforma en energía según la Ecuación de Einstein:
ΔE = Δm · c²
Donde ΔE es la Energía de Enlace. Esto implica que el núcleo es más estable que los nucleones por separado.
Criterio de Estabilidad
Para comparar la estabilidad de unos núcleos con otros, se calcula la Energía de Enlace por nucleón (ΔE/A) frente al número másico (A). En la gráfica de estabilidad nuclear (curva de estabilidad), se puede observar que:
- Los elementos más estables son aquellos que han desprendido más energía por nucleón.
- Estos elementos corresponden a los de número másico intermedio.
Dualidad Onda-Corpúsculo: Hipótesis de De Broglie
De Broglie extendió el carácter dual de la luz a todas las partículas materiales. Según la hipótesis de De Broglie (DB), cada partícula en movimiento lleva asociada una onda, cuya longitud de onda (λ) viene dada por:
λ = h / p = h / (m · v)
Donde:
- h es la constante de Planck.
- p es el momento lineal (m · v) de la partícula en movimiento.
Reacciones Nucleares: Fusión
La Fusión Nuclear es la unión de núcleos ligeros para formar núcleos pesados, con un gran desprendimiento de energía. La energía desprendida en la fusión es la diferencia entre la Energía de Enlace del núcleo que se forma y la Energía de Enlace de los núcleos que se fusionan.
Ejemplo de Reacción de Fusión
Un ejemplo de reacción de fusión (Deuterio-Deuterio):
21H + 21H → 31H + 10n + Energía
Ventajas y Desafíos de la Fusión
La fusión presenta importantes ventajas sobre la fisión:
- No produce residuos radiactivos de larga duración.
- Si se pudiera realizar con deuterio, existe la ventaja de que hay gran cantidad de este isótopo en el agua del mar.
Las reacciones de fusión son difíciles de conseguir de forma controlada. Solo se ha conseguido la fusión en las bombas H (hasta ahora). Aunque se han publicado algunos artículos recientemente, los resultados no se han podido reproducir experimentalmente. Existe un gran proyecto internacional (como ITER) para lograr la fusión controlada.
El Efecto Fotoeléctrico
El Efecto Fotoeléctrico es la emisión de electrones (e-) por una superficie metálica cuando esta es iluminada con radiación electromagnética de determinada longitud de onda.
Einstein explicó este fenómeno aplicando a la luz las ideas de Planck sobre la radiación térmica: la luz se propaga transportando la energía en cuantos de luz, llamados fotones, cuya energía viene dada por la ecuación de Planck:
E = h · ν
Cuando un fotón de energía (E = hν) choca con un electrón del metal, es absorbido. Si su energía es suficiente, puede arrancar al electrón del metal.
Ecuación y Conceptos Clave
El trabajo de extracción (W0) es la energía mínima necesaria para arrancar los electrones:
W0 = h · ν0
La energía cinética máxima (Ec,máx) de los electrones emitidos se calcula mediante la ecuación del Efecto Fotoeléctrico:
Ec,máx = hν - W0
El potencial de frenado (V0) es el potencial necesario para detener los electrones emitidos, permitiendo calcular la energía cinética máxima (Ec,máx = e · V0).