24.6: Procesos de fisión nuclear

La fisión nuclear fue descubierta por primera vez por dos científicos alemanes, Fritz Strassman y Otto Hahn, en la década de 1930. Comenzaron su trabajo bombardeando uranio con neutrones, con la esperanza de crear elementos más grandes. En cambio, se sorprendieron mucho al encontrar\(\ce{Ba}\) -141, un elemento mucho más pequeño. De inmediato contactaron a una compañera científica en el campo, Lise Meitner, quien realizó cálculos para demostrar que se había producido la fisión.

Fsión nuclear

La desintegración radiactiva por la liberación de partículas alfa o beta no es la única forma en que se forman nuevos isótopos. Cuando un neutrón choca con un núcleo, el núcleo se divide en dos isótopos, cada uno de los cuales es aproximadamente la mitad de la masa del átomo original. Una pequeña cantidad de masa es “sobrante” y liberada como energía, como predice la famosa ecuación de Einstein\(E = mc^2\), que relaciona masa y energía. Este proceso se conoce como fisión nuclear. El neutrón debe ser un neutrón “lento”, viajando a una velocidad que sea aproximadamente la de las moléculas de un gas a la misma temperatura en el sistema que produce los neutrones. Los neutrones de alta velocidad (“rápidos”) no resultarán en fisión nuclear.

Figura\(\PageIndex{1}\): Fsión de un núcleo de uranio producido por colisión con un neutrón.

El ejemplo anterior ilustra el proceso básico de fisión nuclear. Un neutrón (generalmente producido por algún proceso controlado, no generalmente un evento natural) choca con un átomo de\(\ce{U}\) -235. Momentáneamente, se forma un átomo de\(\ce{U}\) -236, que luego se divide en dos átomos más pequeños (\(\ce{Kr}\)-93 y\(\ce{Ba}\) -141) en el diagrama. Este proceso da como resultado la liberación de tres nuevos neutrones, que luego pueden iniciar reacciones de fisión con más átomos. Veremos más adelante cómo esta propagación de neutrones puede emplearse en un reactor para la generación de electricidad.

Una versión extendida de este proceso se puede ver en la siguiente figura. No todas las colisiones de un neutrón con\(\ce{U}\) -235 resultan en una reacción de fisión. Un neutrón del proceso de fisión inicial puede golpear un átomo de\(\ce{U}\) -238, lo que no continúa con el proceso. Otro neutrón no puede chocar con un núcleo, y perderse en el medio ambiente. Sin embargo, un tercer neutrón producido a partir de la colisión inicial puede colisionar con más\(\ce{U}\) -235, y continuar la reacción en cadena para producir más neutrones.

Figura\(\PageIndex{2}\): Reacción de fisión con\(\ce{U}\) -235.

Las reacciones típicas de fisión nuclear se equilibran en términos de masa. La masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos:

\[\ce{^{235}_{92}U} + \ce{^1_0n} \rightarrow \ce{^{92}_{36}Kr} + \ce{^{142}_{56}Ba} + 2 \ce{^1_0n} + \text{energy}\nonumber \]

Hay un total de 236 unidades de masa a la izquierda de la ecuación y 236 unidades de masa a la derecha. De la misma manera, vemos 92 protones a la izquierda y 92 a la derecha. La energía que se libera es la energía de unión que mantiene unido al núcleo.

Otro conjunto de productos de fisión de\(\ce{U}\) -235 se puede ver en la siguiente reacción:

\[\ce{^{235}_{92}U} + \ce{^1_0n} \rightarrow \ce{^{95}_{42}Mo} + \ce{^{139}_{57}La} + 2 \ce{^1_0n} + \text{energy}\nonumber \]

Nuevamente, vemos que el número total de unidades de masa y de protones es igual en ambos lados de la ecuación.

Resumen

• La fisión nuclear es el proceso de un neutrón que choca con un núcleo. El núcleo se divide en dos isótopos, cada uno de los cuales es aproximadamente la mitad de la masa del átomo original. Una pequeña cantidad de masa es “sobrante” y liberada como energía.
• Se ilustran ejemplos de procesos de fisión nuclear.