Fenómenos Atómicos y Nucleares

Resumen de la actividad: A pesar de que los materiales nucleares son parte de la corteza terrestre y lo han sido por millones de años, la historia moderna de utilizar la energía nuclear para generar energía es relativamente corta. La fisión nuclear fue descubierta por primera vez en 1939, y la primera reacción nuclear en cadena controlada sucedió en Chicago como parte del Proyecto Manhattan en tiempos de guerra en 1942. Tres años después, la primera prueba de arma nuclear fue realizada en Nuevo México. En 1948, los reactores nucleares crearon electricidad por primera vez en una planta de energía en Idaho.

El combustible más común para los reactores nucleares en todo el mundo es el uranio-235(235U), un isótopo de uranio. También se pueden usar otros combustibles como el torio, pero el uranio se convirtió en la fuente convencional de mayor producción por una variedad de razones históricas, geopolíticas y técnicas. El aspecto físico más importante de la fisión controlada es la reacción en cadena que comienza cuando un neutrón divide un átomo de uranio. La división del átomo emite más neutrones, que luego se dividen en otros átomos. Durante el proceso de fisión, se pierde algo de masa, que se convierte en energía térmica, como es representado en E = mc2. Ese calor crea vapor que puede ser utilizado para girar una turbina y generar electricidad.

Como instructor, es posible que desee asegurarse de que sus estudiantes tengan un conocimiento firme de al función de los protones, neutrones, electrones y la función de la fuerza fuerte antes de emprender esta actividad Además, los estudiantes deben poder definir e identificar isótopos.

Tiempo: 1 hora

Actividad 1
Problema planteado:

Describa e ilustre el proceso de fisión nuclear en el contexto de su función en la producción de energía.

Los estudiantes deben usar la descripción anterior y su conocimiento de partículas y fuerzas subatómicas para construir una ilustración y una descripción del proceso de fisión nuclear.

El Capítulo 17: Energía nuclear de la energía 101: Tecnología y política energética contiene una descripción detallada del proceso de fisión nuclear dentro del contexto más amplio de la industria energética. Considere asignar una lectura y permitir que los estudiantes sinteticen la información de ese capítulo en sus ilustraciones y descripciones.

La BBC ha producido una explicación más directa de los detalles del proceso de fisión y fusión nuclear. Este sitio contiene ilustraciones del proceso, que pueden usarse como un ejemplo para evaluar el trabajo de los estudiantes.

Criterios de evaluación:

Los estudiantes deben articular claramente que la fisión nuclear es el proceso de usar un neutrón de alta energía para dividir el núcleo de un átomo en átomos más pequeños que liberan más partículas subatómicas de alta energía, que repiten el proceso. Un trabajo excelente reconocerá la introducción de un neutrón en el núcleo atómico como la creación de un isótopo inestable, que inmediatamente descompone la liberación de energía y partículas subatómicas.

Aplicando este conocimiento a la industria de energía, los estudiantes deben identificar el isótopo estable preferido, uranio-235, y el isótopo inestable creado, uranio-236. Un excelente trabajo será uno que contextualiza el proceso de fisión que ocurre dentro del núcleo del reactor nuclear, donde los neutrones de alta energía liberados de la reacción inicial interactúan con otros átomos de uranio-235 en una reacción en cadena. El núcleo del reactor también contiene las instalaciones para absorber la energía liberada de la reacción en la generación de vapor para una turbina de vapor tradicional.

Actividad 2:
Problema planteado

Durante el proceso de fisión nuclear con el isótopo de uranio-235, el 0.1 por ciento de la masa del uranio se "pierde"'Sabemos, según la ley de conservación de la masa, que la materia no se puede crear ni destruir, entonces, ¿a dónde se fue esta masa? Gracias a la relatividad especial de Einstein y su famosa fórmula, la física tiene una respuesta para la relación intrínseca entre masa y energía. El 0.1% de uranio se convierte en energía de acuerdo con los principios de E = mc².

En esta segunda actividad, muestre a los estudiantes que los físicos pesaron todos los núcleos hijos y los neutrones libres de la ilustración que crearon en la primera actividad e informaron que el 0.1% de la masa inicial se convirtió durante el proceso de fisión nuclear. Pídales que usen la equivalencia de masa-energía de Einstein para calcular cuánta energía se produjo a partir de la fisión de 1 gramo (g) de uranio-235. (Esta cantidad es arbitraria y no debe percibirse como la cantidad real de combustible utilizada en reacciones nucleares controladas).

0.1% de 1 g uranio es 0.001 g o 0.000001 kg o 1x10⁻⁶ kg

J = kg m² s⁻²

E =energía medida en julios(J)
m = masa medida en kilogramos(kg)
c = la velocidad del vuelo en metros por segundo (3 x 10⁸ m/s)
E = mc²
E = (1 x 10^-6 kg) x (3 x 10⁸ m/s)²
E = (1 x 10^-6 kg) x 9 x 10¹⁶ m²/s²
E = 1 x 9 x 10¹⁰ kg;m²/s^-2
E = 9 x 10¹⁰ J

Recursos:

El Capítulo 17: Conceptos básicos de Energía 101;Energía y Tecnología & Política ofrece una introducción a la energía nuclear.

Las páginas de revisión de BBC Bitesize GCSE proporcionan una explicación sucinta con ilustraciones del proceso de fisión y fusión.

La química importa de Radiodifusión pública de Georgia presenta una lección sobre fisión nuclear y los diferentes tipos de radiación. Aunque está formalmente alineado con los Estándares de Excelencia de Georgia, este material también aborda los TEKS enumerados en esta página.

Partes de esta actividad se han sido reimpresas de Energía 101: Energía Tecnología & Política Capitulo 17: Energía Nuclear.

1. Hans A. Bethe (Abril 1950), "La bomba de hidrógeno", Boletín de los científicos atómicos, p. 99.