Capítulo 45: Aplicaciones de la física nuclear

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 63 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 63. Para construir una bomba. a) En el tiempo t = 0 una muestra de uranio se expone a una fuente de neutrones que hace que N0 núcleos experimenten fisión. La muestra está en estado supercrítico, con una constante…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 62 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 62. Cuando pasan fotones por la materia, la intensidad I del rayo (medida en watts por metro cuadrado) decrece exponencialmente según la ecuación I = I0e-μx donde I0 es la intensidad del rayo incidente e I es la intensidad…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 61 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 61. Además del ciclo protón-protón descrito en el texto de este capítulo, el ciclo de carbono, propuesto primero por Hans Bethe en 1939, es otro ciclo por el cual se libera energía en las estrellas a medida que el…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 60 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 60. Suponga que el objetivo en un reactor de fusión láser es una esfera de hidrógeno sólido que tiene un diámetro de 1.50 X 10-4 m y una densidad de 0.200 g/cm3. También suponga que la mitad de los…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 59 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 59. Considere las dos reacciones nucleares I) A + B → C + E II) C + D → F + G a) Demuestre que la energía neta de desintegración para estas reacciones (Qneta = QI + QII) es…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 58 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 58. El Sol irradia energía en la proporción de 3.85 X 1026 W. Suponga que la reacción neta 4(11H) + 2(0-1e) → 42He + 2v + y toma en cuenta toda la energía liberada. Calcule el número de protones…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 57 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 57. a) Calcule la energía (en kilowatt-horas) liberada si 1.00 kg de 239Pu experimenta fisión completa y la energía liberada por evento de fisión es 200 MeV. b) Calcule la energía (en electrón volts) liberada en la siguiente…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 56 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 56. Una cápsula sellada que contiene fósforo 32 (3215P) radiofarmacéutico, emisor de e–, se implanta dentro del tumor de un paciente. La energía cinética promedio de las partículas beta es 700 keV. La actividad inicial es 5.22 MBq. Determine…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 55 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 55. Si se supone que un deuterón y un tritón están en reposo cuando se fusionan, de acuerdo con la reacción 21H + 31H → 42He + 10n + 17.6 MeV determine la energía cinética adquirida por el neutrón.…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 54 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 54. Un neutrón de 2.0 MeV se emite en un reactor de fisión. Si pierde la mitad de su energía cinética en cada colisión con un átomo moderador, ¿cuántas colisiones debe experimentar para convertirse en un neutrón térmico, con…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 53 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 53. Debe procesarse uranio para producir uranio enriquecido 235U para bombas y plantas de energía. El proceso rinde una enorme cantidad de 238U casi puro como subproducto, llamado “uranio empobrecido”. Debido a su alta densidad de masa, se emplea…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 52 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 52. El polonio 210, emisor de rayos alfa (21084Po), se usa en una fuente de energía nuclear en una nave espacial (figura P45.52). Determine la potencia de salida inicial de la fuente. Suponga que contiene 0.155 kg de…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 51 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 51. Cierta planta nuclear genera energía interna a razón de 3.065 GW y transfiere energía desde la planta mediante transmisión de electricidad a razón de 1.000 GW. De la energía desperdiciada, 3% se inyecta a la atmósfera y el…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 50 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 50. Un neutrón muy lento (con una rápidez aproximadamente igual a cero) puede iniciar la reacción 10n + 105B → 73Li + 42He La partícula alfa se aleja con una rapidez de 9.25 X 106 m/s. Calcule la energía cinética…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 49 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 49. Alrededor de una de cada 3300 moléculas de agua contiene un átomo de deuterio. a) Si todos los núcleos de deuterio en un litro de agua se fusionan por pares, de acuerdo con la reacción de fusión D–D…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 47 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 47. Considere una muestra de 1.00 kg de uranio natural compuesto principalmente de 238U, una cantidad más pequeña (0.720% por masa) de 235U y una traza (0.005%) de 234U, que tiene una vida media de 2.44 X 105 años.…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 48 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 48. La primera bomba atómica fue una masa de plutonio 239 que se hizo explotar en la prueba Trinity, antes del alba del 16 de julio de 1945, en Alamogordo, Nuevo México. Enrico Fermi estaba a 14 km…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 46 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 46. Una planta nuclear generadora de energía eléctrica opera utilizando la energía liberada por fisión nuclear para convertir agua a Tc en vapor a Th. ¿Teóricamente cuánta agua podría ser convertida en vapor por la fisión completa de una…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 45 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 45. Una planta de energía nuclear opera usando energía liberada por fisión nuclear para convertir agua a 20°C en vapor a 400°C. ¿Teóricamente cuánta agua podría ser convertida en vapor por la fisión completa de 1.00 g de 235U…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 44 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 44. Un reactor de fisión es golpeado por un misil y 5.00 X 106 Ci de 90Sr, con vida media de 27.7 años, se evapora en el aire. El estroncio cae sobre un área de 104 km2. ¿Después de…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 43 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 43. La vida media del tritio es 12.3 años. Si el reactor de fusión TFTR contiene 50.0 m3 de tritio con una densidad igual a 2.00 X 1014 iones/cm3, ¿cuántos curies de tritio había en el plasma? Compare este…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 42 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 42. Explique cómo se compara la pérdida fraccionaria de energía en una reacción típica de fisión de 235U con la pérdida fraccionaria de energía en una fusión D–T. Solución: CONSULTA AQUÍ OTROS EJERCICIOS RESUELTOS DEL LIBRO FÍSICA SERWAY VOLUMEN…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 41 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 41. Un núcleo estacionario de 23692U se fisiona espontáneamente en dos fragmentos primarios, 8735Br y 14957La. a) Calcule la energía de desintegración. Las masas atómicas necesarias son 86.920 711 u para 8735Br, 148.934 370 u para 14957La, y 236.045…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 40 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 40. Considere un núcleo en reposo, que espontáneamente se divide en dos fragmentos de masas m1 y m2. Demuestre que la fracción de la energía cinética total que lleva el fragmento m1 es y la energía llevada por la…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 39 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 39. Las detonaciones de carbono son poderosas reacciones nucleares que temporalmente separan con violencia los núcleos dentro de estrellas gigantes al final en sus vidas. Estas explosiones son producidas por fusión del carbono, que requiere una temperatura de unos…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 38 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 38. Un calibrador de grosor. Cuando los rayos gamma inciden sobre la materia, la intensidad de los rayos gamma que pasan a través del material varía con la profundidad x como I(x) = I0e-μ, donde I0 es la intensidad…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 37 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 37. El análisis de activación de neutrones es un método para analizar químicamente el nivel de isótopos. Cuando una muestra es radiada por neutrones, se producen átomos radiactivos en forma continua y luego decaen según sus vidas medias características.…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 36 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 36. Usted desea saber cuántos átomos del isótopo 65Cu hay en una pequeña muestra de material. Bombardee la muestra con neutrones para asegurarse de que 1% de estos núcleos de cobre absorbe un neutrón. Después de una activación interrumpe…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 35 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 35. Durante la fabricación de un componente de acero de un motor, se incluye hierro radiactivo (59Fe) en la masa total de 0.200 kg. El componente se coloca en un motor de prueba cuando la actividad debida a este…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 34 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 34. a) Su abuela le relata cómo, cuando eran niños, papá, tías y tíos de usted hacían que la puerta con tela de alambre se cerrara continuamente cuando corrían entre la casa y el patio trasero. El intervalo entre…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 33 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 33. En un tubo Geiger, el voltaje entre los electrodos es, por lo general, de 1.00 kV y el pulso de corriente se descarga en un capacitor de 5.00 pF. a) ¿Cuál es la amplificación de energía de este…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 32 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 32. Suponga que un tubo fotomultiplicador (figura 40.12) tiene siete dínodos con potenciales de 100, 200, 300, . . . , 700 V. El promedio de energía necesario para liberar un electrón de la superficie del dínodo es 10.0…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 31 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 31. Todavía se puede hallar estroncio 90 de las pruebas de bombas nucleares en la atmósfera. Cada desintegración de 90Sr libera 1.1 MeV de energía en los huesos de una persona que había tenido sustitución de estroncio por calcio…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 30 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 30. Para destruir un tumor canceroso, a partir de cápsulas selladas implantadas que contienen paladio 103, en 30.0 días se entregará una energía total de 2.12 J mediante una dosis de radiación gamma. Suponga que este isótopo tiene una…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 29 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 29. El tecnecio 99 se emplea en ciertos procedimientos de diagnóstico médicos. Suponga que 1.00 X 10-8g de 99Tc se inyecta en un paciente de 60.0 kg y la mitad de los rayos gamma de 0.140 MeV son…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 28 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 28. El peligro para el cuerpo debido a una alta dosis de rayos gamma no se debe a la cantidad de energía absorbida, sino a la naturaleza ionizante de la radiación. Para ilustrar esto, calcule el aumento en la…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 27 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 27. Un técnico “ingenioso” decide calentar una taza con agua para su café con una máquina de rayos X. Si la máquina produce 10.0 rad/s, ¿Cuánto tardará en subir la temperatura a 50.0°C? Solución: CONSULTA AQUÍ OTROS EJERCICIOS RESUELTOS…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 26 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 26. Cuando los rayos gamma inciden en la materia, la intensidad de los rayos gamma que pasan por el material varía con la profundidad x, según I(x) = I0e-μx, donde μ es el coeficiente de absorción e I0 es…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 25 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 25. Suponga que un técnico de rayos X toma un promedio de ocho placas de rayos X por cada día y por esta causa recibe una dosis de 5 rem/año. a) Estime la dosis en rem por radiografía tomada.…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 24 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 24. Una fuente radiactiva particular produce 100 mrad de 2 MeV de rayos gamma por cada hora a una distancia de 1.00 m desde la fuente. a) ¿Cuánto tiempo podría soportar una persona a esta distancia antes de…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 23 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 23. Un edificio pequeño se ha contaminado accidentalmente con radiactividad. El material de larga duración en el edificio es estroncio 90. (El 9038Sr tiene una masa atómica de 89.907 7 u, y su vida media es de 29.1 años.…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 22 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 22. Una antigua ficción futurista era lograr que un reactor de fusión alimentara energía para disociar las moléculas de la basura en átomos separados y luego ionizar los átomos. Este material podría ponerse en un espectrómetro de masas gigante,…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 21 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 21. Para confinar un plasma estable, la densidad de energía magnética en el campo magnético (ecuación 32.14) debe exceder de la presión 2nkBT del plasma en un factor de al menos 10. En lo que sigue, suponga un…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 20 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 20. Se ha sugerido que los reactores de fusión son seguros contra explosiones porque nunca hay suficiente energía en el plasma para hacer mucho daño. a) En 1992, el reactor TFTR alcanzó una temperatura de iones de 4.0 X…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 19 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 19. Para entender por qué es necesario el confinamiento del plasma, considere la rapidez a la que se perdería un plasma no confinado. a) Estime la rapidez rms de deuterones en un plasma a 4.00 X 108 K.…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 18 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 18. De todo el hidrógeno de los océanos, 0.030 0% de la masa es deuterio. Los océanos tienen un volumen de 317 millones de millas cúbicas. a) Si la fusión nuclear fuera controlada y todo el deuterio de los…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 17 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 17. Considere la reacción de fusión deuterio-tritio con el núcleo de tritio en reposo: 21H + 31H → 42He + 10n a) Suponga que los núcleos reactivos se fusionan espontáneamente si se tocan sus superficies. De la ecuación 44.1,…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 16 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 16. Dos núcleos que tienen números atómicos Z1 y Z2 se aproximan el uno al otro con una energía total E. a) Cuando están muy separados, interactúan únicamente por repulsión eléctrica. Si se aproximan a una distancia de 1.00…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 15 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 15. a) Considere un generador de fusión construido para producir 3.00 GW de potencia. Determine la rapidez de combustión en gramos por hora si se usa la reacción D–T. b) Haga lo mismo para la reacción D–D, suponiendo que…

SOLUCIÓN DE EJERCICIOS FÍSICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA  – SERWAY SOLUCIÓN PROBLEMA 14 CAPÍTULO 45 FÍSICA SERWAY 14. La probabilidad de una reacción nuclear aumenta dramáticamente cuando la partícula incidente recibe energía por arriba de la “barrera de Coulomb”, que es la energía potencial eléctrica de los dos núcleos cuando sus superficies apenas se tocan. Calcule…