Energía de unión

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La energía de unión (también llamada energía de separación) es la energía mínima requerida para desmontar un sistema de partículas en partes separadas. Esta energía es igual al defecto de masa: la cantidad de energía, o masa, que se libera cuando se crea un sistema vinculado (que normalmente tiene una energía potencial menor que la suma de sus partes constituyentes), y es lo que mantiene unido al sistema . Si la energía suministrada es más que la energía de enlace, entonces los constituyentes desmontados poseen energía cinética no nula.

Idea general[editar]

En general, la energía de enlace representa el trabajo mecánico que debe realizarse contra las fuerzas que mantienen unido un objeto, desensamblando el objeto en sus partes componentes con una distancia suficiente entre ellas, de modo que una mayor separación requiere un trabajo adicional insignificante.

En los sistemas ligados, si la energía de enlace se elimina del sistema, debe restarse de la masa del sistema independiente, porque esta energía tiene masa. Por lo tanto, si la energía es eliminada (o emitida) del sistema en el momento en que está limitada, esta pérdida de energía también dará como resultado la pérdida de la masa de la energía. [1]​ La masa del sistema no se conserva en este proceso porque el sistema está "abierto" (es decir, no es un sistema aislado de entrada o pérdida de masa o energía) durante el proceso de enlace.

Hay varios tipos de energía de enlace, cada uno operando en una distancia y escala de energía diferentes. Cuanto menor es el tamaño de un sistema encuadernado, mayor es su energía de enlace asociada.

Relación masa-energía[editar]

Un sistema ligado tiene típicamente un nivel de energía más bajo que sus constituyentes no ligados porque su masa debe ser menor que la masa total de sus constituyentes libres. Para sistemas con bajas energías de unión, esta masa "perdida" después de la unión puede ser una fracción pequeña, mientras que para sistemas con altas energías de unión, la masa que falta puede ser una fracción fácilmente medible. Esta masa faltante puede perderse durante el proceso de unión como energía en forma de calor o luz, con la energía eliminada correspondiente a la masa eliminada a través de la ecuación de Einstein E = mc². En el proceso de unión, los constituyentes del sistema pueden entrar en estados de mayor energía del núcleo / átomo / molécula mientras retienen su masa, y debido a esto, es necesario que se eliminen del sistema antes de que su masa pueda disminuir. Una vez que el sistema se enfría a temperaturas normales y regresa al estado fundamental con respecto a los niveles de energía, contendrá menos masa que cuando se combinó por primera vez y tenía alta energía. Esta pérdida de calor representa el "déficit de masa" y el calor mismo retiene la masa que se perdió (desde el punto de vista del sistema inicial). Esta masa aparecerá en cualquier otro sistema que absorba el calor y gane energía térmica.[2]

Por ejemplo, si dos objetos se atraen entre sí en el espacio a través de su campo gravitacional, la fuerza de atracción acelera los objetos, aumentando su velocidad, lo que convierte su energía potencial (gravedad) en energía cinética. Cuando las partículas se atraviesan sin interacción o se repelen elásticamente durante la colisión, la energía cinética ganada (relacionada con la velocidad) comienza a revertirse en energía potencial, separando las partículas colisionadas. Las partículas en desaceleración volverán a la distancia inicial y más allá hasta el infinito, o se detendrán y repetirán la colisión (se produce la oscilación). Esto muestra que el sistema, que no pierde energía, no se combina (enlaza) en un objeto sólido, partes del cual oscilan a distancias cortas. Por lo tanto, para unir las partículas, la energía cinética obtenida debido a la atracción debe ser disipada por la fuerza resistiva. Los objetos complejos en colisión normalmente sufren colisión inelástica, que transforma parte de la energía cinética en energía interna (contenido de calor, que es el movimiento atómico), que se irradia en forma de fotones: la luz y el calor. Una vez que la energía para escapar de la gravedad se disipa en la colisión, las partes oscilarán a una distancia más cercana, posiblemente atómica, pareciendo así un objeto sólido. Esta energía perdida, necesaria para superar la barrera potencial para separar los objetos, es la energía de enlace. Si esta energía de enlace se retuviera en el sistema como calor, su masa no disminuiría, mientras que la energía de enlace perdida del sistema como radiación de calor tendría masa. Representa directamente el "déficit de masa" del sistema encuadernado en frío.

Se aplican consideraciones muy análogas a las reacciones químicas y nucleares. Las reacciones químicas exotérmicas en sistemas cerrados no cambian de masa, pero se vuelven menos masivas una vez que se elimina el calor de reacción, aunque este cambio de masa es demasiado pequeño para medirlo con equipo estándar. En las reacciones nucleares, la fracción de masa que puede eliminarse en forma de luz o calor, es decir, energía de enlace, suele ser una fracción mucho mayor de la masa del sistema. Por tanto, puede medirse directamente como una diferencia de masa entre las masas en reposo de los reactivos y los productos (enfriados). Esto se debe a que las fuerzas nucleares son comparativamente más fuertes que las fuerzas de Coulomb asociadas con las interacciones entre electrones y protones que generan calor en química.

Cambio masivo[editar]

Cambio de masa (disminución) de los sistemas ligados, en particular los núcleos atómicos, también se ha denominado defecto de masa déficit de masa o masa fracción de empaquetamiento.

La diferencia entre la masa calculada del sistema no unido y la masa del núcleo medida experimentalmente (cambio de masa) se denota como Δ m . Se puede calcular de la siguiente manera:

Cambio de masa = (masa calculada del sistema no unido) - (masa medida del sistema)
p. ej. (suma de masas de protones y neutrones) - (masa medida del núcleo)

Después de que ocurre una reacción nuclear que da como resultado un núcleo excitado, la energía que debe irradiarse o eliminarse como energía de enlace para decaer al estado no excitado puede presentarse en una de varias formas. Pueden ser ondas electromagnéticas, como radiación gamma; la energía cinética de una partícula expulsada, como un electrón, en decadencia de conversión interna ; o en parte como la masa en reposo de una o más partículas emitidas, como las partículas de desintegración beta. No puede aparecer ningún déficit de masa, en teoría, hasta que esta radiación o esta energía haya sido emitida y deje de formar parte del sistema.

Cuando los nucleones se unen para formar un núcleo, deben perder una pequeña cantidad de masa, es decir, hay un cambio en la masa para permanecer unidos. Este cambio de masa debe liberarse como varios tipos de fotones u otra energía de partículas como se indicó anteriormente, de acuerdo con la relación E = mc². Por tanto, una vez eliminada la energía de enlace, energía de enlace = cambio de masa × c². Esta energía es una medida de las fuerzas que mantienen unidos a los nucleones. Representa la energía que debe reabastecerse del medio ambiente para que el núcleo se divida en nucleones individuales.

Por ejemplo, un átomo de deuterio tiene un defecto de masa de 0,0023884 amu y su energía de enlace es casi igual a 2,23 MeV. Esto significa que se requieren 2,23 MeV de energía para desintegrar un átomo de deuterio.

La energía emitida durante la fusión nuclear o la fisión nuclear es la diferencia de las energías de enlace del "combustible", es decir, el nucleido o nucleidos iniciales, de la de los productos de fisión o fusión. En la práctica, esta energía también puede calcularse a partir de las diferencias de masa sustanciales entre el combustible y los productos, lo que utiliza mediciones previas de las masas atómicas de nucleidos conocidos, que siempre tienen la misma masa para cada especie. Esta diferencia de masa aparece una vez que se han eliminado el calor y la radiación generados, que se requieren para medir las masas (en reposo) de los nucleidos (no excitados) involucrados en tales cálculos.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. HyperPhysics - "Nuclear Binding Energy". C.R. Nave, Georgia State University. Accessed 7 September 2010. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html
  2. E. F. Taylor and J. A. Wheeler, Spacetime Physics, W.H. Freeman and Co., NY. 1992. ISBN 0-7167-2327-1, see pp. 248-9 for discussion of mass remaining constant after detonation of nuclear bombs until heat is allowed to escape.