Conversión de energía de masa, defecto de masa y energía de enlace nuclear

Introducción

Vas a la gasolinera y, por alguna razón, decides poner 3 kg de gasolina en tu coche. Esto es el equivalente a casi 1 galón de gasolina (no mucho). Por supuesto, puede llevarlo entre 25 y 35 millas, dependiendo del rendimiento de la gasolina de su vehículo. 35 millas por galón pueden parecer excelentes, y esto es lo que obtendría si lo quemara en su automóvil. Ahora, ¿qué pasaría si les dijera que esos 3 kg de combustible podrían llevarlos alrededor de la Tierra cientos de veces? Si su automóvil estuviera equipado para funcionar con energía nuclear en lugar de energía química (la combustión de gasolina), podría obtener miles de millones de veces más energía con los 3 kilogramos de gasolina. En este punto, tener un automóvil de propulsión nuclear parece tan tecnológicamente lejano como tener una máquina del tiempo. Pero la idea es que las reacciones nucleares producenmucha más energía que las reacciones químicas. ¿Por qué?

Masa y energía

La energía involucrada en una reacción nuclear se puede calcular usando la conocida ecuación: E = mc 2 . En esta ecuación, E representa energía, m representa masa y c representa la velocidad de la luz, que es 3.0 x 10 8 m / s. Si la masa se mide en kilogramos (como en mi ejemplo inicial), entonces la cantidad de energía obtenida de esa cantidad de masa se representaría en julios., una unidad de energía común en química. Lo que dice esta ecuación es que la masa y la energía son directamente proporcionales entre sí. Si una sustancia gana masa, ganará energía; si pierde masa, perderá energía. Esta conversión masa-energía es realmente interesante porque generalmente se trata de cantidades muy pequeñas de masa (apenas perceptibles) y cantidades muy altas de energía (suficiente para alimentar una ciudad).

Energía de unión nuclear

Vamos a entrar en más detalles sobre esto haciendo zoom en una sola partícula alfa , o un núcleo de helio . En símbolos nucleares, lo escribiríamos así. Ahora, imaginemos que el núcleo de helio se rompe en pequeños pedazos. Si esto sucediera, requeriría una gran cantidad de energía, y al igual que hay un nombre especial para la energía requerida para eliminar un electrón (energía de ionización), esta gran cantidad de energía requerida para separar el núcleo en sus partes individuales tiene un especial nombre: energía de enlace nuclear . Cuanto mayor sea la energía de enlace nuclear, más estable será el núcleo, lo que significa que los núcleos realmente estables requerirán más energía para dividirse.

Defecto masivo

La ecuación para la reacción causada cuando un núcleo de helio es golpeado con energía.

Hasta ahora, hemos discutido lo que sucede cuando este pequeño núcleo de helio es golpeado con mucha energía, suficiente para romperlo en pedazos más pequeños. Entonces, escribamos esto en forma de ecuación. Entonces, aquí está nuestro núcleo de helio, representado por 4, 2, siendo He – 4 el número de masa, o el número de partículas en el núcleo (protones y neutrones), y 2 siendo el número atómico o el número de protones. Luego usaremos un signo más y escribiremos la palabra ‘energía’ porque estamos agregando energía a este pequeño. Vamos a ir un poco más lejos y anotar la masa de nuestro núcleo de helio. Si informamos una masa muy precisa de un núcleo de helio, muchos lugares después del decimal, obtenemos una masa de 4.00150 amu.

A continuación, vamos a dibujar nuestra flecha, que indica que se producirá un cambio una vez que se agregue toda esta energía, y del otro lado, escribimos cada partícula que se crea: 2 protones (cada uno simbolizado como 1, 1, p ) y 2 neutrones (cada uno simbolizado como 1, 0, n ). Finalmente, escribiremos la masa de cada una de estas partículas medida en muchos lugares después del decimal. Por lo general, expresamos la masa de un protón como 1 amu, lo que es aceptable en la mayoría de las situaciones. En esta situación, sin embargo, debemos ser más precisos. La masa de un protón medida en 6 cifras significativas es 1,00728 amu. Lo mismo se aplica a la masa de un neutrón. Por lo general, se informa como 1 amu pero medido en 6 cifras significativas, tenemos 1,00866 amu.

¿Notas algo extraño en estas masas? ¿Y si sumamos las masas de cada una de las cuatro partículas? Obtenemos una masa total de 4.03188 uma. ¡Eso es 0.03038 amu más alto que la masa con la que comenzamos! Esta diferencia de masa se denomina defecto de masa . El defecto de masa es básicamente la diferencia entre la masa de un núcleo y sus piezas. Y por “piezas” me refiero específicamente a sus nucleones , o sus protones y neutrones.

Entonces, ¿cómo se puede crear masa? Para responder a esto, volvemos a la ecuación mencionada anteriormente: E = mc 2 . Si agregamos suficiente energía a un núcleo y lo dividimos, veremos un aumento en la masa porque es proporcional a la cantidad de energía que agregamos. Lo mismo ocurre a la inversa. Si tuviéramos que girar esa flecha y tomar todas nuestras partículas individuales (con la masa total más alta) y fusionarlas para formar un núcleo, obtendríamos un núcleo de helio (con una masa menor) y mucha energía sería publicado.

Agregar energía a un núcleo provocará un aumento de masa.

Esto reitera mi afirmación anterior sobre cómo si una sustancia gana o absorbe energía, ganará masa, y si una sustancia pierde o emite energía, perderá masa. Entonces, siempre que obtenemos energía de una reacción nuclear (digamos, en una planta de energía), es porque los núcleos están perdiendo masa al romperse en pedazos más pequeños. A veces, estas piezas más pequeñas son nucleones (protones y neutrones) y, a veces, son solo átomos más pequeños y ligeros. En cualquier situación, pequeñas cantidades de masa se destruyen y se convierten en enormes cantidades de energía.

Resumen de la lección

Cuando se libera energía en una reacción nuclear, también se pierde una cierta cantidad de masa. Si sabemos cuánta masa se pierde, podemos usar la ecuación de Einstein, E = mc 2 , para calcular la cantidad de energía (en julios) producida al multiplicar la masa (en kg) que se pierde por la velocidad de la luz al cuadrado. La velocidad de la luz al cuadrado es equivalente a 9.0 x 10 16 m 2 / s 2 . Esta relación muestra que incluso un pequeño cambio en la masa da como resultado un gran cambio en la energía. Es por eso que si toda la masa del galón de gasolina en su tanque se convirtiera en energía a través de una reacción nuclear, ¡podría viajar tan lejos!

Se necesita una gran cantidad de energía para escupir un núcleo en pedazos más pequeños porque hay una fuerza muy fuerte que mantiene unido el núcleo. Esta cantidad de energía se llama energía de enlace nuclear . Finalmente, cuando un núcleo se divide en piezas más pequeñas, esas piezas tendrán más masa que el núcleo original. Esta diferencia de masa se denomina defecto de masa , y es esta diferencia la responsable de la energía nuclear.

Los resultados del aprendizaje

Después de ver esta lección, debería poder:

• Definir la energía de enlace nuclear y el defecto de masa.
• Comprender por qué la energía y la masa están directamente relacionadas.
• Explica por qué las reacciones nucleares producen tanta energía.