Vinculación de curvas de energía y energía nuclear

Estrellas

¿Alguna vez te has preguntado de dónde vienen los elementos que componen todo en el universo? ¡Vienen de las estrellas! Las estrellas tienen la capacidad de generar elementos y el subproducto de este proceso es la liberación de enormes cantidades de energía que definitivamente vemos y sentimos en forma de luz y calor.

Podemos usar el concepto de energía de enlace y curvas de energía de enlace para mostrar por qué las estrellas son tan poderosas. La misma curva de energía de enlace puede explicar cómo los humanos pueden iniciar reacciones nucleares de fisión. Veamos cómo se hace esto.

Energía de unión

La energía de enlace es la energía necesaria para eliminar un nucleón del núcleo de un átomo. Un nucleón es un protón o un neutrón. Se puede comparar con la energía necesaria para tomar un caramelo de un niño que no quiere renunciar a él. ¡El niño se agarra con fuerza a ese dulce! El núcleo del átomo mantiene todos los protones y neutrones muy juntos. Puede parecer extraño, pero los nucleones tienen más masa fuera del núcleo que dentro del núcleo. La razón de esto es que parte de la masa de los nucleones se convierte en la energía que mantiene unido el núcleo. Esta masa faltante se llama defecto de masa . La famosa ecuación de Einstein E = mc 2 se relaciona directamente con esto.

• E es energía
• m es masa
• c es la velocidad de la luz

La velocidad de la luz al cuadrado es un número ridículamente grande, lo que significa que el pequeño valor del defecto de masa es equivalente a una cantidad gigantesca de energía. Veamos ahora el gráfico de la energía de enlace.

Curva de energía vinculante

Podemos trazar la energía de enlace por nucleón frente a la masa atómica y obtener el siguiente gráfico que aparece aquí:

La energía de enlace del hidrógeno-1 es cero porque solo hay un protón en el núcleo, por lo que no hay repulsión electrostática. Podemos ver que el gráfico se dispara drásticamente hasta llegar al helio antes de que baje un poco y luego vuelva a subir hacia el hierro-56. Este es el núcleo más estable nuclear que existe. Después del hierro-56, la energía de enlace desciende suavemente hacia el uranio-238.

Cualquier cosa en el lado izquierdo del Fe-56 se puede crear en un proceso nuclear de fusión , que implica que los átomos se comprimen bajo presión y temperatura extremas para formar elementos más pesados. Esto es lo que sucede en el núcleo de las estrellas. Cualquier cosa en el lado derecho del Fe-56 puede crearse en un proceso nuclear de fisión , que implica la división de átomos pesados ​​en elementos más ligeros. Esto ocurre en reactores nucleares y bombas nucleares. Tanto en las reacciones de fusión como en las de fisión, se generan enormes cantidades de energía. Centrémonos en la fusión y la fisión de forma independiente.

Fusión

La reacción de fusión entre dos átomos de hidrógeno-2 aparece aquí:

Los números superiores en esta fórmula son los números de masa, que son el número total de nucleones en el átomo designado con la letra “u”. El número inferior es el número de protones en el átomo. Usando la curva de energía de enlace, determinamos la cantidad de energía generada en una reacción nuclear. Para hacer esto, calculamos la energía de enlace por nucleón para el producto de la reacción nuclear y le restamos la energía de enlace total de los reactivos.

El H-2 tiene una energía de enlace de aproximadamente 1,12 MeV por nucleón. Dado que los reactivos en nuestra ecuación tienen una masa total de 4 u, la energía de enlace total para dos átomos de H-2 es:

4 (1,12 MeV) = 4,48 MeV

El producto de la reacción, He-4, tiene una energía de enlace de aproximadamente 7,08 MeV por nucleón. Esto nos da una energía de enlace total de:

4 (7,08 MeV) = 28,32 MeV

Restar la energía de enlace inicial de la energía de enlace final nos da:

28,32 MeV – 4,48 MeV = 23,84 MeV

Esta es la cantidad de energía que se desprende de la fusión de dos átomos de H-2 en un átomo de He-4.

Fisión

Podemos hacer el mismo proceso para determinar la energía emitida durante una reacción de fisión. Dividamos el uranio-236 en Sr-97, Xe-137 y dos neutrones. Podemos encontrar las energías de enlace de estos isótopos en la curva de energía de enlace.

Energías de enlace de los reactivos y productos de la fisión del U-236

Calculemos la energía de enlace total del reactivo (U-236):

236 (7,6 MeV) = 1.793,6 MeV

La energía de enlace total de los productos (Sr-97 y Xe-137):

97 (8,6 MeV) = 834,2 MeV

137 (8,4 MeV) = 1150,8 MeV

La energía de enlace total de los productos es:

834,2 MeV + 1,150,8 MeV = 1,985 MeV

La energía liberada por esta reacción de fisión es:

1.985 MeV – 1.793,6 MeV = 191,4 MeV

¡Esta es una cantidad significativa menor que la reacción de fusión! La regla a seguir con respecto a la curva de energía de enlace es que los productos de la reacción nuclear deben tener una energía de enlace más alta que los reactivos. Observe en el lado izquierdo de Fe-56, comenzamos con elementos más ligeros y avanzamos hacia elementos más pesados. En el lado derecho del Fe-56, pasamos de elementos más pesados ​​a elementos más ligeros.

Resumen de la lección

Muy bien, tomemos un momento para revisar la información importante que hemos aprendido en esta lección. Primero aprendimos que la energía de enlace es la energía necesaria para eliminar un nucleón del núcleo del átomo, mientras que los nucleones son protones y neutrones. Los protones y neutrones tienen más masa fuera del núcleo que dentro del núcleo. La cantidad de masa que pierden, que es donde parte de la masa de los nucleones se convierte en la energía que mantiene unido al núcleo, llamada defecto de masa , se convierte en la energía que une al núcleo. La ecuación de Einstein E = mc 2 calcula la energía equivalente del defecto de masa.

La curva de energía de enlace muestra un aumento general de la energía de enlace de H-1 a Fe-56, que es el núcleo más estable. A partir del Fe-56, la energía de enlace disminuye. Fe-56 es el isótopo que separa las reacciones de fusión en el lado izquierdo de la curva y las reacciones de fisión en el lado derecho de la curva. La fusión es cuando los átomos se combinan para formar elementos más pesados ​​y la fisión es cuando los elementos más pesados ​​se dividen en elementos más ligeros. Ambas reacciones liberan enormes cantidades de energía, pero la fusión libera más que la fisión.