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Articulo de referencia

Energía de unión

En física y química , la energía de enlace es la cantidad mínima de energía necesaria para extraer una partícula de un sistema de partículas o para descomponer un sistema de par...

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En física y química , la energía de enlace es la cantidad mínima de energía necesaria para extraer una partícula de un sistema de partículas o para descomponer un sistema de partículas en partes individuales. [ 1 ] En el primer sentido, el término se utiliza predominantemente en física de la materia condensada , física atómica y química, mientras que en física nuclear se utiliza el término energía de separación . Un sistema ligado suele estar en un nivel de energía inferior al de sus constituyentes no ligados. Según la teoría de la relatividad , una disminución Δ E en la energía total de un sistema va acompañada de una disminución Δ m en la masa total , donde Δ mc 2 = Δ E. [ 2 ]

Tipos

Existen varios tipos de energía de enlace, cada uno de los cuales opera en una escala de distancia y energía diferente. Cuanto menor sea el tamaño de un sistema enlazado, mayor será su energía de enlace asociada.

Relación masa-energía

Un sistema ligado suele tener un nivel de energía inferior al de sus constituyentes no ligados, ya que su masa debe ser menor que la masa total de estos. Para sistemas con bajas energías de enlace, esta masa "perdida" tras la unión puede ser ínfima, mientras que para sistemas con altas energías de enlace, la masa faltante puede ser una fracción fácilmente medible. Esta masa faltante puede perderse durante el proceso de unión en forma de energía, ya sea calor o luz, correspondiendo la energía eliminada a la masa eliminada según la ecuación de Einstein E = mc² . Durante el proceso de unión, los constituyentes del sistema pueden alcanzar estados de energía superiores del núcleo/átomo/molécula conservando su masa; por ello, es necesario eliminarlos del sistema antes de que su masa disminuya. Una vez que el sistema se enfría a temperaturas normales y regresa a su estado fundamental en cuanto a niveles de energía, contendrá menos masa que cuando se combinó inicialmente 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. [ 8 ]

Por ejemplo, si dos objetos se atraen en el espacio mediante su campo gravitatorio , la fuerza de atracción los acelera, 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 transformarse en energía potencial, separándolas. Las partículas que se desaceleran regresan a la distancia inicial e incluso más allá, hasta el infinito, o se detienen y repiten la colisión (se produce una oscilación). Esto demuestra que el sistema, que no pierde energía, no se combina (se une) en un objeto sólido, cuyas partes oscilan a corta distancia. Por lo tanto, para que las partículas se unan, la energía cinética ganada debido a la atracción debe disiparse mediante una fuerza de resistencia. Los objetos complejos en colisión suelen experimentar una colisión inelástica , transformando parte de la energía cinética en energía interna (contenido de calor, que es el movimiento atómico), la cual se irradia posteriormente en forma de fotones : luz y calor. Una vez disipada la energía necesaria para escapar de la gravedad durante la colisión, las partes oscilarán a una distancia menor, posiblemente atómica, comportándose como un solo objeto sólido. Esta energía perdida, necesaria para superar la barrera de potencial que separa los objetos, es la energía de enlace. Si esta energía de enlace se conservara en el sistema en forma de calor, su masa no disminuiría, mientras que la energía de enlace perdida por radiación térmica tendría masa propia. Representa directamente el "déficit de masa" del sistema frío y unido. 

Consideraciones muy similares se aplican a las reacciones químicas y nucleares. Las reacciones químicas exotérmicas en sistemas cerrados no experimentan cambios de masa, pero sí disminuyen su masa una vez disipado el calor de reacción, aunque este cambio es demasiado pequeño para medirlo con equipos estándar. En las reacciones nucleares , la fracción de masa que se puede disipar en forma de luz o calor, es decir, la energía de enlace, suele ser una fracción mucho mayor de la masa del sistema. Por lo tanto, se puede medir directamente como la 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 a las interacciones entre electrones y protones que generan calor en química.

Cambio de masa

El cambio de masa (disminución) en sistemas ligados, particularmente en núcleos atómicos, también se ha denominado defecto de masa , déficit de masa o fracción de empaquetamiento de masa .

La diferencia entre la masa calculada del sistema no ligado 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 ligado) − (masa medida del sistema)
p. ej. (suma de las masas de protones y neutrones) − (masa medida del núcleo)

Tras una reacción nuclear que da lugar a un núcleo excitado, la energía que debe irradiarse o eliminarse como energía de enlace para que el núcleo vuelva a su estado fundamental puede presentarse de diversas formas. Estas pueden ser ondas electromagnéticas, como la radiación gamma ; la energía cinética de una partícula eyectada, como un electrón, en la desintegración por conversión interna ; o, en parte, la masa en reposo de una o más partículas emitidas, como las partículas de la desintegración beta . En teoría, no puede aparecer ningún déficit de masa hasta que esta radiación o energía se haya emitido y ya no forme parte del sistema.

Cuando los nucleones se unen para formar un núcleo, deben perder una pequeña cantidad de masa, es decir, se produce un cambio de masa para permanecer unidos. Este cambio de masa debe liberarse en forma de fotones u otros tipos de energía de partículas, como se indicó anteriormente, según la relación E = mc² . Por lo tanto, una vez eliminada la energía de enlace, la energía de enlace es igual al cambio de masa multiplicado por c² . Esta energía es una medida de las fuerzas que mantienen unidos a los nucleones. Representa la energía que debe ser reabastecida del entorno para que el núcleo se divida en nucleones individuales.

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

La energía liberada durante la fusión o la fisión nuclear es la diferencia entre las energías de enlace del "combustible", es decir, el o los nucleidos iniciales, y las de los productos de la fisión o fusión. En la práctica, esta energía también puede calcularse a partir de las considerables diferencias de masa entre el combustible y los productos, utilizando 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 ha eliminado el calor y la radiación liberados, lo cual es necesario para medir las masas (en reposo) de los nucleidos (no excitados) involucrados en dichos cálculos.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Rohlf, James William (1994). Física moderna de α a Z° . John Wiley & Sons. pág.  20. ISBN 0471572705.
  2. ↑ Eisberg, Robert; Resnick, Robert (1985). Física cuántica de átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas (2.ª ed.). John Wiley & Sons. pág. 524. ISBN   047187373X.
  3. ↑ IUPAC , Compendio de Terminología Química , 5.ª ed. (el "Libro de Oro") (2025). Versión en línea: (2006 – ) " Energía de ionización ". doi : 10.1351/goldbook.I03199
  4. ↑ "Energía de enlace" . Energía nuclear . Consultado el 16 de mayo de 2015 .
  5. ↑ Bodansky, David (2005). Energía nuclear: principios, prácticas y perspectivas (2.ª ed.). Nueva York: Springer Science + Business Media, LLC. pág. 625. ISBN   9780387269313.
  6. ↑ Wong, Samuel SM (2004). Física nuclear introductoria (2.ª ed.). Weinheim: Wiley-VCH . págs. 9-10 . ISBN   9783527617913.
  7. ↑ Karliner, Marek y Jonathan L. Rosner. "Análogo a nivel de quarks de la fusión nuclear con bariones doblemente pesados". Nature 551.7678 (2017): 89.
  8. ↑ EF Taylor y JA Wheeler, Física del espacio-tiempo , WH Freeman and Co., Nueva York, 1992. ISBN 0716723271, véanse las páginas 248-249 para un análisis de cómo la masa permanece constante después de la detonación de bombas nucleares hasta que se permite que escape el calor.
  • Energía de enlace nuclear
  • Masa y estabilidad de los nucleidos
  • Datos experimentales de masa atómica recopilados en noviembre de 2003. Archivados el 23 de septiembre de 2008 en la Wayback Machine.