Energía de unión

Energía necesaria para separar partículas

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 desarmar 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 se encuentra típicamente en un nivel de energía más bajo que sus constituyentes no ligados. Según la teoría de la relatividad, una disminución $de Δ E$ 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.

Tipo	Descripción	Ejemplo	Nivel
Energía de enlace gravitacional	La energía de enlace gravitacional de un objeto, como un cuerpo celeste , es la energía necesaria para expandir el material hasta el infinito.	Si un cuerpo con la masa y el radio de la Tierra estuviera formado únicamente por hidrógeno-1 , la energía de enlace gravitacional de ese cuerpo sería de aproximadamente 0,391658 eV por átomo. Si un cuerpo de hidrógeno-1 tuviera la masa y el radio del Sol , su energía de enlace gravitacional sería de aproximadamente 1195,586 eV por átomo.	Nivel astrofísico
Energía de enlace; Energía de disociación de enlace	La energía de enlace y la energía de disociación de enlace son medidas de la energía de enlace entre los átomos de un enlace químico . Es la energía necesaria para descomponer una molécula en sus átomos constituyentes. Esta energía aparece como energía química , como la que se libera en las explosiones químicas , la quema de combustible químico y los procesos biológicos . Las energías de enlace y las energías de disociación de enlace suelen estar en el rango de unos pocos eV por enlace.	La energía de disociación de un enlace carbono-carbono es de aproximadamente 3,6 eV.	Nivel molecular
Energía de enlace de electrones; Energía de ionización	La energía de enlace de electrones , más comúnmente conocida como energía de ionización , ^[3] es una medida de la energía requerida para liberar un electrón de su orbital atómico o de un sólido. La energía de enlace de electrones se deriva de la interacción electromagnética del electrón con el núcleo y los otros electrones del átomo , molécula o sólido y está mediada por fotones .	Entre los elementos químicos, el rango de energías de ionización va desde 3,8939 eV para el electrón más externo en un átomo de cesio hasta 11,567617 keV para el electrón más interno en un átomo de cobre .	Nivel atómico
Energía de enlace atómico	La energía de enlace atómico del átomo es la energía necesaria para descomponer un átomo en electrones libres y un núcleo. ^[4] Es la suma de las energías de ionización de todos los electrones pertenecientes a un átomo específico. La energía de enlace atómico deriva de la interacción electromagnética de los electrones con el núcleo, mediada por fotones .	Para un átomo de helio , con 2 electrones, la energía de enlace atómico es la suma de la energía de primera ionización (24,587 eV) y la energía de segunda ionización (54,418 eV), para un total de 79,005 eV.	Nivel atómico
Energía de enlace nuclear	La energía de enlace nuclear es la energía necesaria para desensamblar un núcleo en los neutrones y protones libres y no ligados que lo componen. Es el equivalente energético del defecto de masa , la diferencia entre el número de masa de un núcleo y su masa medida. ^[5]^[6] La energía de enlace nuclear deriva de la fuerza nuclear o fuerza fuerte residual, que está mediada por tres tipos de mesones .	La energía de enlace nuclear promedio por nucleón varía desde 1,11226 MeV para el hidrógeno-2 hasta 8,7945 MeV para el níquel-62 .	Nivel nuclear
Energía de enlace de la cromodinámica cuántica	La energía de enlace de la cromodinámica cuántica hace un uso incorrecto de la denominación de falta de energía. Se refiere a la masa y la energía cinética de las partes que unen los diversos quarks dentro de un hadrón . Esta energía se deriva de la interacción fuerte , que está mediada por los gluones a través de los gluones virtuales y los quarks marinos.	La energía de enlace cromodinámica dentro de un nucleón asciende aproximadamente al 99% de la masa del nucleón. La energía de enlace cromodinámico de un protón es de aproximadamente 928,9 MeV, mientras que la de un neutrón es de aproximadamente 927,7 MeV. La gran energía de enlace entre los quarks bottom (280 MeV) hace que algunas reacciones (teóricamente esperadas) con bariones lambda liberen 138 MeV por evento. ^[7]	Nivel de partículas elementales

Relación masa-energía

Un sistema ligado se encuentra típicamente en un nivel de energía más bajo que sus constituyentes no ligados porque su masa debe ser menor que la masa total de sus constituyentes no ligados. Para sistemas con energías de enlace bajas, esta masa "perdida" después de la unión puede ser fraccionalmente pequeña, mientras que para sistemas con energías de enlace altas, la masa faltante 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 $E = mc2 . En el proceso de unión, los constituyentes del sistema pueden entrar en estados de$ energía más altos 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 a estados fundamentales con respecto a los niveles de energía, contendrá menos masa que cuando se combinó por primera vez y estaba en alta energía. Esta pérdida de calor representa el "déficit de masa", y el calor en sí 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 entre sí en el espacio a través de su campo gravitatorio , la fuerza de atracción acelera los objetos, aumentando su velocidad, lo que convierte su energía potencial (gravedad) en energía cinética. Cuando las partículas pasan una a través de la otra sin interacción o se repelen elásticamente durante la colisión, la energía cinética ganada (relacionada con la velocidad) comienza a revertirse en energía potencial, alejando las partículas colisionadas. Las partículas desaceleradas regresarán a la distancia inicial y más allá hasta el infinito, o se detendrán y repetirán la colisión (se produce oscilación). Esto muestra que el sistema, que no pierde energía, no se combina (se une) en un objeto sólido, partes del cual oscilan a distancias cortas. Por lo tanto, para unir las partículas, la energía cinética ganada debido a la atracción debe disiparse por la fuerza resistiva. Los objetos complejos en colisión generalmente experimentan una colisión inelástica , transformando parte de la energía cinética en energía interna (contenido de calor, que es movimiento atómico), que luego 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, y parecerán 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 del sistema en forma de radiación térmica sí tendría masa. Representa directamente el "déficit de masa" del sistema frío y enlazado.

Consideraciones muy similares se aplican en las reacciones químicas y nucleares. Las reacciones químicas exotérmicas en sistemas cerrados no cambian la masa, pero se vuelven menos masivas una vez que se elimina el calor de la reacción, aunque este cambio de masa es demasiado pequeño para medirlo con un equipo estándar. En las reacciones nucleares , la fracción de masa que se puede eliminar en forma de luz o calor, es decir, energía de enlace, es a menudo una fracción mucho mayor de la masa del sistema. Por lo tanto, se puede medir 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 la química.

Cambio de masa

El cambio (disminución) de masa en sistemas ligados, particularmente núcleos atómicos, también se ha denominado defecto de masa , déficit de masa o fracción de empaquetamiento de masa . ^{[ cita requerida ]}

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 masas de protones y neutrones) − (masa medida del núcleo)

Después de que se produce una reacción nuclear que da lugar a un núcleo excitado, la energía que debe irradiarse o eliminarse de otro modo como energía de enlace para desintegrarse al estado no excitado puede presentarse en una de varias formas. Puede tratarse de ondas electromagnéticas, como la radiación gamma ; la energía cinética de una partícula expulsada, como un electrón, en la desintegración por conversión interna ; o en parte como 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 se haya emitido esta radiación o esta energía 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, hay un cambio en la masa para permanecer unidos. Este cambio de masa debe liberarse como varios tipos de energía de fotones u otras partículas como se indicó anteriormente, de acuerdo con la relación $E = mc 2$ . Por lo tanto, una vez que se ha eliminado la energía de enlace, energía de enlace = cambio de masa × $c 2$ . Esta energía es una medida de las fuerzas que mantienen unidos a los nucleones. Representa la energía que debe reabastecerse desde el entorno para que el núcleo se descomponga 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 necesita una energía de 2,23 MeV para desintegrar un átomo de deuterio.

La energía que se desprende 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 la fusión. En la práctica, esta energía también se puede calcular a partir de las diferencias sustanciales de masa 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, lo que es necesario para medir las masas (en reposo) de los nucleidos (no excitados) que intervienen en dichos cálculos.

Véase también

Fórmula de masa semiempírica
Energía de separación (energía de enlace de un nucleón)
Masa viral
La hipótesis de Prout , un modelo temprano del átomo que no tenía en cuenta el defecto de masa

Referencias

^ Rohlf, James William (1994). Física moderna desde α hasta Z° . John Wiley & Sons. pág. 20. ISBN 0471572705.
^ Eisberg, Robert; Resnick, Robert (1985). Física cuántica de átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas (2.ª ed.). John Wiley & Sons. pág. 524. ISBN 047187373X.
^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2.ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "Energía de ionización". doi :10.1351/goldbook.I03199
^ "Energía de enlace". Energía nuclear . Consultado el 16 de mayo de 2015 .
^ Bodansky, David (2005). Energía nuclear: principios, prácticas y perspectivas (2.ª ed.). Nueva York: Springer Science + Business Media, LLC. pág. 625. ISBN 9780387269313.
^ Wong, Samuel SM (2004). Introducción a la física nuclear (2.ª ed.). Weinheim: Wiley-VCH . Págs. 9-10. ISBN. 9783527617913.
^ Karliner, Marek y Jonathan L. Rosner. "Análogo a nivel de quark de la fusión nuclear con bariones doblemente pesados". Nature 551.7678 (2017): 89.
^ EF Taylor y JA Wheeler, Spacetime Physics , WH Freeman and Co., NY. 1992. ISBN 0716723271 , véanse las páginas 248-249 para un análisis de la masa que permanece constante después de la detonación de bombas nucleares hasta que se permite que escape el calor.

Enlaces externos

Energía de enlace nuclear
Masa y estabilidad de los nucleidos
Datos experimentales de masa atómica recopilados en noviembre de 2003. Archivado el 23 de septiembre de 2008 en Wayback Machine.

[1] Rohlf, James William (1994). Física moderna desde α hasta 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 , 2.ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "Energía de ionización". doi :10.1351/goldbook.I03199

[nuclearpower-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). Introducción a la física nuclear (2.ª ed.). Weinheim: Wiley-VCH . Págs. 9-10. ISBN. 9783527617913.

[7] Karliner, Marek y Jonathan L. Rosner. "Análogo a nivel de quark de la fusión nuclear con bariones doblemente pesados". Nature 551.7678 (2017): 89.

[8] EF Taylor y JA Wheeler, Spacetime Physics , WH Freeman and Co., NY. 1992. ISBN 0716723271 , véanse las páginas 248-249 para un análisis de la masa que permanece constante después de la detonación de bombas nucleares hasta que se permite que escape el calor.