¿Alguna vez has echado un vistazo a un pedazo de leña y te has dicho a ti mismo: "Caramba, me pregunto cuánta energía se necesitaría para separar esa cosa". Lo más probable es que no, pocas personas lo hacen. Pero para los físicos, preguntar cuánta energía se necesita para separar algo en sus componentes es una pregunta bastante importante.
En el campo de la física, esto es lo que se conoce como energía de unión, o la cantidad de energía mecánica que se necesitaría para desmontar un átomo en sus partes separadas. Los científicos utilizan este concepto en muchos niveles diferentes, que incluyen el nivel atómico, el nivel nuclear y en astrofísica y química.
Fuerza nuclear
Como cualquiera que recuerde su química o física básica seguramente sabe, los átomos están compuestos de partículas subatómicas conocidas como nucleones. Estos consisten en partículas cargadas positivamente (protones) y partículas neutras (neutrones) que están dispuestas en el centro (en el núcleo). Estos están rodeados por electrones que orbitan el núcleo y están dispuestos en diferentes niveles de energía.
La razón por la cual las partículas subatómicas que tienen cargas fundamentalmente diferentes pueden existir tan juntas es por la presencia de la Fuerza Nuclear Fuerte, una fuerza fundamental del universo que permite que las partículas subatómicas sean atraídas a distancias cortas. Es esta fuerza la que contrarresta la fuerza repulsiva (conocida como la Fuerza de Coulomb) que hace que las partículas se repelen entre sí.
Por lo tanto, cualquier intento de dividir el núcleo en el mismo número de neutrones y protones libres no unidos, de modo que estén lo suficientemente lejos / distantes entre sí como para que la fuerza nuclear fuerte ya no pueda hacer que las partículas interactúen, requerirá suficiente energía para romperse Estos enlaces nucleares.
Por lo tanto, la energía de enlace no es solo la cantidad de energía requerida para romper los fuertes enlaces de la fuerza nuclear, sino también una medida de la fuerza de los enlaces que mantienen unidos a los nucleones.
Fisión nuclear y fusión:
Para separar los nucleones, se debe suministrar energía al núcleo, lo que generalmente se logra bombardeando el núcleo con partículas de alta energía.. En el caso de bombardear núcleos atómicos pesados (como los átomos de uranio o plutonio) con protones, esto se conoce como fisión nuclear.
Sin embargo, la energía de unión también juega un papel en la fusión nuclear, donde los núcleos de luz juntos (como los átomos de hidrógeno), están unidos bajo estados de alta energía. Si la energía de unión para los productos es mayor cuando los núcleos ligeros se fusionan, o cuando los núcleos pesados se dividen, cualquiera de estos procesos dará como resultado una liberación de la energía de unión "extra". Esta energía se conoce como energía nuclear, o vagamente como energía nuclear.
Se observa que la masa de cualquier núcleo es siempre menor que la suma de las masas de los nucleones constituyentes individuales que lo componen. La "pérdida" de masa que resulta cuando los nucleones se dividen para formar un núcleo más pequeño, o se fusionan para formar un núcleo más grande, también se atribuye a una energía de unión. Esta masa faltante puede perderse durante el proceso en forma de calor o luz.
Una vez que el sistema se enfría a temperaturas normales y vuelve a los estados fundamentales en términos de niveles de energía, queda menos masa en el sistema. En ese caso, el calor eliminado representa exactamente el "déficit" de masa, y el calor mismo retiene la masa que se perdió (desde el punto de vista del sistema inicial). Esta masa aparece en cualquier otro sistema que absorbe el calor y gana energía térmica.
Tipos de energía de enlace:
Estrictamente hablando, hay varios tipos diferentes de energía de enlace, que se basa en el campo particular de estudio. Cuando se trata de física de partículas, la energía de unión se refiere a la energía que un átomo deriva de la interacción electromagnética, y también es la cantidad de energía requerida para desmontar un átomo en nucleones libres.
En el caso de eliminar electrones de un átomo, una molécula o un ion, la energía requerida se conoce como "energía de unión a electrones" (también conocido como potencial de ionización). En general, la energía de unión de un solo protón o neutrón en un núcleo es aproximadamente un millón de veces mayor que la energía de unión de un solo electrón en un átomo.
En astrofísica, los científicos emplean el término "energía de unión gravitacional" para referirse a la cantidad de energía que se necesitaría para separar (hasta el infinito) un objeto que se mantiene unido solo por la gravedad, es decir, cualquier objeto estelar como una estrella, un planeta o un cometa. También se refiere a la cantidad de energía que se libera (generalmente en forma de calor) durante la acumulación de dicho objeto del material que cae desde el infinito.
Finalmente, existe lo que se conoce como energía de "enlace", que es una medida de la fuerza del enlace en los enlaces químicos, y también es la cantidad de energía (calor) que se necesitaría para descomponer un compuesto químico en sus átomos constituyentes. Básicamente, la energía de enlace es lo que une a nuestro Universo. Y cuando varias partes del mismo se rompen, es la cantidad de energía necesaria para llevarlo a cabo.
El estudio de la energía de unión tiene numerosas aplicaciones, entre las cuales se encuentran la energía nuclear, la electricidad y la fabricación de productos químicos. ¡Y en los próximos años y décadas, será intrínseco al desarrollo de la fusión nuclear!
Hemos escrito muchos artículos sobre energía vinculante para Space Magazine. ¿Qué es el modelo atómico de Bohr ?, ¿cuál es el modelo atómico de John Dalton ?, ¿qué es el modelo atómico de pudín de ciruela ?, ¿qué es la masa atómica ?, y la fusión nuclear en las estrellas.
Si desea obtener más información sobre la energía de enlace, consulte el artículo de Hyperphysics sobre Energía de enlace nuclear.
También hemos grabado un episodio completo de Astronomy Cast sobre los Números importantes en el universo. Escuche aquí, Episodio 45: Los números importantes en el universo.
Fuentes:
- Wikipedia - Energía vinculante
- Hiperfísica - Energía de unión nuclear
- Sociedad Nuclear Europea - Energía vinculante
- Enciclopedia Británica - Energía vinculante
