Durante el siglo XX, Albert Einstein, un conocido científico, desarrolló la revolucionaria teoría conocida como “la teoría de la relatividad”. La masa y la energía son intercambiables, según la teoría; la masa se puede convertir en energía y viceversa. Esta dimensión adicional a la física se benefició al resolver muchos problemas no resueltos y proporcionó una plataforma para muchas hipótesis nuevas. La presencia de la energía de enlace nuclear es una de ellas. Como resultado, existe una comprensión integral de la masa nuclear y las interacciones entre núcleos.
Las fuerzas que unen a los nucleones en un núcleo atómico son considerablemente más fuertes que las fuerzas electrostáticas que mantienen un electrón en un átomo. Los diámetros relativos del núcleo atómico y del átomo (1015 y 1010 m, respectivamente) así lo demuestran. Como resultado, la energía requerida para extraer un nucleón de su núcleo es sustancialmente mayor que la requerida para extraer (o ionizar) un electrón de un átomo. Todas las reacciones nucleares, en general, involucran cantidades sustanciales de energía por partícula involucrada en la reacción. Esto tiene una amplia gama de aplicaciones.
¡Ahora, comprendamos el concepto de Binding Energy en profundidad!
¿Qué es la energía de enlace nuclear?
La energía de enlace nuclear es la cantidad de energía necesaria para mantener juntos los protones y los neutrones en el núcleo de un átomo. Como resultado de la energía requerida para mantener juntos los neutrones y los protones, el núcleo permanece intacto.
Alternativamente, se puede describir como la cantidad de energía requerida para separar los nucleones. La energía de enlace nuclear es una medida de cuán fuertemente están unidos los nucleones entre sí. Esto se puede concluir si los neutrones y los protones están fuertemente o débilmente conectados entre sí determinando su valor. Y esto se puede interpretar como:
- Si la energía de enlace nuclear es grande, se necesita mucha energía para separar los nucleones, lo que indica que el núcleo es muy estable.
- Si la energía de enlace nuclear es baja, se necesita menos energía para separar los nucleones, lo que indica que el núcleo no es completamente estable.
Defecto de masa y energía de enlace
Un átomo está formado por un núcleo en el centro y electrones que orbitan a su alrededor en un patrón orbital. Los protones y los neutrones se combinan para formar núcleos, que se denominan nucleones. Como resultado, esperamos que la masa del núcleo sea igual a la suma de las masas individuales de neutrones y protones. Sin embargo, éste no es el caso. La masa total del núcleo (m nuc ) es menor que la suma de las masas individuales de neutrones y protones que lo componen. Esta disparidad en la masa se denomina defecto de masa.
Δm = Zm p +(A−Z)m n −m nuc
dónde,
Zm p es la masa total de los protones.
(AZ)m n es la masa total de los neutrones.
m nuc es la masa del núcleo.
La energía de la masa es equivalente, según la teoría de la relatividad de Einstein. Es decir, la energía total de un sistema se mide por su masa. E=mc2 es una ecuación bien conocida. Como resultado, la energía total del núcleo es más pequeña que la suma de las energías de los protones y neutrones individuales (nucleones). Esto significa que cuando el núcleo se descompone en sus nucleones constituyentes, se libera algo de energía en forma de energía térmica. (Este es un proceso exotérmico). La energía emitida aquí se expresa matemáticamente como
E = (Δm)c 2
Consideremos el caso de un núcleo que se ha roto. Una cantidad específica de energía se coloca en el sistema para hacer esto. La energía de enlace nuclear es la cantidad de energía necesaria para hacer esto. Como resultado, la energía de enlace nuclear se puede definir como la energía mínima requerida para separar los nucleones en sus protones y neutrones constituyentes. y está dado por-
Mib = (Δm)c 2
Por lo tanto, la diferencia en la masa se convierte en energía de enlace nuclear.
Energía de enlace por nucleón (BEN)
La energía de enlace por nucleón (BEN), que se define por,
BEN = Mib/A
Es una de las magnitudes experimentales más importantes de la física nuclear.
Esta es la energía promedio necesaria para eliminar un solo nucleón de un núcleo, que es comparable a la energía de ionización de un electrón en un átomo. El núcleo es relativamente estable si el BEN es razonablemente grande. Las pruebas de dispersión nuclear se utilizan para calcular los valores de BEN.
Problemas de muestra
Problema 1: ¿Qué es el defecto de masa?
Solución:
La diferencia entre la masa esperada y la masa real del núcleo de un átomo se conoce como defecto de masa. Esta discrepancia se debe a la energía de enlace de un sistema que se manifiesta como más masa.
Problema 2: Determinar la energía de Enlace por Nucleón para un núcleo de 4020Ca.
Solución:
La energía de enlace total del núcleo 4020Ca.
= 20mp + 20 min – M (4020Ca)
= 20 × 1,007825 + 20 × 1,008665 – 39,962589.
= 0,367211 u = 0,367211 × 931 MeV = 341,87 Mev.
∴ Energía de enlace por núcleo = 341,87/40 MeV/nucleón.
= 8,55 MeV/nucleón
Problema 3: Determinar la energía de enlace de un núcleo de nitrógeno
Solución:
El núcleo de nitrógeno (147N) contiene 7 protones y 7 neutrones.
pf = 1.00783 u
Masa de Neutrón, mn = 1.00867
En 147N hay 7 protones y 7 neutrones,
Aquí, m = 14.00307 u
∴ Masa Defecto, ∆m = (7mp + 7 mn) – m
= 7 × 1,00783 u + 7 × 1,00867 – 14,00307 u
= 0.11243u
Energía de enlace del núcleo,
∆m × 931 MeV = 0,11243 × 931 MeV = 104,67 MeV
Problema 4: ¿Cómo encontrar la energía de enlace?
Solución:
La energía de enlace está determinada por la fórmula:
Energía de enlace = defecto de masa xc 2
donde c= velocidad de la luz en el vacío
Problema 5: Dé la expresión para el defecto de masa.
Solución:
Δm=Zm p +(A−Z)m n −m nuc
dónde,
Zm p es la masa total de los protones.
(AZ)m n es la masa total de los neutrones.
m nuc es la masa del núcleo.