Energía de enlace nuclear y estabilidad

Experientia docet El núcleo Artículo 31 de 36

Foto: Science in HD /Unsplash

El cálculo de la energía de enlace nuclear realizado para el deuterón puede extenderse a todas las demás especies nucleares. La gráfica 1 muestra cómo la energía de enlace nuclear total para nucleidos estables aumenta con el aumento de la masa atómica, a medida que se agregan más partículas para formar el núcleo. El término nucleones se refiere tanto a protones como a neutrones; por lo tanto, la energía de enlace del núcleo aumenta con el número de nucleones. Pero, como puede apreciarse, el resultado no es una línea recta.

Gráfica 1. Fuente: Cassidy Physics Library

Estos datos experimentales tienen implicaciones importantes. Estas implicaciones se hacen más evidentes si se calcula la energía de enlace promedio por nucleón. En el caso del carbono-12, por ejemplo, la energía de enlace total es 92,1 MeV. Dado que hay 12 nucleones dentro del núcleo (seis protones y seis neutrones), la energía de enlace promedio por nucleón es 92,1 MeV / 12, esto es, 7,68 MeV. En la gráfica 2 los valores obtenidos experimentalmente de la energía de enlace promedio por nucleón (en MeV) se representan frente al número de nucleones en el núcleo (número de masa, A). Fijémonos en la posición inusualmente alta (por encima de la curva) del punto cerca de los 7,1 MeV, en comparación con sus vecinos en la tabla periódica. El punto corresponde al helio-4. El valor relativamente alto de la energía de enlace de este núcleo indica una estabilidad inusualmente alta.

Gráfica 2. Fuente: Wikimedia Commons

La importancia de esta gráfica está en su forma sorprendente. La energía de enlace por nucleón comienza con un valor bajo para el núcleo de deuterio (el primer punto) y luego aumenta rápidamente. Algunos núcleos en la parte inicial de la curva, por ejemplo, helio-4, carbono-12 y oxígeno-16, tienen valores excepcionalmente altos en comparación con sus vecinos. Esto indica que se tendría que suministrar más energía para eliminar un nucleón de uno de estos núcleos que de uno de sus vecinos. Recordemos: una alta energía de enlace por nucleón significa que se necesita una gran cantidad de energía para separar el núcleo en sus nucleones constituyentes. En cierto sentido, la «energía de enlace» podría haberse llamado mejor «energía de desintegración».

La alta energía de enlace por nucleón de helio-4 en comparación con el deuterio implica que, si dos núcleos de deuterio se unieran para formar un núcleo de helio-4, habría una gran cantidad de energía en exceso disponible, que se emitiría al entorno. Este exceso de energía es la fuente de las enormes energías disponibles en las reacciones de fusión o termonucleares.

Dado que tienen energías de enlace nuclear tan altas, es de esperar que helio-4, carbono-12 y oxígeno-16 sean excepcionalmente estables. Existe evidencia a favor de esta conclusión, por ejemplo, el hecho de que las cuatro partículas que componen el núcleo helio-4 se emiten como una sola unidad, la partícula alfa, en la radiactividad.

La curva de energía de enlace nuclear por nucleón obtenida experimentalmente tiene un máximo amplio, que se extiende desde aproximadamente A = 50 a A = 90. Luego desciende para los elementos pesados. Así, el cobre-63, que está cerca del máximo, tienen una energía de enlace por nucleón de aproximadamente 8,75 MeV, mientras que uranio-235, con uno de los valores de A más altos, tiene un valor de 7,61 MeV. Esto indica que a medida que se agregan más nucleones a los núcleos más pesados, la energía de unión por nucleón disminuye. De ello se deduce que los núcleos próximos al máximo de la curva, como los del cobre, deberían ser más difíciles de romper que los núcleos más pesados, como el radio y el uranio.

También se deduce que cuando el uranio y otros núcleos de alto valor de A se rompen de alguna manera, sus fragmentos son núcleos más pequeños que poseen una mayor energía de enlace por nucleón. Si nos fijamos, en estos casos, nos encontramos nuevamente con un exceso de energía debido a la diferencia de energía entre el núcleo de partida y sus fragmentos, energía que se emite al entorno en forma de energía cinética de los fragmentos y de radiación gamma. Este proceso, de enorme importancia histórica, que implica la división de los núcleos más pesados en núcleos más ligeros, se conoce como fisión nuclear. El exceso de energía disponible durante la fisión es la fuente de las enormes energías liberadas en las reacciones de fisión nuclear.

La forma de la curva de energía de enlace nuclear promedio, que cae en ambos extremos, indica, por lo tanto, que existen dos procesos generales de reacción mediante los cuales se puede esperar liberar energía de los núcleos:

(1) combinar núcleos ligeros en un núcleo más masivo, conocido como fusión nuclear; o

(2) dividir núcleos pesados en núcleos de masa media, que se llama fisión nuclear.

En cualquiera de estos dos procesos los productos resultantes tendrían una mayor energía de enlace media por nucleón, por lo que se liberaría energía. Se ha demostrado que se producen tanto la fusión como la fisión, y la tecnología de la fisión se ha simplificado y explotado en muchos países. Las reacciones de fisión pueden realizarse lentamente (como en una central nuclear) o muy rápidamente (como en una explosión nuclear).

La idea de la energía de enlace nuclear debería aclarar ahora por qué las masas atómicas, cuando se miden con precisión, no son exactamente múltiplos enteros de la masa de un átomo de hidrógeno, a pesar de que los núcleos son solo conjuntos de protones y neutrones idénticos. Cuando esas partículas se combinaron para formar un núcleo, su masa en reposo total se redujo en una cantidad correspondiente a la energía de enlace, y la energía de enlace promedio varía de un nucleido a otro.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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