19.4
Energía de Enlace Nuclear
La diferencia entre las masas calculadas y las medidas experimentalmente se conoce como el defecto de masa del átomo. En el caso del helio-4, el defec…
La estabilidad nuclear se cuantifica mejor en términos de energía de enlace nuclear. Considere el átomo de helio-4, que tiene dos protones, neutrones y electrones. La suma de las masas conocidas de estas partículas es mayor que la masa medida de helio-4 neutro en 0, 0305 unidades de masa atómica.
La diferencia entre las masas atómicas calculadas y medidas experimentalmente, se denomina defecto de masa. La gran cantidad de energía liberada durante la formación de helio-4 es la razón de esta diferencia. La equivalencia masa-energía de Einstein ayuda a estimar el cambio de energía asociado con la pérdida de masa.
Convertir la masa a kilogramos y resolver la ecuación da como resultado las unidades básicas del SI para julios. Es evidente que una enorme cantidad de energía acompaña a este pequeño cambio de masa. La energía liberada cuando los nucleones se unen es la misma que la energía necesaria para romper ese núcleo en sus protones y neutrones constituyentes y se denomina energía de enlace nuclear.
Para el helio, esto es 2, 74 terajulios por mol. Dividir por el número de Avogadro da 4, 55 picojulios para la energía de enlace nuclear por núcleo de helio. Esto a menudo también se expresa en electronvoltios.
Para el helio-4, esto resulta ser 28, 4 megaelectronvoltios por núcleo. Cuando se divide por el número de nucleones, 4, se obtiene la energía de enlace nuclear por nucleón. El gráfico de energía de unión nuclear por nucleón frente al número de masa representa las estabilidades comparativas de los núclidos.
Los elementos con números de masa que oscilan entre 40 y 100 tienen la energía de unión por el nucleón más alta, y el hierro-56 tiene la masa más baja por nucleón. Para lograr la estabilidad, los núcleos pesados tienden a fragmentarse en núcleos de tamaño mediano a través de un proceso exotérmico llamado fisión, mientras que los núcleos más ligeros se combinan a través del proceso de fusión.
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Q1: What is mass defect and why does it occur in atoms?
Mass defect is the difference between the calculated sum of individual particle masses and the experimentally measured atomic mass. In helium-4, this difference is 0.0305 atomic mass units. The mass defect occurs because mass converts to energy during nucleus formation, as described by Einstein's mass-energy equivalence equation E = mc².
Q2: How is nuclear binding energy calculated from mass defect?
Nuclear binding energy is calculated by converting the mass defect to kilograms and applying Einstein's equation E = mc², where c is the speed of light. For helium-4, the mass defect of 0.0305 grams per mole converts to 3.05 × 10⁻⁵ kilograms per mole, yielding a binding energy of 2.74 terajoules per mole.
Q3: What does binding energy per nucleon tell us about nuclear stability?
Binding energy per nucleon measures the average energy holding each nucleon in the nucleus and indicates relative nuclear stability. Elements with mass numbers between 40 and 100 have the highest binding energy per nucleon, with iron-56 being most stable. Higher binding energy per nucleon correlates with greater nuclear stability.
Q4: Why are electronvolts commonly used to express nuclear binding energy?
Electronvolts (eV) are convenient units for nuclear binding energy because they represent the energy scale of nuclear processes. One electronvolt equals 1.602 × 10⁻¹⁹ joules. Helium-4's binding energy of 28.4 megaelectronvolts per nucleus is more practical to express in eV than in joules.
Q5: How do heavy and light nuclei achieve stability differently?
Heavy nuclei achieve stability through nuclear fission, fragmenting into midsize nuclei in an exothermic process. Lighter nuclei achieve stability through nuclear fusion, combining to form larger nuclei. Both processes release energy because midsize nuclei have the highest binding energy per nucleon.
Q6: What is the relationship between mass and energy in nuclear reactions?
Nuclear reactions convert mass directly into energy through Einstein's mass-energy equivalence, E = mc². The energy changes in nuclear reactions are vastly greater than in chemical reactions because even tiny mass changes produce enormous energy. This principle explains why nuclear binding energy is so substantial compared to chemical bond energies.
Q7: How do you convert binding energy from molar to per-nucleus values?
Binding energy per nucleus is calculated by dividing the molar binding energy by Avogadro's number (6.022 × 10²³). For helium-4, the molar binding energy of 2.74 terajoules per mole divided by Avogadro's number yields 4.55 picojoules per nucleus, or 28.4 megaelectronvolts per nucleus.