Hay una declaración engañosamente simple que describe las reacciones de fisión y fusión.
Cuando los productos de una reacción nuclear tienen una mayor energía de unión por nucleón que los reactivos, hay una liberación neta de energía.
Eso suena absolutamente al revés, ¿no? Creo que el problema es en parte que el término energía de unión es un poco confuso. Piense en la energía de enlace como “energía de demolición”, y podría aclararse un poco más. Para reducir completamente un núcleo a partículas libres (llamadas nucleones ), se requiere una cantidad de energía igual a la energía de enlace indicada.
Un experimento mental para visualizar la energía de enlace
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Tomemos un número completamente arbitrario de núcleos: no tenemos que preocuparnos por lo que son por ahora. Luego, vertimos tanta energía en el que los dividimos en neutrones y protones libres. [1] Este desorden de partículas es un sistema de alta energía. Tales cosas no son estables y se volverán a ensamblar espontáneamente en núcleos. Cuando lo hacen, el sistema libera una gran cantidad de energía. [2]
Si los núcleos reensamblados no se empaquetan de manera muy eficiente, serán muy fáciles de separar: la “energía de demolición” (es decir, la energía de unión) será bastante baja. No habrán liberado gran parte de la energía que destruyó todos esos nucleones. Esto es como una olla de agua hirviendo que sacas de la estufa. Si no ha dejado que se enfríe por mucho tiempo, el agua aún estará muy caliente y no tardará mucho en volver a hervir.
Por otro lado, si los núcleos reensamblados se empaquetan de manera eficiente, será muy difícil separarlos: la “energía de demolición” (bueno, la energía de unión) será alta. Se liberará mucha más energía que usaste para desgarrar los núcleos originales.
¡Fisión nuclear revelada!
Parece que a las personas les resulta más fácil visualizar la fisión nuclear. Tomamos un núcleo grande e inestable como el uranio, lo golpeamos con un neutrón y se divide. Con lo que terminamos es con dos núcleos más ligeros y más estables. [3] Pero, apliquemos nuestro experimento mental para visualizar la situación energética. Lanzamos un neutrón, que fue solo un disparador. Imagina que agita todos los nucleones, como avispas en un nido que golpeas con una roca. [4]
En nuestro modelo (y recuerde, este es un modelo que nos ayuda a mantener las cosas en orden: el verdadero proceso de fisión no funciona de esta manera), nuestro átomo de uranio se ha convertido en un desastre de protones y neutrones de alta energía. Eso no es estable, por lo que se “condensan” para formar dos nuevos núcleos: sigamos la tradición y digamos que son bario y criptón. [5] A medida que se “condensan”, emiten energía. Esa es la energía que sale de la reacción de fisión. Los núcleos de bario y criptón, que son más estables que el uranio, son más difíciles de separar: tienen una alta energía de unión (sí, dejemos de llamarlo “energía de demolición”) por nucleón. Terminamos con una liberación de energía.
Vamos a fusionar!
Ahora que tenemos esta idea de mezclar nucleones para hacer núcleos más estables, veamos la fusión. En este caso, tomamos núcleos ligeros que no están unidos de manera muy eficiente; simplemente no hay mucho con qué trabajar, algo así como obtener una estantería destartalada para mantenerse en pie cuando solo tiene dos o tres libros.
Vertimos la energía y hacemos que los núcleos se muevan muy rápidamente. También los juntamos para que no puedan moverse muy lejos antes de toparse con otros núcleos. En este caso, tenemos un as bajo la manga: la fuerte fuerza nuclear [6]. Cuando dos nucleones se acercan mucho, se atraerán. La fuerza es tan fuerte que si los núcleos no están estrechamente unidos, sus nucleones simplemente saltarán de la nave y se moverán de la forma que sea más eficiente. Como no tenemos muchos nucleones con los que trabajar, obtendremos un núcleo más grande. Como vimos con nuestro modelo de experimento mental, esta “condensación” libera mucha energía.
Supongamos que intentamos este truco de fusión con núcleos más pesados, por ejemplo, núcleos de oxígeno. En ese caso, los núcleos están bastante unidos. Tenemos que verter mucha energía para acercarlos lo suficiente como para que la fuerza nuclear fuerte se vuelva lo suficientemente poderosa para ser efectiva. Obtendremos algo de liberación de energía neta, pero es un juego más difícil. No estamos obteniendo tanto como habría obtenido con los núcleos de luz.
Una palabra de despedida (sin juego de palabras)
¡No olvides que el experimento mental que te di no es un modelo que represente la realidad! Es una herramienta para ayudarlo a visualizar cómo se comparan las estructuras de alta energía y baja energía (es decir, núcleos).
Lo que acabo de describir es el proceso que utilicé, hace mucho tiempo, para descubrir cómo dar sentido a esa descripción de las reacciones nucleares que describí al comienzo de esta publicación. Es un tipo de cosa “ondulada a mano”, pero funcionó para mí. Espero que ayude.
[1] Sí, los neutrones libres son inestables. Está bien, les conseguiremos buenos hogares en un microsegundo más o menos.
[2] Si eso suena confuso, imagina estirar una banda elástica entre tus manos. Cuando sueltas la banda elástica, sale volando, liberando la energía en lo que sea que golpee.
[3] Muy raramente, podríamos obtener tres fragmentos. Podría haber reacciones que produzcan más que eso, pero no sé de ninguna.
[4] Por cierto, no recomiendo tirar piedras a los nidos de avispas.
[5] Hay muchos más pares de fragmentos de fisión: estos dos simplemente aparecen mucho.
[6] En realidad, es la fuerza nuclear fuerte residual que está bajo nuestra manga, pero dejemos eso para otro día.