1r ciclo Fusion y fision nuclear

[Clarck Luis]

Hola con todos, he entrado en una confusión sobre la fusión y fisión nuclear. Primero que nada voy a plantear lo que entiendo:

Fisión nuclear: Cuando el núcleo se divide en fragmentos de fisión, esta puede producirse espontáneamente en núcleos inestables o
de forma artificial estrellando partículas sin carga a gran velocidad contra el núcleo. Según entiendo este proceso en núcleos pesados
libera energía, puesto que la masa disminuye y por la equivalencia E=mC2.

Fusión nuclear: Cuando se unen dos núcleos para formar uno nuevo, esta puede producirse cuando dos núcleos chocan a muy alta rapidez
de modo que puedan vencer la repulsión eléctrica mutua. Este proceso en núcleos ligeros libera energía, puesto que la masa disminuye.

Lo que no entiendo es que por ejemplo la fusión nuclear puede producirse también en núcleos pesados, el nuevo núcleo tendría
mas masa que la suma de los dos anteriores, por lo tanto aquí no se produce liberación de energía mas bien este proceso absorbe energía. Mi
pregunta es muy puntual ¿de donde sale esa energía que aparentemente ha absorbido?
Me he puesto a pensar en eso, lo que se me ocurre es que proviene de la energía cinética de ambos núcleos antes de fusionarse, entonces yo fácilmente podría decir que la energía equivalente a la masa ganada debe ser igual a la energía cinética total inicial. Pero si ese fuera el caso, entonces para núcleos ligeros la energía liberada después de fusionarse debería ser igual a "la energía equivalente a la masa perdida mas la energía cinética de los núcleos antes de la fusión".

Otra cosa que me intriga, es que por ejemplo en la fusión de núcleos ligeros ¿no debería haber algo así como una "energía de enlace"? en todo caso es como decir que parte de la energía inicial del sistema antes de la fusión debe gastarse en la unión de los núcleos no?
Espero puedan ayudarme a resolver estas dudas. Gracias de antemano.

[carroza]

Re: Fusion y fision nuclear

Hola.

Lo que planteas es el ABC de la física nuclear.

Empezando por tu última pregunta: Sí. Existe algo parecido a la energía de enlace, que se llama Energía de Ligadura. Esta energía es tan grande, que produce una disminución significativa de la masa de los núcleos, comparada con la masa de los protones y neutrones de los que están hechos.

La magnitud relevante para estudiar la energía producida por fusión o fisión es la Energía de Ligadura por cada nucleón (protón o neutrón) que forma el núcleo. Esta energía de ligadura por nucleón es máxima para núcleos de masa en torno a 56-58 (como el hierro o el níquel). Es más pequeña para núcleos ligeros (H, He, ...), porque no tienen suficientes nucleones alrededor para ligarse bien. También es más pequeña para núcleos más pesados (U, Pu ...) porque aqui la repulsión coulombiana muy importante y compensa la atracción nuclear.

Por tanto, fundiendo núcleos de masa pequeña (como H, He, ...), para producir núcleos más pesados, hasta el hierro, se gana energía aprovechable (que se manifiesta en energía cinética de los fragmentos, o energía de los fotones), que proviene de la mayor ligadura de los protones y neutrones.

Por otro lado, rompiendo (fisionando) núcleos de masa grande (como el U, Pu, ...), para producir núcleos más ligeros, hasta el hierro, se gana energía aprovechable (que se manifiesta en energía cinética de los fragmentos y radioactividad), que proviene de la mayor ligadura de protones y neutrones.

Saludos

[Clarck Luis]

Re: Fusion y fision nuclear

Gracias carroza, pero aun no comprendo como es que en una fusión de núcleos pesados se puede absorber energía si no hay de donde sacarla, o al menos hasta donde yo lo veo.

[arivasm]

Re: Fusion y fision nuclear

Aportaré un par de cosas, pues seguro que carroza tiene conocimientos bastante más sólidos que los míos con relación a estas cuestiones.

Fisión nuclear: Cuando el núcleo se divide en fragmentos de fisión, esta puede producirse espontáneamente en núcleos inestables o de forma artificial estrellando partículas sin carga a gran velocidad contra el núcleo.

Sólo matizar que es al revés: si el neutrón posee elevada energía cinética la probabilidad de ser absorbido y entonces llevar al núcleo a un estado inestable es menor que si es baja. De hecho, en los reactores nucleares juega un papel crucial los moderadores, cuya finalidad es ralentizar los neutrones y así aumentar la eficacia de las absorciones.

Fusión nuclear: Cuando se unen dos núcleos para formar uno nuevo, esta puede producirse cuando dos núcleos chocan a muy alta rapidez de modo que puedan vencer la repulsión eléctrica mutua. Este proceso en núcleos ligeros libera energía, puesto que la masa disminuye.

Lo que no entiendo es que por ejemplo la fusión nuclear puede producirse también en núcleos pesados, el nuevo núcleo tendría
mas masa que la suma de los dos anteriores, por lo tanto aquí no se produce liberación de energía mas bien este proceso absorbe energía. Mi
pregunta es muy puntual ¿de donde sale esa energía que aparentemente ha absorbido?
Me he puesto a pensar en eso, lo que se me ocurre es que proviene de la energía cinética de ambos núcleos antes de fusionarse

Está claro que la conservación de la energía no perdona y que, como dices, para que se pueda dar la fusión de núcleos pesados la energía cinética de los mismos debe ser suficiente como para compensar el aumento en la masa total.

Por supuesto, para que eso ocurra son necesarias temperaturas (y presiones) muy elevadas y además el proceso será relativamente poco probable, por la probabilidad mayor de que el estado transitorio acabe deviniendo en dos o más núcleos ligeros, en vez de uno pesado. Eso equivale a decir que serán procesos que sólo podrán ocurrir en estrellas moribundas de la masa adecuada, al tiempo que da cuenta de la menor abundancia en el Universo de los elementos pesados frente a los ligeros.

[carroza]

Re: Fusion y fision nuclear

Gracias carroza, pero aun no comprendo como es que en una fusión de núcleos pesados se puede absorber energía si no hay de donde sacarla, o al menos hasta donde yo lo veo.

Hola. Si quieres fundir nucleos pesados (algo que se hace a efectos de investigación básica, no de producción de energías), conviertes la energía cinética de los núcleos "pesados" que colisiónan, en energía potencial (principalmente electrostática), del nucleo "superpesado" que formas.

Evidentemente, este núcleo "superpesado" suele ser inestable, y libera su energía emitiendo ("evaporando") partículas, o rompiéndose (fisionando).

saludos

[teclado]

Re: Fusion y fision nuclear

En la fusión dos núcleos de masa X e Y se juntan para formar otro de masa Z. Si la masa Z>X+Y el proceso absorberá energía, como pasa cuando se fusionan núcleos más pesados que el de hierro. Si Por el contrario Z<X+Y se libera energía, como pasa con los núcleos más ligeros, como los de hidrógeno o helio. En muy raras ocasiones, por no decir en ninguna tendrás que Z=X+Y, es decir, las masas rara vez se suman exactamente y es de ahí de donde sale la energía, no de que Z sea > X o que Y. La energía liberada será siempre E=(X+Y-Z)c².

En la fisión pasa tres cuartos de lo mismo, un núcleo de masa Z se escinde en dos de masas X e Y. Si la masa inicial (Z) es mayor que la masa final (X+Y) se desprenderá una energía E=(Z-X-Y)c². Si pasa lo contrario, que la masa inicial (Z) sea menor que la final (X+Y) se habrá absorbido energía.

Esta energía que se absorbe o se desprende siempre va a parar a o proviene de la energía cinética de algo, ya sea del propio núcleo, la de un fotón o eventualmente a la de otros núcleos o partículas que haya por ahí pululando.

Saludos

[Clarck Luis]

Re: Fusion y fision nuclear

Gracias a todos por sus respuestas, pero hay un par de cosas que no tengo claro:
-Entiendo que en general los nucleones dentro de los núcleos tienen menos masa debido a que gastan energía para enlazarse. Entonces en la fusión de núcleos ligeros también debería de gastarse energía para que puedan enlazarse y mantenerse unidos, pero en vez de eso ocurre algo extraño, estos no requieren energía para poder enlazarse mas bien requieren expulsar energía. Lo que puedo rescatar de esto es que cuando se produce la fusión, los núcleos requieren de menos energía de enlace y menos masa para sus nucleones, para ganar mas estabilidad. ¿Esto es del todo correcto? y si es así ¿Hay alguna teoría que pueda explicar el porque sucede esto?
- Otra cosa que me ha causado duda es lo que menciona carroza sobre la energía de enlace o ligadura:

También es más pequeña para núcleos más pesados (U, Pu ...) porque aqui la repulsión coulombiana muy importante y compensa la atracción nuclear.

¿Como puede la repulsión coulombiana compensar la atracción nuclear? en perspectiva si la energía de enlace es menor, implica mayor masa para los nucleones, pero ¿como la repulsión coulombiana puede hacer que los nucleones necesiten menos energía de enlace? esta mas bien no debería generar que necesiten MAS energía para enlazarse, puesto que es de repulsión.

[carroza]

Re: Fusion y fision nuclear

Hola.

Te voy a poner un ejemplo idealizado para que lo entiendas.

Imaginate un núcleo de oxígeno 16, hecho de ocho protones y ocho neutrones.

La masa del núcleo de oxígeno 16 será:

$M(16O)\cdot c^2 = 8 m(p) c^2 + 8 m(n) c^2 + E(16O)$

Donde E(16O) es la energía total de los 8 protones y los 8 neutrones en 16O.

Esta energía total, será la suma de una contribución de energía cinética (positiva) debido al movimiento de los protones y neutrones en el núcleo, más una energía potencial debido a la fuerza nuclear atractiva (negativa), más una energía potencial debido a la interacción coulombiana repulsiva (positiva).

Valores típicos, podrían ser

E(16O) = -128 MeV.

K(16O) (Energía cinética) = + 322 MeV

VN(16O) (Energia potencial debido al potencial nuclear atractivo) = -500 MeV

VC(16O) (Energia potencial debido al potencial coulombiano repulsivo) = + 50 MeV


La energía de ligadura es esta energía total, cambiada de signo.
Este núcleo tendría una energía de ligadura por nucleón de 128/16 = 8 MeV .

Saludos