Otras carreras ¿De dónde sale la energía en la fusión?

[NikolaT]

Buenas muchachos,

resulta que en mi clase de radiaciones, el profesor nos explicaba que en el núcleo atómico parte de la masa de las particulas se convertía en energía para mantener unidos los nucleones y que a mayor A mayor es la energía necesaria para mantener a los nucleones juntos. Nos mostró la siguiente gráfica:

Y a partir de esa gráfica nos explicó que al fusionarse dos elementos ligeros éstos se convierten en uno solo más pesado y liberan energía (la diferencia en las energías de ligadura)

Mi pregunta es: cómo es posible que pasando a un estado donde se requiere aún más energía, esta se libere? ¿No debería por el contrario consumir energía en lugar de liberarla?

Obviamente estoy malinterpretando algo, pero no encuentro que. Agradecería cualquier ayuda ya que esto me está comiendo ola cabeza.

Saludos y muchas gracias de antemano.

[arivasm]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

Estás malinterpretando la gráfica. Puedes leerla como la energía, por nucleón, que hay que aportar para desintegrar completamente el núcleo o la que se libera al formarse a partir de sus nucleones totalmente separados. Por tanto, cuanto más arriba en la gráfica más estable es el núcleo.

Por poner un ejemplo: cuando se dibujan las energías de los orbitales atómicos del hidrógeno se pone el 0, correspondiente al electrón y el núcleo infinitamente separados, arriba y debajo las de los orbitales. Así, al 1s le ponemos una energía de -13,6 eV. Pues bien, la energía de ligadura que corresponde a ese orbital son 13,6 eV: se desprenden 13,6 eV al formarse el átomo con el electrón en ese nivel o, si se prefiere, hay que aportar 13,6 eV para separar el electrón 1s del núcleo.

En la gráfica de este hilo la representación está al revés de los dibujos de los orbitales (porque no representa energías, sino energías de ligadura): el 0 está abajo y la energía por nucleón arriba. Es como si hicieses el dibujo de los orbitales pero representando no sus energías, sino las de ligadura: al 1s le correspondería un valor de 13,6 eV, por encima del cero.

[NikolaT]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

Hola arivasm, muchas gracias por responder

Estás malinterpretando la gráfica. Puedes leerla como la energía, por nucleón, que hay que aportar para desintegrar completamente el núcleo

Esa interpretación la entiendo, es la que me parece intuitiva de alguna manera, pero

Estás malinterpretando la gráfica. Puedes leerla como la energía, por nucleón, que hay que aportar para desintegrar completamente el núcleo o la que se libera al formarse a partir de sus nucleones totalmente separados. Por tanto, cuanto más arriba en la gráfica más estable es el núcleo.

esa interpretación lo logro comprenderla (para mí no tiene sentido) si esa energía viene de las masas de los nucleones al separar esos nucleones esa energía no debería volverse a convertir en masa para que cada nucleón por separado pese lo que debe pesar? lo que me lleva de nuevo a mi pregunta inicial, de dónde sale esa energía que se libera?

Y la conclusión a la que llegas no la entiendo, porque si se supone que a mayor cantidad de nucleones el nucleido se hace más inestable, pero si a la vez al aumentar la cantidad de nucleones aumenta el BE y por lo tanto sube más en la gráfica, como se puede hacer más estable? ¿no sería una contradicción? De nuevo, siento que estoy malinterpretando algo, pero no sé qué

Por poner un ejemplo: cuando se dibujan las energías de los orbitales atómicos del hidrógeno se pone el 0, correspondiente al electrón y el núcleo infinitamente separados, arriba y debajo las de los orbitales. Así, al 1s le ponemos una energía de -13,6 eV. Pues bien, la energía de ligadura que corresponde a ese orbital son 13,6 eV: se desprenden 13,6 eV al formarse el átomo con el electrón en ese nivel o, si se prefiere, hay que aportar 13,6 eV para separar el electrón 1s del núcleo.

El ejemplo me deja exactamente igual, la verdad cada vez siento que entiendo menos y me estoy frustrando un poco.

De nuevo muchas gracias arivasm por resoponder

Saludos

[arivasm]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

La interpretación de que la energía viene de las masas no es muy exacta, aunque alimentada por los libros de texto. Digamos que una cosa es calcular las energías de enlace a través de las diferencias de masa, y recurrir al famoso $E=mc^2$ y otra diferente es atribuir que la energía de enlace proceda de las masas.

Recordemos que los nucleones están formados por quarks, que intercambian bosones mediadores de las interacciones, de los que podemos destacar, a efectos de este tema los fotones, mediadores de la interacción electromagnética, y los gluones, mediadores de la interacción fuerte.

Para el término electromagnético no hace falta que nos comamos mucho el coco: basta con que pensemos en términos casi coulombianos; cargas del mismo signo desestabilizan el sistema, de distinto lo estabilizan. De todos modos, el balance al respecto es bastante simple: los protones contribuyen a desestabilizar el sistema vía término electromagnético.

El gran responsable de que los núcleos sean más estables que sus nucleones por separado son los gluones. Éstos no solo se intercambian entre los quarks que forman un nucleón, sino también entre los quarks de diferentes nucleones. Y se trata de una interacción que posee dos características: siempre estabiliza el sistema, pero tiene radio de alcance, es decir, dos quarks que estén demasiado separados no interactuarán vía fuerza fuerte.

Al formarse un núcleo a partir de sus nucleones por separado debemos considerar términos electromagnéticos y de fuerza fuerte, de manera que el balance final es que la energía del núcleo es inferior, en un valor que llamamos energía de enlace, a la de los nucleones por separado.

Sobre la influencia del número de nucleones y la estabilidad el papel central lo juega el radio de alcance de la fuerza fuerte. A medida que aumentamos el número de nucleones al considerar núcleos ligeros el balance se hace más favorable debido a la fuerza fuerte, que compensa al término electromagnético. Pero una vez que el núcleo alcanza un tamaño determinado comienza a haber quarks, de nucleones suficientemente separados, entre los cuales no se da el término estabilizador de fuerza fuerte. Como no sucede así con el término electromagnético, cuyo alcance es infinito (debido a la masa nula de los fotones), a medida que el núcleo se hace más y más grande la energía de enlace por nucleón se reduce (por nucleón, que no del núcleo).

[NikolaT]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

Hola arivasm, de nuevo muchas gracias por responder, de verdad que eso que me explicas lo entiendo bien (menos lo que dices en el primer párrafo, tengo que ahondar más en eso, de verdad me parece muy interesante)

Estoy estudiando del libro: "Nuclear Physics Principles and Applications by John Lilley" ese libro está bien, o me recomiendas algún otro.

Saludos.

[Alriga]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

Sobre el tema concreto de la Estabilidad de los núcleos y la Energía de enlace, está bien ELEMENTOS BÁSICOS DE FÍSICA NUCLEAR

Saludos.

[Richard R Richard]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

Hola, Nicola T , te lo han explicado muy bien , anteriormente, quisiera aportar algo que se ve en el mismo gráfico.

Quizá mi explicación sea más rudimentaria, pero es como la entiendo

supón que tienes un nucleón de hierro , cual es la energía de ese núcleo, el numero de neutrones y protones multiplicado por la energía por nucleón

así el hierro tiene 26 protones y supongamos un isótopo de 30 neutrones tenemos 56 nucleones de 9 MeV/A ....

si miras el uranio 238 tiene 92 protones y uno de sus isótopos tiene 146 neutrones pero cada nucleón tiene 7.6 MeV/A....

voy a hecr un calculo de un proceso que si bien en la naturaleza no existe espero te sirva para reforzar tus ideas.

Supón que a este núcleo de hierro lo quieres transformar en uranio que es lo que te haría falta? impactarlo o ponerlo en contacto con otro núcleo que tenga el resto de los neutrones y protones que le hacen falta

es decir P=92-26=66 y N=146-30 =116 neutrones (podriamos decir que lo impactamos con un isótopo de Disposio ) o con 238- 56 =182 nucleones según el gráfico un núcleo de 182 masas atómicas tiene ..8MeV/A por nucleón

cuando los pongas con el núcleo de hierro se formaría uranio pero que sucedería si todos los nucleones tienen mas energía que 7.6MeV/A ahora el átomo estable de uranio solo necesita 7.6 MeV/A y hay por cada nucleón una cantidad de energía sobrante que se liberara en forma de calor

Hago el calculo Energia de Ligadura del Uranio 238 :

$Eu_1=238A\cdot 7.6MeV/A =1808.8 MeV$

y si parto del núcleo hierro y el nucleón de 58 protones y 116 neutrones = 182 nucleones

$<br /> Eu_2 =56A \cdot 9MeV/A+ 182\cdot 8MeV/A=1960 MeV$

lo que perdera el uranio al formarse serán $\Delta E=Eu_2-Eu_1=1960-1808.8=151,2 MeV$ por cada átomo de uranio que se forma es una cantidad impresionante de energía en forma de calor,

Esto que quiere decir , que se va liberando cada vez que se forma en un núcleo más pesado, y como la energía por nucleón cae con el incremento del número atómico es mas fácil extraer energía de núcleos pesados de isótopos inestables.

Espero haberte ayudado en algo. pero siempre te sera mas útil leer de buena bibliografía

Con respecto a consumir o liberar dependerá del tamaño del núcleo siempre partiendo den núcleos mas pequeños , se que hasta el hierro o Niquel(parte ascendente del la gráfica) hay que aportar energía luego no... la comienzan a liberar(parte descendente de la gráfica).

[NikolaT]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

Hola Richard R Richar en el que mencionas, tiene sentido puesto que los elementos que estariamos fusionando (Fe + Dy) tienen mayor energía de ligadura por nucleón y estarían formando Uranio con una energía de ligadura por nucleón menor y en esa reacción entiendo de donde sale esa energía, pero en la fusión por ejemplo de Deuterio (2H que en la gráfica tiene una energía de ligadura por nucleón de 1.x MeV) obtendriamos un 4He con una energía de ligadura por nucleón de 7.x MeV. En este caso estamos pasando de dos elementos con una $\frac{BE}{A}$ menor a una mucho mayor (contrario al ejemplo que mencionas) y aún así libera energía. Es esa energía la que no comprendo de donde está saliendo.

Gracias Alriga por el link, de casualidad sabes de algún buen libro completo sobre el tema?

Saludos y gracias a todos.

[arivasm]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

La energía de enlace del deuterio es de 2,22 MeV (1,11 MeV por nucleón). Eso significa que un sistema formado por dos núcleos de deuterio infinitamente separados tendría una energía de 4,44 MeV por debajo del 0 que correspondería a 2 protones y 2 neutrones infinitamente separados. El helio 4 tiene una energía de enlace mucho mayor, 28,30 Mev (7,07 MeV por nucleón). Es decir, ahora la "raya" de la energía del núcleo está bastante más abajo de la de los dos protones y los dos neutrones infinitamente separados.

Pasar del sistema 2 núcleos de deuterio a uno de helio 4 equivale a bajar desde un nivel de energía -4,44 MeV a uno de energía -28,30 MeV. Se desprenden 23,86 MeV.

Insisto en que debes leer la gráfica como una medida de la energía por debajo del cero! Cuando decimos energía de enlace de 28,30 MeV estamos diciendo que hay que aportar esa energía para "subir" al cero de los nucleones infinitamente separados entre sí.

Quizá se entienda mejor dicho de esta manera: ¡la gráfica está dibujada patas arriba!

[Richard R Richard]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

pero en la fusión por ejemplo de Deuterio (2H que en la gráfica tiene una energía de ligadura por nucleón de 1.x MeV) obtendriamos un 4He con una energía de ligadura por nucleón de 7.x MeV. En este caso estamos pasando de dos elementos con una $\frac{BE}{A}$ menor a una mucho mayor (contrario al ejemplo que mencionas) y aún así libera energía. Es esa energía la que no comprendo de donde está saliendo.

Segun entiendo la energía que se libera en los procesos de fusión es la correspondiente a haber vencido las fuerzas de repulsión coulombianas de los protones de los núcleos , hace falta energía para vencer esta fuerza y una vez vencida el nucleo libera su exceso, parte pasa a ser energía de ligadura (incrementando la energia por nucleon), parte se libera como calor o como energía cinetica de neutrones liberados.

http://www-fusion.ciemat.es/New_fusi...n/basica.shtml

No se si esto contradice tu respuesta arivasm, desde luego postee sin haberla leido.

[arivasm]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

Segun entiendo la energía que se libera en los procesos de fusión es la correspondiente a haber vencido las fuerzas de repulsión coulombianas de los protones de los núcleos , hace falta energía para vencer esta fuerza y una vez vencida el nucleo libera su exceso, parte pasa a ser energía de ligadura (incrementando la energia por nucleon), parte se libera como calor o como energía cinetica de neutrones liberados.

http://www-fusion.ciemat.es/New_fusi...n/basica.shtml

No se si esto contradice tu respuesta arivasm, desde luego postee sin haberla leido.

No. A lo que haces referencia no es al balance energético entre el estado inicial y el final, sino a la barrera energética que se debe superar para que el proceso pueda ocurrir. Es decir, al considerar el proceso de fusión de dos núcleos de deuterio para dar lugar a uno de helio 4 previamente el sistema atraviesa un estado intermedio en el que la repulsión coulombiana es determinante. De hecho, un motivo esencial de que ello sea así es precisamente el radio de alcance de la fuerza fuerte: hasta que los quarks de un núcleo no establecen uniones fuertes con los del otro la energía electrostática aumenta a medida que disminuye la distancia entre ellos. La superación de la barrera se produce en cuanto la distancia entre núcleos es levemente inferior al radio de alcance de la fuerza fuerte.

[Alriga]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

... Alriga ... de casualidad sabes de algún buen libro completo sobre el tema? ...

Yo no tengo ningún libro, solo mis apuntes de hace 35 años, por lo que considero que no debo aconsejarte que te gastes el dinero en algo que no conozco seguro. En la red he encontrado Fundamentos de Física Nuclear (Universidad de Málaga)

Y en esta web hay bibliografía gratuita sobre Tecnología Nuclear: Jóvenes nucleares. Biblioteca

No. A lo que haces referencia no es al balance energético entre el estado inicial y el final, sino a la barrera energética que se debe superar para que el proceso pueda ocurrir. Es decir, al considerar el proceso de fusión de dos núcleos de deuterio para dar lugar a uno de helio 4 previamente el sistema atraviesa un estado intermedio en el que la repulsión coulombiana es determinante. De hecho, un motivo esencial de que ello sea así es precisamente el radio de alcance de la fuerza fuerte: hasta que los quarks de un núcleo no establecen uniones fuertes con los del otro la energía electrostática aumenta a medida que disminuye la distancia entre ellos. La superación de la barrera se produce en cuanto la distancia entre núcleos es levemente inferior al radio de alcance de la fuerza fuerte.

La brutal repulsión coulombiana antes de que empiece a actuar la Fuerza Fuerte es lo que hace imposible la "fusión fría"

Saludos.

[skynet]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

Mi pregunta es: cómo es posible que pasando a un estado donde se requiere aún más energía, esta se libere?

... es que se requiere menos energía, no más .... la energía de los nucleones libres es mayor que la de los nucleones formando un nucleo atómico ... por eso los nucleos atomicos son estables (más o menos) ... lo que aparece en esa gráfica no es la energía necesaria para unir los nucleones ... es la energía que se libera cuandon los unes partiendo de nucleones libres.

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esa interpretación lo logro comprenderla (para mí no tiene sentido) si esa energía viene de las masas de los nucleones al separar esos nucleones esa energía no debería volverse a convertir en masa para que cada nucleón por separado pese lo que debe pesar? lo que me lleva de nuevo a mi pregunta inicial, de dónde sale esa energía que se libera?

.... en efecto, si quieres separar los nucleones de un atomo de helio por ejemplo, tienes que aportar energía, y esa energía se convertirá en masa .... el aumento de mas se debe al aumento de masa de los nucleones .... lo que pasa es que la masa de los nucleones no es constante, cuando están libres su masa es mayor que cuando estan en un nucleo atomico y la masa cuando están en un nucleo atomico depende de qué nucleo atomico sea .... así, por ejemplo, un protón en un nucleo de helio tiene más masa que un protón en un nucleo de hierro y menos masa que el proton que forma el nucleo de hidrógeno

Y la conclusión a la que llegas no la entiendo, porque si se supone que a mayor cantidad de nucleones el nucleido se hace más inestable, pero si a la vez al aumentar la cantidad de nucleones aumenta el BE y por lo tanto sube más en la gráfica, como se puede hacer más estable? ¿no sería una contradicción? De nuevo, siento que estoy malinterpretando algo, pero no sé qué

la grafica sube hasta llegar al hierro y luego baja, por eso los elemetos anteriores al hierro liberan energía cuando los fusionas y los posteriores liberan energía cuando los fisionas

[NikolaT]

Re: ¿De dónde sale la energía en la fusión?

Hola muchachos,

Muchas gracias por tomarse el tiempo de responder, estuve pensando un poco y sí, ya entiendo que mi proble está es en mi interpretación de la energía de ligadura (por eso estoy interpretando mal la gráfica tal como lo mencionabas arivasm) voy a intentar reforzar los conceptos que tengo (no son muchos, solo llevamos tres clases) y seguramente vuelva con muchas más dudas.

Saludos y muchas gracias muchachos.