Energía de unión

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En física y química, la energía de enlace es la cantidad más pequeña de energía necesaria para eliminar una partícula de un sistema de partículas o para desarmar un sistema de partículas en partes individuales. En el primer significado, el término se usa predominantemente en la física de la materia condensada, la física atómica y la química, mientras que en la física nuclear se usa el término energía de separación.

Un sistema ligado normalmente tiene un nivel de energía más bajo que sus constituyentes no ligados. De acuerdo con la teoría de la relatividad, una disminución $Δ E$ en la energía total de un sistema se acompaña de una disminución $Δ< i>m$ en la masa total, donde $Δ mc 2 = Δ E$ .

Tipos de energía de enlace

Existen varios tipos de energía de enlace, cada uno de los cuales opera a una distancia y escala de energía diferentes. Cuanto menor sea el tamaño de un sistema ligado, mayor será su energía de ligadura asociada.

Tipo	Descripción	Ejemplo	Nivel
Energía de unión gravitacional	La energía de unión gravitacional de un objeto, como un cuerpo celestial, es la energía necesaria para expandir el material al infinito.	Si un cuerpo con la masa y el radio de la Tierra fueran hechos puramente de hidrógeno-1, entonces la energía de unión gravitacional de ese cuerpo sería alrededor de 0.391658 eV por átomo. Si un cuerpo de hidrógeno-1 tuviera la masa y el radio del Sol, su energía de unión gravitacional sería alrededor de 1.195.586 eV por átomo.	Nivel astrofísico
Bond energy; Bond-disociation energy	La energía ósea y la energía de disociación de bonos son medidas de la energía vinculante entre los átomos en un vínculo químico. Es la energía necesaria para desmontar una molécula en sus átomos constituyentes. Esta energía aparece como energía química, como la liberada en explosiones químicas, la quema de combustible químico y procesos biológicos. Las energías Bond y las energías de disociación de lazos suelen estar en la gama de unos pocos eV por vínculo.	La energía de disociación de bonos de un bono de carbono es de aproximadamente 3.6 eV.	Nivel molecular
Energía de unión de electrones; energía de ionización	La energía de unión de electrones, más comúnmente conocida como energía de ionización, es una medida de la energía necesaria para liberar un electrón de su órbita atómica o de un sólido. La energía de unión de electrones se deriva de la interacción electromagnética del electrón con el núcleo y los otros electrones del átomo, molécula o sólido y es mediada por fotones.	Entre los elementos químicos, la gama de energías de ionización es de 3.8939 eV para el electron más externo en un átomo de cesio a 11.567617 keV para el electron más interior en un átomo de cobre.	Nivel atómico
Energía atómica vinculante	El energía atómica vinculante del átomo es la energía necesaria para desmontar un átomo en electrones libres y un núcleo. Es la suma de las energías de ionización de todos los electrones pertenecientes a un átomo específico. La energía de unión atómica deriva de la interacción electromagnética de los electrones con el núcleo, mediada por fotones.	Para un átomo de helio, con 2 electrones, la energía atómica vinculante es la suma de la energía de la primera ionización (24.587 eV) y la energía de la segunda ionización (54.418 eV), para un total de 79.005 eV.	Nivel atómico
Energía nuclear vinculante	La energía nuclear vinculante es la energía necesaria para desmontar un núcleo en los neutrones y protones libres y sin límites que está compuesto. Es el equivalente energético del defecto de masa, la diferencia entre el número de masa de un núcleo y su masa medida. La energía nuclear vinculante proviene de la fuerza nuclear o de la fuerza fuerte residual, mediada por tres tipos de mesones.	La energía de unión nuclear promedio por núcleo varía de 2.22452 MeV para hidrógeno-2 a 8.7945 MeV para níquel-62.	Nuclear level
Energía de unión de cromodinámica cuántica	La energía de unión de cromodinámica cuántica está mal utilizando la denominación de falta de energía. Se dirige a la masa y la energía cinética de las partes que unen los diversos quarks juntos dentro de un hadrón. Esta energía deriva de la fuerte interacción, mediada por gluones a través de gluones virtuales y quarks marinos.	La energía de unión cromodinámica dentro de un núcleo equivale aproximadamente al 99% de la masa del núcleo. La energía de unión cromodinámica de un protón es alrededor de 928.9 MeV, mientras que la de un neutron es alrededor de 927.7 MeV. Gran energía de unión entre los quarks inferiores (280 MeV) provoca algunas reacciones (teóricamente esperadas) con baricones de lambda para liberar 138 MeV por evento.	Nivel de partículas elementales

Relación masa-energía

Un sistema ligado normalmente tiene un nivel de energía más bajo que sus componentes no ligados porque su masa debe ser menor que la masa total de sus componentes no ligados. Para sistemas con bajas energías de enlace, esta "perdida" la masa después de la unión puede ser una fracción pequeña, mientras que para los sistemas con altas energías de unión, la masa faltante puede ser una fracción fácilmente medible. Esta masa faltante puede perderse durante el proceso de unión como energía en forma de calor o luz, correspondiendo la energía eliminada a la masa eliminada a través de la ecuación de Einstein E = mc2. En el proceso de unión, los constituyentes del sistema pueden entrar en estados de mayor energía del núcleo/átomo/molécula mientras retienen su masa, y debido a esto, es necesario que se eliminen del sistema antes de que su masa pueda disminuir. Una vez que el sistema se enfríe a temperaturas normales y regrese a los estados básicos con respecto a los niveles de energía, contendrá menos masa que cuando se combinó por primera vez y tenía mucha energía. Esta pérdida de calor representa el "déficit de masa", y el propio calor retiene la masa que se perdió (desde el punto de vista del sistema inicial). Esta masa aparecerá en cualquier otro sistema que absorba el calor y gane energía térmica.

Por ejemplo, si dos objetos se atraen entre sí en el espacio a través de su campo gravitatorio, la fuerza de atracción acelera los objetos, aumentando su velocidad, lo que convierte su energía potencial (gravedad) en energía cinética. Cuando las partículas se cruzan entre sí sin interacción o se repelen elásticamente durante la colisión, la energía cinética ganada (relacionada con la velocidad) comienza a revertirse en energía potencial, separando las partículas colisionadas. Las partículas en desaceleración volverán a la distancia inicial y más allá hasta el infinito, o se detendrán y repetirán la colisión (se producirá una oscilación). Esto muestra que el sistema, que no pierde energía, no se combina (se une) en un objeto sólido, partes del cual oscilan a distancias cortas. Por lo tanto, para unir las partículas, la energía cinética ganada debido a la atracción debe ser disipada por la fuerza resistiva. Los objetos complejos en colisión normalmente sufren una colisión inelástica, transformando parte de la energía cinética en energía interna (contenido de calor, que es movimiento atómico), que se irradia aún más en forma de fotones: la luz y el calor. Una vez que la energía para escapar de la gravedad se disipa en la colisión, las partes oscilarán a una distancia más cercana, posiblemente atómica, pareciendo así un objeto sólido. Esta energía perdida, necesaria para superar la barrera de potencial para separar los objetos, es la energía de enlace. Si esta energía de enlace fuera retenida en el sistema como calor, su masa no disminuiría, mientras que la energía de enlace perdida del sistema como radiación de calor tendría masa. Representa directamente el "déficit de masa" del sistema frío y atado.

Se aplican consideraciones muy parecidas en las reacciones químicas y nucleares. Las reacciones químicas exotérmicas en sistemas cerrados no cambian de masa, pero se vuelven menos masivas una vez que se elimina el calor de la reacción, aunque este cambio de masa es demasiado pequeño para medirlo con equipo estándar. En las reacciones nucleares, la fracción de masa que puede eliminarse como luz o calor, es decir, energía de enlace, suele ser una fracción mucho mayor de la masa del sistema. Por lo tanto, puede medirse directamente como una diferencia de masa entre las masas en reposo de los reactivos y los productos (enfriados). Esto se debe a que las fuerzas nucleares son comparativamente más fuertes que las fuerzas de Coulomb asociadas con las interacciones entre electrones y protones que generan calor en química.

Cambio masivo

El cambio de masa (disminución) en los sistemas unidos, en particular los núcleos atómicos, también se ha denominado defecto de masa, déficit de masa o fracción de empaquetamiento de masa.

La diferencia entre la masa calculada del sistema no unido y la masa del núcleo medida experimentalmente (cambio de masa) se denota como Δm. Se puede calcular de la siguiente manera:

Cambio de masa = (sistema sin límites calculado masa) - (masa asegurada del sistema)

(suma de las masas de protones y neutrones) - (masa asegurada de núcleo)

Después de que ocurre una reacción nuclear que da como resultado un núcleo excitado, la energía que debe irradiarse o eliminarse como energía de enlace para decaer al estado no excitado puede estar en una de varias formas. Pueden ser ondas electromagnéticas, como la radiación gamma; la energía cinética de una partícula expulsada, como un electrón, en descomposición de conversión interna; o en parte como la masa restante de una o más partículas emitidas, como las partículas de la desintegración beta. No puede aparecer ningún déficit de masa, en teoría, hasta que esta radiación o esta energía haya sido emitida y ya no forme parte del sistema.

Cuando los nucleones se unen para formar un núcleo, deben perder una pequeña cantidad de masa, es decir, hay un cambio en la masa para permanecer unidos. Este cambio de masa debe liberarse como varios tipos de fotones u otras partículas de energía como se indicó anteriormente, de acuerdo con la relación $E = mc 2$ . Por lo tanto, después de eliminar la energía de enlace, energía de enlace = cambio de masa × $c 2$ . Esta energía es una medida de las fuerzas que mantienen unidos a los nucleones. Representa la energía que debe reabastecerse del entorno para que el núcleo se divida en nucleones individuales.

Por ejemplo, un átomo de deuterio tiene un defecto de masa de 0,0023884 Da y su energía de enlace es casi igual a 2,23 MeV. Esto significa que se requiere una energía de 2,23 MeV para desintegrar un átomo de deuterio.

La energía liberada durante la fusión nuclear o la fisión nuclear es la diferencia de las energías de enlace del 'combustible', es decir, los nucleidos iniciales, de la de los productos de fisión o fusión. En la práctica, esta energía también se puede calcular a partir de las diferencias sustanciales de masa entre el combustible y los productos, lo que utiliza mediciones previas de las masas atómicas de nucleidos conocidos, que siempre tienen la misma masa para cada especie. Esta diferencia de masa aparece una vez que se han eliminado el calor y la radiación desprendidos, lo que se requiere para medir las masas (en reposo) de los nucleidos (no excitados) involucrados en dichos cálculos.

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