¿Adónde va la energía del déficit de masa?

En esta etapa, siento que escuché dos cosas: esa energía se usa para mantener unido el núcleo O esa energía se libera (en el proceso de fusión... ¿supongo?).

Es ambas cosas, si admite una interpretación descuidada y engañosa de "energía... manteniendo unido el núcleo".

El proceso de fusión libera energía, que termina como energía cinética de los productos de reacción. Por lo tanto, la masa en reposo de los productos es menor que la de los reactivos, ya que la masa en reposo es simplemente la energía total medida desde el marco en reposo relativo a la masa. Para recolectar energía de fusión, uno tiene que diseñar una forma de convertir la energía cinética de los productos de reacción en cualquier forma que desee.

Por el contrario, para romper el núcleo de helio mediante la reacción inversa, tenemos que devolver energía al sistema para que esto suceda. A medida que los núcleos se forman a partir de partes más pequeñas en las reacciones nucleares exotérmicas, la fuerza nuclear fuerte eventualmente supera a la fuerza electromagnética inicialmente repulsiva, de modo que hay una liberación neta de energía, como un resorte estirado que se relaja y, por lo tanto, convierte su potencial en energía cinética a medida que lo hace. . Para invertir el proceso, es decirDividir el núcleo nuevamente o estirar el resorte, la energía debe volver a ingresar al sistema y la inversión no puede ocurrir hasta que esto suceda. Es en este sentido que la "energía mantiene unido al núcleo": una "deuda" de energía debe ser "pagada" antes de que ocurra el proceso de fisión inversa/estiramiento de cuerdas. La noción de un núcleo que trabaja continuamente para mantenerse unido es incorrecta y, lamentablemente, tiende a ser la forma en que la gente lee la afirmación "la energía se utiliza para mantener unido el núcleo". Esta era la explicación de un laico común en los libros de ciencia populares/infantiles en los años 70 y 80 que, lamentablemente, todavía parece tener vida.

Como en la respuesta de David Elm, solo los núcleos relativamente ligeros liberan energía a través de la fusión. Los núcleos más estables de todos, es decir, los que tienen la masa en reposo más baja por nucleón y, por lo tanto, los núcleos más estrechamente unidos, son el hierro 56 y el níquel 62 . Las reacciones exotérmicas para núcleos más pesados ​​o livianos que estos tienden a ser reacciones de fisión y fusión, respectivamente.

Cada vez que se reduce la energía potencial de un sistema, la masa de ese sistema se reduce en$m=\frac{E}{c^2}$.

El cambio en la masa es normalmente muy pequeño, por lo que en realidad solo se nota cuando el cambio de energía potencial es muy grande, como ocurre con los reordenamientos de los nucleones (protones y neutrones).

A veces, juntar los nucleones disminuye la energía del sistema (fusión), pero a veces la separación de los nucleones disminuye la energía (fisión).

El exceso de energía entra en la energía cinética de los productos. Para usar el ejemplo simple de fusión DT ($^2H + \,\!^3H \;\rightarrow \;^4He + n$), los dos núcleos de hidrógeno tienen más masa total que el núcleo de helio y el neutrón. Sin embargo, el núcleo de helio y el neutrón se mueven más rápido que los núcleos de hidrógeno, de tal manera que la energía cinética extra equilibra exactamente la masa perdida.

Este ejemplo es artificial, pero ilustrativo.

Siempre se puede tomar como dada la ley de conservación de la energía:

$2\cdot m_pc^2 + 2\cdot m_nc^2 \rightarrow m_{4He}c^2 + E_x$

Si esta reacción sucedió de esta manera (no sucede, pero no importa)$E_x>0$la energía$E_x$debe disiparse de alguna manera. Una vez fuera, no puede frenar el$^4$Él, a menos que traiga$E_x$atrás. Desde este punto de vista, puedes nombrar esta energía faltante$E_x$la "energía de enlace" .

Un paso adelante: uno puede imaginar el proceso de formación así:

$2\cdot m_pc^2 + 2\cdot m_nc^2 \rightarrow m_{4He^*}c^2 \rightarrow m_{4He}c^2 + E_x$

ver$^4$Él$^*$- esto significa helio, es decir (hipotéticamente) en un estado tan excitado , que igualmente puede formar un estable$^4$Él o se disocia nuevamente, solo al azar, Y su masa no es inferior a la de 2p + 2n. Mira, el estado excitado tiene una masa diferente que el estado fundamental.

La energía$E_x$suele escapar con alguna partícula o gamma (sería en este caso hipotético con energía$E_\gamma=E_x$) y la forma en que se elimina también debe obedecer una ley de conservación del momento.