¿Cómo puede la fusión nuclear liberar energía (incluso en principio)?

Después de leer un comentario de @Stian Yttervik a una de las respuestas en esta pregunta que dice como

Agregaría que en ambos casos, los productos resultantes son, en suma, más ligeros que sus reactivos, y ese es todo el truco. mi = metro C 2

"ambos casos" en este contexto era fisión y fusión.


A continuación se muestra parte de la página 196/197 de A-Level "Physics 2 for OCR" de David Sang y Gurinder Chadha, Cambridge university press, publicado por primera vez en 2009:

física 2

El punto principal que saqué de esto es que si la masa de los productos es mayor que la masa de los reactivos, entonces se absorbe energía. Por el contrario, si la masa de los productos es menor que la masa de los reactivos, entonces se entrega energía (energía de enlace liberada). ), o de manera más compacta, se libera energía de un sistema cuando su masa disminuye: como está escrito en la parte inferior izquierda de esta imagen.


Ahora, en el segundo año de la universidad estudiando física nuclear, mi profesor plantea el siguiente experimento mental:

Supongamos que tenemos 2 cargas puntuales, de masa, metro , y carga, q , entonces la energía del sistema, mi s , será dado por

mi s = 2 metro + V

como cargos

Si ambas cargas tienen el mismo signo, entonces la energía potencial electrostática, V > 0 , y la masa del sistema, metro s será metro s > 2 metro . Esto se debe a que tengo que 'poner energía' para acercar las cargas, esto aumenta la masa del sistema, metro s , desde mi s = metro s C 2 . Este aumento de masa se manifiesta como energía almacenada en el campo eléctrico que tiene 'peso' (o eso me han dicho).

cargos diferentes

Si las cargas tienen signos opuestos, entonces la energía potencial electrostática, V < 0 y la masa del sistema, metro s será metro s < 2 metro , Esto se debe a que si dejo que las cargas se junten 'lentamente' (y sin aceleración) extraeré energía de la energía potencial electrostática a medida que las cargas se acerquen, esto disminuye la masa del sistema, metro s , desde mi s = metro s C 2 . He 'tomado masa' del campo eléctrico al dejar que las cargas se muevan a una distancia más cercana.


Ahora, consideremos el primer caso donde tenemos 2 cargas positivas y supongamos queDeuterio y Tritio

los reactivos son deuterio y tritio cada uno con carga + mi pero diferentes masas.

Ahora, de lo anterior, tenemos que metro s > metro , que es el caso aquí ya que las dos cargas son del mismo signo ( + mi ). Entonces esto significa que es imposible (incluso en principio) liberar energía de la fusión nuclear, ya que la masa final es mayor y esto requiere que se transfiera energía al sistema para que la reacción sea posible.


Pero, por supuesto, sé que esto no es cierto, después de todo, sucede todo el tiempo en el Sol. Entonces mi pregunta es: ¿Cómo puede la fusión nuclear liberar energía cuando la masa final es más pesada que sus reactivos?


Por cierto, esto no es un duplicado porque ya he leído this , this , this , this , this y this , pero todavía no responden mi pregunta aquí.

Respuestas (1)

Parece que solo está considerando la fuerza electromagnética, mientras ignora la fuerza nuclear fuerte, que es mucho más fuerte (si no lo fuera, entonces los núcleos simplemente se separarían debido a la repulsión de Coulomb), y también atractivo . Es cierto que empujar dos núcleos positivos juntos aumenta la masa total del sistema de dos nucleones para separaciones relativamente grandes.. La fuerza nuclear fuerte, aunque bastante fuerte (de ahí el nombre), también es de muy corto alcance, y solo se vuelve importante una vez que los núcleos están separados por unos pocos femtómetros. Pero una vez que puede empujar dos núcleos lo suficientemente fuerte como para que estén separados por unos pocos femtómetros, entonces la fuerza neta se vuelve atractiva y los núcleos chocan entre sí, liberando bastante energía a medida que la fuerza nuclear fuerte reorganiza los nucleones en un configuración mucho más estable y menos masiva.

Entonces, en resumen, la repulsión electromagnética crea una "barrera de Coulomb" que requiere una cantidad bastante grande de energía para pasar, pero una vez que ha imbuido los núcleos con suficiente energía cinética para superar la barrera de Coulomb*, la fusión libera mucha más energía que la cantidad de energía que pones, simplemente porque, en el caso del que estás hablando, el núcleo resultante es mucho más estable que los dos reactivos, debido a la influencia de la fuerza nuclear fuerte.


*Si su plasma tiene una densidad extremadamente alta y no le importa una potencia de salida bastante baja, no necesariamente necesita tener suficiente energía cinética para superar la barrera de Coulomb. En cambio, solo necesita suficiente energía para hacer que el túnel cuántico a través de la barrera de Coulomb sea razonablemente probable. De hecho, así es como ocurre la mayor parte de la fusión protón-protón en el núcleo del Sol: la potencia de salida del Sol es bastante mayor de lo que esperaríamos en función de la cantidad de protones que clásicamente podrían superar la barrera de Coulomb.

Muchas gracias por su respuesta.