Conversión de masa a energía en reacciones químicas/nucleares

En realidad, esta es una pregunta más compleja de lo que podría pensar, porque la distinción entre masa y energía desaparece una vez que comienza a hablar de partículas pequeñas.

Entonces, ¿qué es la masa exactamente? Hay dos definiciones comunes:

1. La cantidad que determina la resistencia de un objeto a un cambio de movimiento, la$m$en$\sum F = ma$
2. La cantidad que determina la respuesta de un objeto a un campo gravitatorio, la$m$en$F_g = mg$(o equivalentemente, en$F_g = GMm/r^2$)

La cuestión es que la energía en realidad satisface ambas definiciones. Un objeto que tiene más energía, de cualquier forma, será más difícil de acelerar y también responderá con más fuerza a un campo gravitatorio dado. Así que técnicamente , al calcular el valor de$m$para enchufar$\sum F = ma$o$F_g = mg$o cualquier otra fórmula que involucre masa, debe tener en cuenta la energía potencial química, la energía térmica, la energía de enlace gravitacional y muchas otras formas de energía. En este sentido, resulta que la "masa" de la que hablamos en las reacciones químicas y nucleares es solo una palabra para la energía total de un objeto (bueno, dividida por un factor constante:$m_\text{eff} = E/c^2$).

En relatividad especial, física de partículas elementales y teoría cuántica de campos, la definición de masa es completamente diferente. Eso no es relevante aquí, sin embargo.

Si masa es solo otra palabra para energía, ¿por qué hablamos de eso? Bueno, por un lado, la gente se acostumbró a usar la palabra "masa" antes de que nadie supiera todas sus sutilezas ;-) Pero en serio: si realmente observas todas las diferentes formas de energía que existen, encontrarás que descubrir cuánta energía tiene realmente un objeto puede ser muy difícil. Por ejemplo, considere un compuesto químico:$\mathrm{CO}_2$por ejemplo. No puedes simplemente calcular la energía de un$\mathrm{CO}_2$molécula sumando las energías de un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno; también hay que tener en cuenta la energía necesaria para realizar el enlace químico, cualquier energía térmica almacenada en los modos de vibración de la molécula o las excitaciones nucleares de los átomos, e incluso pequeños ajustes en la estructura molecular debido al entorno circundante.

Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones, puede ignorar con seguridad todas esas contribuciones de energía adicionales porque son extremadamente pequeñas en comparación con las energías de los átomos. Por ejemplo, la energía de los enlaces químicos en el dióxido de carbono es una diez mil millonésima parte de la energía total de la molécula. Incluso si al sumar las energías de los átomos no obtienes la energía exacta de la molécula, a menudo se acerca bastante. Cuando usamos el término "masa", a menudo significa que estamos trabajando en un dominio donde esas pequeñas correcciones de energía no importan, por lo que agregar las masas de las partes se acerca lo suficiente a la masa del todo.

Obviamente, si las energías "extra" importan o no, depende del tipo de proceso con el que estés tratando y, específicamente, qué energías se ven realmente afectadas por el proceso. En las reacciones químicas, los únicos cambios de energía que realmente tienen lugar son los debidos a la ruptura y formación de enlaces químicos, que como dije son una contribución minúscula a la energía total de las partículas involucradas. Pero, por otro lado, considere un acelerador de partículas como el LHC, que hace colisionar protones entre sí. En el proceso, los "enlaces" cromodinámicos entre los quarks dentro de los protones se rompen y los quarks luego se recombinan para formar diferentes partículas. En cierto sentido, esto es como una reacción química en la que los quarks juegan el papel de los átomos, y los protones (y otras partículas) son los compuestos,la mitad de la energía del sistema completo (los protones); en otras palabras, aproximadamente la mitad de lo que normalmente consideramos la "masa" del protón en realidad proviene de las interacciones entre los quarks, en lugar de los propios quarks. Entonces, cuando los protones "reaccionan" entre sí, definitivamente podrías decir que la masa (del protón) se convirtió en energía, aunque si miras de cerca, esa "masa" no era realmente masa en primer lugar.

Las reacciones nucleares están en el medio entre los dos extremos de las reacciones químicas y las reacciones de partículas elementales. En un núcleo atómico, la energía de enlace contribuye desde el 0,1% hasta aproximadamente el 1% de la energía total del núcleo. Esto es mucho menor que con la fuerza de color en el protón, pero aún así es suficiente para que se cuente como una contribución a la masa del núcleo. Es por eso que decimos que la masa se convierte en energía en las reacciones nucleares: la "masa" que se está convirtiendo en realidad es solo energía de enlace, pero hay suficiente de esta energía que cuando miras el núcleo como una partícula, necesitas factorizar en la energía de enlace para obtener la masa correcta. Ese no es el caso de las reacciones químicas; podemos simplemente ignorar la energía de enlace cuando calculamos masas,

La energía potencial de los enlaces químicos sí corresponde a un aumento de masa proporcional a esa energía.

Así, por ejemplo, la energía en un$\mathrm{C-O}$el bono es$110\,\rm \frac{kcal}{mol}$, o sobre$7.6\times 10^{-19}\,\rm \frac{J}{bond}$. dividiendo por$c^2$nos da una masa de aproximadamente$8.5\times 10^{-33}\rm\,g$. en un mol de$\mathrm{CO_2}$, eso equivale a$5.1\times 10^{-9}\,\rm g$. Dado que un mol de$\mathrm{CO_2}$tiene una masa de aproximadamente$44\,\rm g$, tendrá dificultades para medir la diferencia de masa.

En teoría, incluso las reacciones químicas convierten la masa en energía o viceversa. Pero la cantidad de masa convertida es tan pequeña que generalmente no podemos detectarla.

Primero debe comprender que hay dos definiciones de masa: masa en reposo y masa en movimiento. La masa en reposo es la masa medida en el marco donde el objeto está estacionario. La masa de movimiento es$m_1=\frac{m_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$. La vieja escuela llama masa a la masa en movimiento, mientras que la nueva escuela llama masa en reposo.

La masa en reposo no es aditiva. La masa en reposo de una molécula no es la suma de sus átomos, sino la suma más la energía de enlace dividida por$c^2$. Por lo tanto, en una reacción química, aunque el número de átomos (o electrones, protones, neutrones) se conserva, la masa restante no lo es, ya que la energía de enlace cambia. Y esto se puede llamar masa convertida en energía. En

La masa en movimiento, sin embargo, es solo otro nombre para la energía y, por lo tanto, siempre se conserva. En la combustión, la energía de enlace molecular se convierte en energía cinética adicional de$\mathrm{CO_2}$moléculas, por lo que la masa (o energía) se conserva. En una reacción nuclear, la energía potencial fuerte y electromagnética entre los nucleones se convierte en energía cinética de nuevos núcleos y (a veces) de neutrones voladores. A veces, los nuevos núcleos están en estado excitado y pronto emitirán radiación gamma, que son básicamente fotones de alta energía con masa en reposo cero pero masa en movimiento distinta de cero.

Muchos de los libros de la vieja escuela que leo usan doble rasero. Cuando se refieren a masa genéricamente, se refieren a masa en movimiento, que aumenta con la velocidad; pero cuando se refieren a masa en reacción nuclear, significan masa en reposo. Supongo que así es como te confundiste.

Reacciones químicas de cualquier tipo ---> Sin conversión. Toda la masa (y la energía) se conserva.

Reacciones nucleares ---> Sí, la masa se convierte en energía, tanto en las reacciones de fisión como en las de fusión.

¿Qué masa? Bueno, siguiendo mis instrucciones universitarias, habría dicho que un neutrón se pierde (se convierte en energía). Pero una navegación rápida por Internet me muestra que lo que aprendí en la universidad ahora se considera un cuento de viejas. La nueva respuesta, aunque obviamente no es lo que aprendí, desafía mis esfuerzos por comprender, y mucho menos condensarse en un formato de lectura fácil para usted. Tal vez alguien más le dé una oportunidad.