¿Por qué casi todas las reacciones nucleares liberan energía?

Si no liberaran energía, no ocurrirían. Las reacciones nucleares alternativas que requieren energía, claramente necesitan dicha cantidad de energía, que debe provenir de alguna parte, por ejemplo, la energía cinética involucrada en la colisión de dos núcleos (incluso las que liberan energía generalmente tienen una "barrera" y cierta cantidad de energía inicial). se necesita energía cinética para superar esto). Sin una fuente que proporcione esta energía, no sucederán. Con una fuente que lo proporcione, lo harán; por ejemplo, en las supernovas se producen elementos más pesados ​​que el hierro.

Pregunta muy interesante!

En química, pasas mucho tiempo hablando de reacciones exotérmicas y endotérmicas: cuando juntas los reactivos, a veces la reacción calienta las cosas y otras veces la reacción las enfría. Las reacciones nucleares son muy diferentes, ya que esencialmente todas las reacciones espontáneas estudiadas en los laboratorios son exotérmicas.

Sin embargo, hay una diferencia importante entre un laboratorio nuclear y un laboratorio químico: la temperatura. En una reacción química, las escalas de energía involucradas en la formación y ruptura de enlaces pueden ser de unos pocos electronvoltios. Por ejemplo, el calor latente de fusión del agua , 330 J/g, equivale a unos 60 mili-eV por molécula. Un baño de calor a temperatura ambiente tiene muchos fonones con energías medias alrededor$kT = 25\,\mathrm{meV}$, por lo que no es improbable encontrar un fonón de más de 60 meV para romper un enlace agua-agua.

Por el contrario, las energías típicas de excitación nuclear son millones de eV. Las reacciones nucleares endotérmicas no ocurren espontáneamente en su mayor parte porque los laboratorios aquí en la tierra operan a temperatura cero, por lo que el núcleo puede decir. Simplemente no hay calor que absorber para impulsar la reacción.

En un ambiente cálido, como el núcleo de una estrella, la historia es diferente. Ahí comienzas a tener suficiente energía para desencadenar reacciones exotérmicas con barreras de energía, como la fusión de hidrógeno a helio. Pero incluso en ese caso, no tiene mucha contribución de las reacciones endotérmicas. (Si hubiera muchas reacciones nucleares endotérmicas en los núcleos de las estrellas, absorberían el calor del núcleo hasta que estuviera demasiado frío para impulsar la reacción). Hay algunos contraejemplos. Por ejemplo, el deuterio se desintegra si absorbe un fotón de alta energía; pero como el deuterio es una etapa intermedia en la fusión protón-protón, el efecto de esto es que el deuterio actúa como un núcleo inestable cuyo tiempo de vida depende de la temperatura.

Para otro ejemplo, considere la producción de uranio a partir de plomo. Este es claramente un proceso endotérmico, ya que el uranio, dejado a su suerte, se descompondrá en plomo, un conjunto de partículas alfa y beta, y calor. El uranio se produce a partir del plomo mediante una serie de capturas de neutrones, que liberan energía, y desintegraciones beta, que liberan energía; los neutrones libres provienen de reacciones de fusión entre partículas alfa y núcleos de masa moderada, que liberan energía. Todos los pasos del plomo al uranio son exotérmicos . ¿Cómo es que una reacción endotérmica puede estar compuesta de pasos exotérmicos?

Hay un par de cosas a considerar allí. La primera es que, dado que la reacción no se produce en el equilibrio térmico, existen varios procesos en competencia cuyas escalas de tiempo deben tenerse en cuenta. Aquí hay un diagrama que muestra la vida útil de los núcleos involucrados; los isótopos en negro son estables, mientras que los colores más claros tienen vidas más breves:

Si el flujo de neutrones es bajo, la producción de elementos se detiene en el plomo y el bismuto: la captura de neutrones en el bismuto-209 da bismuto-210, que se desintegra después de una semana en polonio-210, que se desintegra alfa después de unos meses en plomo-206 . Es justo pensar en el ciclo en el que el plomo-206 absorbe cuatro neutrones y emite dos betas y un alfa como una especie de reacción de fusión exotérmica catalizada. Sin embargo, si el flujo de neutrones es alto, los isótopos inestables pueden absorber los propios neutrones, que es la ruta hacia los isótopos de vida más larga alrededor del uranio, el torio y el radio. En cierto sentido, cuando tomamos el calor radiactivo de un bloque de uranio y decimos "esta energía se almacenó aquí mediante un proceso endotérmico en una estrella muerta hace mucho tiempo", lo que en realidad hemos hecho es interrumpir la conversión de neutrones en alfas. a través del plomo en un punto intermedio de vida particularmente larga.

La otra distinción importante entre la producción endotérmica de uranio y las reacciones endotérmicas en química es que las reacciones nucleares intercambian calor y partículas con su entorno; se necesita mucho más cuidado para distinguir entre "el sistema" que nos interesa y "su entorno" que proporciona el calor. Este es un marcado contraste con una reacción química en la que solo fluye calor entre el sistema y su entorno, y la reacción es impulsada por su entropía.

Solo la mitad del número total de reacciones nucleares libera energía. La otra mitad son los procesos inversos que absorben energía.

Sin embargo casi la totalidad de los procesos espontáneos son los que liberan energía . Los procesos que requieren que se inserte algo de energía externa en el sistema son mucho más raros, ya que solo pueden tener lugar cuando esta energía está disponible de alguna manera desde el exterior.

Cuando hablamos de reacción nuclear, las energías involucradas suelen ser enormes, por lo que es bastante raro observar un proceso no espontáneo: la cantidad de energía casi nunca está disponible. Sin embargo, mediante el uso de aceleradores de partículas, somos capaces de empujar una gran cantidad de energía hacia un sistema nuclear, lo que permite que se produzcan reacciones endotérmicas nucleares, produciendo núcleos exóticos. En la naturaleza, los procesos similares generalmente requieren una estrella en explosión.

Las reacciones nucleares se rigen por el concepto de "Entropía". Todo en la naturaleza pasa a un estado de energía más bajo o más caótico. El Universo mismo tiende hacia cero energía/movimiento. En muchos trillones de años, el Universo estará termodinámicamente muerto.

Los protones y los neutrones en un átomo están unidos. Si cualquier átomo se rompe en dos o más pedazos, esto representa un estado más caótico que antes. Dado que los enlaces que mantenían unido al átomo se rompieron, la energía del enlace se liberó en forma de partículas que se movían rápidamente y/o radiación electromagnética.

Básicamente, un átomo grande como el uranio es muy parecido a una bola en equilibrio sobre una colina con pico. La entropía lo impulsa a querer estar en un estado más estable y de menor energía. Ese estado está en el fondo de un valle sin lugar a donde ir.

Sí, Jim tiene razón, el artículo de wikipedia responderá a la mayoría de las preguntas. Aún así, enumeraré algunos datos sobre las reacciones nucleares aquí y espero que Teose te ayude.

La reacción nuclear básicamente tiene dos tipos principales: reacción de fisión y reacciones de fusión. (También hay otros tipos, solo estoy enumerando solo dos para responder a su pregunta en palabras simples)

En las reacciones de fusión dos, los núcleos ligeros se combinan para formar un núcleo pesado, y para hacerlo necesitan una energía tremenda. Estas reacciones suceden en las estrellas ya que requieren altas temperaturas para comenzar.

Mientras que en las reacciones de fisión, los núcleos pesados ​​se rompen en núcleos más ligeros que emiten energía. Un ejemplo típico será una planta de energía nuclear. Todo lo demás que puede leer en wikipedia y las razones de las cosas anteriores

Aquí está el enlace de wikipedia: http://en.m.wikipedia.org/wiki/Nuclear_reaction