¿Por qué el hierro consume más energía en el proceso de fusión de la que produce?

Sería bueno que hicieras referencia a tus fuentes, porque es posible que las estés malinterpretando. Podríamos ver lo que realmente dicen y ayudarlo a comprenderlos.

La nucleosíntesis de hierro no utiliza más energía de la que produce.

Sin embargo, a menudo se lo conoce como el elemento más pesado creado en la fusión que da como resultado más energía producida que consumida.

Sin embargo, eso no es del todo cierto. Se pueden producir elementos más pesados ​​por fusión que producen más energía de la que se usa, excepto que estas reacciones de fusión no ocurren en las estrellas. (Ej. 40Ca + 40Ca)

Además, es posible que se fusionen núcleos más pesados ​​en las estrellas, lo que da como resultado que se produzca más energía de la que se usa, pero estos son isótopos inestables y se descomponen rápidamente.

Entonces, más exactamente, el hierro es el elemento más pesado producido en la nucleosíntesis estelar en cualquier cantidad significativa que produzca más energía en la fusión que la que consume la fusión.

Esto se llama la escalera del proceso alfa. Siga agregando partículas alfa a los núcleos recién generados, hasta que deje de obtener más energía de la que ingresa.

El último paso en el proceso alfa que produce energía es 52Fe + 4He => 56Ni (disculpe la notación basura; si esta respuesta se considera útil, intentaré ordenar la notación)

56Ni + 4He => 60Zn usa más energía de la que produce.

56Ni tiene una vida media muy corta de solo 6 días, decayendo a 56Co que tiene una vida media de 77 días, que decae a 56Fe, que es estable. Entonces, cuando una estrella está a punto de colapsar, producirá una gran cantidad de hierro en sus etapas finales, parte de él a partir de isótopos radiactivos más pesados ​​​​en descomposición.

¿Por qué el proceso alfa deja de producir energía en este punto? Es porque ahí es donde está la energía de enlace máxima . Más.

Como se puede ver en esta pregunta: ¿Qué efectos además del "defecto de masa" hacen que la escalera alfa más allá del hierro-56/níquel-56 sea endotérmica? No es tan sencillo explicar por qué la fusión se detiene en el hierro (en realidad, se detiene en 56Ni y luego la desintegración radiactiva produce 56Fe después, es decir, 56Ni es el producto de fusión final, no 56Fe).

Agregar partículas alfa a 56Ni sigue siendo exotérmico (en forma aislada)

Los elementos alrededor de 56Ni, 56Fe, etc. ocupan una posición especial, ya que están en el pico de la curva de energía de enlace por nucleón .

Lo que eso significa es que si tiene un grupo de nucleones y es posible reorganizarlos para formar núcleos de varios tipos, entonces la tendencia natural es minimizar la densidad de energía total maximizando la energía de enlace por nucleón y formando núcleos que están en el pico de la curva de BE por nucleón (es decir, los elementos del "pico de hierro").

Por lo tanto, como se destacó en mi respuesta a la pregunta mencionada anteriormente, si bien es energéticamente favorable (es decir, libera energía) en un núcleo hecho de 52Fe, romper una partícula alfa de un núcleo y fusionarlo con otro núcleo de 52Fe para formar 56Ni , no ocurre lo mismo si el núcleo está compuesto por 56Ni. es decir, se consume energía para romper una partícula alfa de un núcleo de 56Ni y fusionarlo con otros núcleos de 56Ni para formar 60Zn.

es decir, hay dos pasos: (1) quitar una partícula alfa de un núcleo existente; (2) agregarlo a otro núcleo para crear un núcleo más pesado. Los dos pasos tomados juntos son endotérmicos si el núcleo original es tan pesado o más pesado que 56Ni. (Nota: 62Ni es técnicamente el núcleo con el máximo BE por nucleón [solo], pero no hay una ruta fácil para llegar a él por fusión).

Ahora, en el núcleo de una estrella masiva, hay mucha energía disponible, por lo que podría ocurrir una fusión más allá de 56Ni (endotérmicamente). Sin embargo, la barrera de Coulomb también aumenta a medida que los núcleos obtienen más protones y aumentan las temperaturas requeridas para iniciar la fusión. A las temperaturas requeridas para fusionar 56Ni a 60Zn, la fotodesintegración por fotones energéticos se convierte en un proceso muy importante y, por lo tanto, el 60Zn (aunque algo está presente) tiende a fotodesintegrarse tan rápido como se produce. Dado que la fotodesintegración es muy endotérmica (consulte el paso (1) anterior), esto generalmente significa el final del camino para la estrella y puede desencadenar el colapso del núcleo.

En cuanto a por qué los elementos del pico de hierro están en el pico de la curva BE por nucleón, debe observar la física nuclear básica. La fuerza nuclear fuerte es muy atractiva, pero solo opera entre los vecinos más cercanos, pero los núcleos en la "superficie" están unidos con menos fuerza. Hay menos nucleones en la superficie (en relación con el total) si tiene núcleos más grandes. Sin embargo, los protones en un núcleo repelen a todos los demás protones en un núcleo; el efecto disminuye a medida que el núcleo se hace más grande, pero crece fuertemente (como$Z^2$) con el número de protones. Así que tienes dos efectos en competencia; uno favorece núcleos más grandes, el otro desfavorece núcleos grandes con muchos protones. La energía de enlace por nucleón se maximiza en algún punto intermedio.