¿Por qué el núcleo de un átomo de hierro es tan estable?

Los núcleos más ligeros liberan energía cuando experimentan fusión, los núcleos más pesados ​​cuando experimentan fisión.

¿Qué tiene el núcleo de un átomo de hierro que lo hace tan estable?

Alternativamente: el hierro tiene la mayor energía de enlace nuclear, pero ¿por qué?

Es la mayor energía de enlace nuclear por nucleón . Diferencia decisiva. También es el níquel el que (simplemente) gana esa competencia en particular, no el hierro.

Respuestas (3)

Todo se reduce a un equilibrio entre una serie de interacciones físicas diferentes.

La energía de enlace de un núcleo se describe comúnmente con la fórmula de masa semiempírica :

mi ( A , Z ) = a V A − a S A 2 / 3 − a C Z ( Z − 1 ) A 1 / 3 − a A ( A − 2 Z ) 2 A + d ( A , Z )

dónde A = Z + norte es el número total de nucleones, Z el número de protones y norte el número de neutrones.

Los diferentes aportes tienen explicación física como:

  1. a V : término de volumen, cuanto mayor es el volumen, más nucleones interactúan entre sí a través de la interacción fuerte, más se atraen entre sí
  2. a S : término superficial, similar a la tensión superficial, algo de energía almacenada allí, reduciendo la interacción de unión
  3. a C : la repulsión de Coulomb de los protones dentro del núcleo
  4. a A : término de asimetría, enraizado en el principio de exclusión de Pauli. Básicamente, si hay más de un tipo de nucleón (generalmente de neutrones), entonces la energía total es mayor de lo necesario, lo que disminuye la energía de enlace (nota: A − 2 Z = Z − norte )
  5. d : término de emparejamiento, depende de si hay un número par o impar de nucleones en total y un número par o impar de protones/neutrones. En la descripción empírica generalmente se modela como una variable continua a PAGS / A 1 / 2 .

Esta es la expresión para la energía de enlace total , lo interesante es la energía de enlace por nucleón , como medida de estabilidad:

mi ( A , Z ) / A ≈ a V − a S 1 A 1 / 3 − a C Z ( Z − 1 ) A 4 / 3 − a A ( A − 2 Z ) 2 A 2 + a PAGS 1 A 3 / 2

Para ver qué núcleo (qué valor de A ) es el más estable que se tiene que encontrar para el cual A es esta función máxima. En este punto Z es arbitrario, pero debemos elegir un valor físicamente significativo. Desde el punto de vista teórico una buena elección es la Z que da la energía de enlace más alta para un determinado A (el isótopo más estable), para lo cual necesitamos resolver resolver ∂ ( mi / A ) ∂ Z = 0 . los resultados es Z s t a b yo mi ( A ) ≈ 1 2 A 1 + A 2 / 3 a C 4 a A . Después de volver a poner el Z s t a b yo mi ( A ) dentro mi ( A , Z ) / A uno puede maximizar el valor de la función para obtener el "número óptimo" de nucleones para el elemento más estable. Dependiendo de los valores determinados empíricamente de a S , a C , a A , a PAGS el máximo ocurrirá en el área A ≈ 58 … 63 .

La interpretación de este resultado es algo así:

  • para átomos pequeños (pequeños A ) la mayor contribución es el término de superficie (tienen una gran relación superficie-volumen), y quieren aumentar la cantidad de nucleones para reducirla; por lo tanto, tiene fusión
  • para átomos grandes (grandes A ) el término de Coulomb aumenta porque más protones significan más repulsión entre ellos, y también, para mantener todo junto se necesitan más neutrones (por lo tanto norte ≫ Z lo que hace que el término de asimetría también sea más grande. Expulsando algunos nucleones (desintegración alfa), o convirtiendo entre neutrones y protones (desintegración beta), el núcleo puede reducir estos términos.
  • enlazado de manera óptima A (y Z ) ocurre cuando estos dos grupos de contribuciones en competencia se equilibran entre sí.
Corrígeme si me equivoco, pero ¿no es cierto que nuestro conocimiento de QCD no es lo suficientemente bueno para derivar algo parecido a los términos de esta fórmula? Encuentro esto fascinante.
Como sugiere el nombre: es una fórmula "semiempírica", es decir. algunas ideas provienen de la teoría, algunos parámetros del experimento. El modelo se deriva en gran medida bajo la descripción de "gota de líquido" del núcleo, y si revisa el enlace anterior, algunos coeficientes ( a V , a C , a A en particular) tienen muy buenos valores predichos teóricamente. Al final, por supuesto, se comparan con el experimento y los coeficientes se ajustan en función de los datos. Si hay discrepancias o teoría más avanzada, el modelo es/será modificado.
Perdone mi impertinencia, pero ¿no es parte de la forma en que se definen los términos en el SEMF diseñado de tal manera que Fe-56 es un núcleo estable al máximo? ¿Usarlo para responder a esta pregunta no es bastante circular?
@Landak Siempre tienes círculos, no conocemos las reglas básicas del universo. Observas algún efecto, construyes una teoría para explicar la observación, ves si las predicciones avanzadas de tu teoría se corresponden con la realidad, y eso es todo. Pero no hay un punto cero a partir del cual puedas construir, como en matemáticas. La observación es siempre el punto de partida. Circular está bien siempre y cuando no cuente dos veces la misma evidencia, algo con lo que los científicos son muy cuidadosos. Las observaciones en el futuro hacen que su modelo sea más o menos seguro y, al hacerlo, afecta a todos los modelos dependientes a su vez.

La unión de los núcleos está dominada por dos fuerzas principales: la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética. La fuerza nuclear fuerte es mucho más fuerte que la fuerza electromagnética, pero actúa en distancias mucho más cortas.

Para núcleos pequeños (por ejemplo, hidrógeno y helio), si puede agregar más nucleones, es probable que se adhieran debido a la atracción de la fuerza fuerte. Esta es la razón por la que los núcleos más pequeños tienden a fusionarse. Al unir las partículas, se obtiene una configuración de menor energía, por lo que es más estable.

Para núcleos más grandes, el tamaño del núcleo significa que las partículas de un lado no sienten mucha fuerza de atracción de las partículas del otro lado, pero aún sienten repulsión electromagnética (si están cargadas, es decir, protones). Esto significa que los núcleos más grandes son menos estables y pueden formar configuraciones de menor energía al dividirse en partes más pequeñas (fisión).

El hierro se encuentra en el punto medio en términos de tamaño del núcleo, donde agregar o eliminar partículas daría como resultado una configuración de mayor energía, por lo que se considera el núcleo más estable.

Me encantan las respuestas fáciles de entender que me hacen sentir más inteligente ;-).

En cierto sentido, el núcleo de un helio (He-4) es más estable que el núcleo de un hierro. Se requieren alrededor de 20 MeV para separar cualquier partícula del núcleo de un helio. Pero solo unos 10 MeV son suficientes para separar un nucleón del núcleo de un hierro.

Claro, se necesita una energía tan grande para separar un núcleo, ya que la curva de energía favorece fuertemente agregar más núcleos en lugar de quitarlos. Esto no dice nada sobre la estabilidad. Si en lugar de quitar, desea agregar más núcleo, entonces está su fusión de He (en Be-8), que es muy exotérmica. Por otro lado, no hay reacción nuclear que genere energía a partir del hierro.
@Greg, la fusión de He en Be-8 no es exotérmica. Be-8 no es estable, se descompone en He-4 con 0,1 MeV.
error mío, de hecho, el Be-8 es una pequeña barrera, pero un He-4 más y el C-12 resultante (y más adelante en la cadena los elementos más pesados) producen energía. El comentario original sigue en pie: He-4 podría ser un máximo local en la curva de energía de enlace (debido al alto costo de energía para eliminar nucleones, y también el costo de energía para agregar algunos debido a las capas cerradas de nucleones), pero el hierro todavía es mas estable.
@greg: agregar neutrones o protones libres al hierro genera energía, solo agregar partículas alfa no lo hace.
@RonMaimon Viniendo de estructuras unidimensionales complejas del espacio (vea esto por favor después del siguiente enlace) Escribí agitando la mano sobre la distribución de los momentos magnéticos de los electrones en los átomos . Resulta que el hierro tiene una distribución más simétrica de los electrones que otros elementos excepto los gases nobles.
@RonMaimon Como el último comentario ya no es editable: no es hierro, el átomo de cromo es muy simétrico según mi elaboración.
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