¿Por qué la fusión por encima del níquel 56 requiere energía?

Siempre he luchado con el concepto de fisión y fusión. Quiero decir que puedo mostrar un déficit masivo con las matemáticas con bastante facilidad, pero siempre me ha costado entender el concepto fundamental de por qué las cosas son como son... tal vez alguien pueda ayudarme a encontrar el error en mi razonamiento. ¡Por favor, no use gráficos matemáticos o B/E en sus explicaciones!

A medida que construimos un núcleo, debe superar la repulsión electrostática entre los protones, pero después de acercarlos lo suficiente, se unen debido a la fuerza nuclear fuerte (los neutrones no tienen este problema). Los nucleones flotantes libres tienen mayor energía que los nucleones unidos, al igual que una bola en el aire tiene mayor energía que una bola en el suelo, por lo que una vez que se produce la unión, el núcleo arroja el exceso de energía IAW conservación de energía y el estado de menor energía se refleja como una masa déficit.

A medida que continuamos haciendo crecer el átomo, la fuerza nuclear aumenta al principio porque los vecinos de nucleones más inmediatos, sin embargo, eventualmente el núcleo engorda demasiado y los efectos de la fuerza fuerte para cada nucleón adicional disminuyen debido al rango, mientras que la repulsión no se ve afectada. Eventualmente, los átomos más grandes se forman y son inestables porque la fuerza fuerte equilibra más o menos perfectamente la repulsión electrostática.

A medida que los átomos vibran, cambian ligeramente de forma y las partes salen volando porque están muy cerca de explotar (radiación natural).

Eso explica por qué la fusión libera energía y por qué hay un tamaño máximo de átomo. Lo que no explica es por qué después de que la fisión del hierro libera energía y la fusión requiere energía.

Me parece que una partícula "no unida" más pequeña siempre debería liberar energía cuando está unida y decir que después de que la fusión de Nickel-56 requiere energía parece una inversión de la física (obviamente no lo es, pero no entiendo por qué).

En un momento pensé que lo tenía todo resuelto. Razoné que la fusión es un pozo de potencial infinito debido a la fuerza fuerte que es mucho más fuerte que las fuerzas electrostáticas. La fisión no fue el resultado de la energía de unión, sino simplemente el resultado de la liberación de la repulsión electrostática, es decir, la fisión y la fusión realmente tienen dos fuentes diferentes, una es la fuerza nuclear fuerte de la unión y la otra es la tensión electrostática que se libera debido a la deformación. ¿Es eso exacto?

en.wikipedia.org/wiki/Semi-empirical_mass_formula es un buen comienzo. En particular, el término de superficie favorece a los núcleos más grandes (reduce el área superficial) mientras que el término de Coulomb favorece a los más pequeños.
Usted hizo básicamente la misma pregunta hace unas semanas (o alguien más lo hizo con una frase muy similar). Comience con physics.stackexchange.com/questions/482264/… y continúe desde allí. Los gráficos B/E son bastante útiles, así que no estoy seguro de por qué eres reacio a ellos.
Usted menciona varias veces que la fisión se debe a la repulsión de Coulomb que hace que los núcleos grandes sean energéticamente desfavorables sobre varios más pequeños. ¿Por qué entonces dices que no explica 'por qué después de la fisión de iones se libera energía'?
Gracias Jacob... Supongo que estoy pensando que la fisión y la fusión tienen el mismo mecanismo. ¿Es una afirmación verdadera que uno se debe a la fuerza nuclear fuerte y el otro se debe a la fuerza de Coulombic? ... Todavía no veo por qué fusionar dos o cuatro nucleones libera energía, pero fusionar dos fragmentos de fisión (fisión a la inversa) requiere energía... ¿Son dos componentes separados en juego? ¿La fuerza nuclear aún da como resultado una liberación de energía durante la fusión de partículas grandes, pero el resultado neto debido a la repulsión electrostática lo hace neto negativo?
Jon, no pude encontrar el que estabas hablando, pero si alguien ya lo respondió, eso funciona.
Aquí hay una respuesta a otra pregunta de niels nielsen

Respuestas (2)

Si trabaja con las masas y las energías de enlace, verá que agregar una partícula alfa a 56 Ni es de hecho exotérmico.

Sin embargo, esa partícula alfa tiene que venir de alguna parte. Lo que es endotérmico es romper una partícula alfa de una 56 Ni núcleo y se le suma a otro. En otras palabras, una vez que tienes un núcleo estelar de 56 Ni entonces esa es la configuración con (aproximadamente) la mayor energía de enlace por nucleón y reorganizar esos nucleones de una manera diferente requerirá energía de alguna parte (por ejemplo, colapso gravitacional que conduce a temperaturas más altas y fotodesintegración de los núcleos).

Bien podría preguntarse, bueno, ¿por qué esta fusión no tiene lugar en lugares donde ya hay pérdidas de partículas alfa, como en un caparazón que quema helio, por ejemplo? La respuesta es que las temperaturas no son lo suficientemente altas para superar la repulsión de Coulomb e iniciar la reacción.

Aquí está la curva de energía de enlace.

energía de unión

Esta es una curva experimental.

¿Qué dice esta curva para el número creciente de nucleones en la tabla periódica?

Dice que hasta el níquel56 en promedio, el núcleo está unido de tal manera que al agregar dos núcleos se libera energía, y esto se llama fusión. Después del níquel, cuanto mayor es el número de nucleones, mayor es la energía de enlace del nucleón promedio, se necesita más energía. Solo si un núcleo de mayor número A se rompe en fragmentos con menor A, se liberará energía.

Esto se "explica" por las dos fuerzas de las interacciones nucleón-nucleón, la fuerza fuerte y la fuerza electromagnética. Dos protones se repelen entre sí pero son fuertemente atraídos por la fuerza nuclear fuerte, una fuerza residual de las interacciones fuertes modeladas con intercambios de piones. Cuando se agregan neutrones a la mezcla, los átomos pueden volverse estables.

Con un número de más de 50 nucleones, la unión en un núcleo todavía se debe a la interacción de la fuerza nuclear con la repulsión electromagnética, pero para obtener un núcleo unido, se debe gastar más energía a medida que aumenta el número A.

Por lo tanto, un núcleo con un número A alto dará energía si se rompe en fragmentos con A más pequeños, que tienen una energía de enlace más baja. Es un problema de muchos cuerpos que se modela de varias maneras. La interacción de las fuerzas electromagnéticas y nucleares es la misma, el número de nucleones cambia la posibilidad de obtener energía por fusión o fisión.

Agregar un alfa a Nickel-56 es exotérmico .
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