¿Por qué tanto la fusión como la fisión liberan energía?

Solo tengo conocimiento de física de la escuela secundaria, pero aquí está mi entendimiento:

Fusión: 2 átomos se unen para formar un nuevo átomo. Este proceso libera la energía que los mantiene separados y es muy energético. ¡Como el sol!

Fisión: algo rápido (como un electrón) choca contra un átomo y lo separa. De alguna manera esto también libera energía. Menos energía que la fusión, y es como un reactor nuclear.

Ahora entiendo que el estado de energía más bajo es cuando todo está muy unido (como por fusión), y cuesta energía separarlos.

Entonces... ¿por qué tanto la fusión como la fisión liberan energía?

Por cierto: la fisión no solo ocurre cuando se estrella algo contra el núcleo. También puede ocurrir cuando un solo neutrón lento se fusiona con el núcleo.
Realmente me gustaría ver una respuesta en términos de entropía. ¿Cómo cambia la entropía del sistema cuando ocurre la fisión o la fusión y por qué esto depende del tamaño del núcleo?
He eliminado algunos comentarios que respondían a la pregunta. Tenga en cuenta que los comentarios deben usarse para sugerir mejoras y solicitar aclaraciones sobre su publicación principal (es decir, la pregunta), no para responder.

Respuestas (11)

En general, tanto la fusión como la fisión pueden requerir o liberar energía.

Modelo puramente clásico

Los nucleones están unidos con la fuerza nuclear fuerte (y algo débil). La unión nuclear es de muy corto alcance; esto significa que podemos pensar en los nucleones como "pegados" entre sí debido a esta fuerza. Además los protones se repelen debido a su carga eléctrica.

Como la geometría significa que un nucleón tiene solo un número limitado de otros nucleones a los que puede "adherirse", la fuerza de atracción por nucleón es más o menos fija.

El campo eléctrico repulsivo es de largo alcance. Eso significa que a medida que crece el núcleo, crece la repulsión, de modo que eventualmente esa repulsión excede el efecto de atracción y uno no puede hacer crecer más el núcleo. Por lo tanto, un número limitado de elementos posibles.

Efectivamente, esto significa que la fuerza de atracción por nucleón aumenta rápidamente para un pequeño número de nucleones, luego alcanza su punto máximo y comienza a disminuir.

De manera equivalente, la energía de enlace por nucleón se comporta de manera similar.

Como señaló @cuckoo, el hierro y el níquel tienen los núcleos más unidos; el hierro-56 tiene la masa más baja por nucleón y el níquel-62 tiene la mayor energía de enlace.

Esta imagen (de Wikipedia) ilustra la curva de la forma típica:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Sin embargo, prefiero pensar en la energía de enlace como negativa y, por lo tanto, visualizar mejor el hierro como el estado de energía más bajo:

ingrese la descripción de la imagen aquíPara elementos más ligeros:

  • La fisión requiere energía.
  • La fusión libera energía

Para elementos más pesados, lo contrario es cierto.

La razón por la que observamos principalmente los casos de energía de liberación es porque:

  • es mas facil de hacer
  • Es más "útil"
Aparentemente, el hierro 56 no es el núcleo más unido, con el hierro 58 y el níquel 62 un poco más unidos, pero el hierro 56 es de alguna manera más fácil de "alcanzar" usando los mecanismos de fusión/desintegración comunes en las estrellas.
Entonces, este proceso de fusión fría del que he estado escuchando en la ciencia ficción durante años ya es posible, ¿simplemente no es una fuente de energía ? Interesante.
@AlexandreAubrey: No, la "fusión fría", si existiera, tendría el mismo efecto neto que la fusión ordinaria de núcleos ligeros que libera energía. Lo que lo hace "frío" es que supuestamente podrías hacer que suceda de alguna manera sin pasar por una etapa intermedia a la que cuesta mucha energía llegar, es decir, donde dos núcleos están lo suficientemente cerca como para gastar mucha energía. superando su repulsión electrostática pero aún no tan juntos como para que la fuerza fuerte haya comenzado a atraerlos.
... Este costo de energía no se pierde; se devolverá cuando se produzca la fusión, o si la fusión no se produce, cuando las fuerzas electrostáticas obliguen a los núcleos a separarse de nuevo a gran velocidad. Pero concentrar tanta energía en un par de núcleos en primer lugar es el principal problema tecnológico en la energía de fusión, y la única forma conocida de lograrlo en cantidad es calentar un plasma a temperaturas insanas. La fusión fría significaría, de alguna manera nunca explicada del todo, una forma de evitar esta barrera.
@Ian Interesante. Volverá a redactar.
@HenningMakholm "fusión en frío" existe, es un poco diferente de lo que la mayoría de la gente piensa al respecto. Básicamente, reemplaza algunos de los electrones con muones que son mucho más pesados, pero tienen la misma carga que un electrón. Debido a esto, orbitan mucho más cerca del núcleo, y a otros átomos les resulta mucho más fácil aplastarlos lo suficientemente cerca como para fusionarse. busque "Fusión catalizada por muones".
Sin embargo, debe señalarse que todavía consume más energía de la que libera... Los muones se descomponen con bastante rapidez, por lo que no se pueden almacenar y se necesita mucha energía para producirlos.

La fisión libera energía, porque un núcleo pesado (como el uranio-235) es como una trampa para ratones amartillada: se necesita energía para comprimir todos esos protones y neutrones lo suficientemente fuerte como para que apenas se peguen (por la fuerza nuclear) contra la tendencia natural de todos esos protones se separen violentamente debido a su repulsión electrostática. Cuando es golpeado por un neutrón entrante, es como un ratón tocando el gatillo de la trampa: BANG hace el núcleo.

En el caso de la fusión, el mecanismo es diferente: la fuerza nuclear entre protones y entre neutrones es muy poderosamente atractiva, pero solo se activa cuando las partículas están tan cerca unas de otras que se "tocan". Esa atracción no es suficiente para unir dos protones contra su repulsión electrostática, pero si agrega dos neutrones a la receta, obtiene suficiente fuerza nuclear mutuamente atractiva para superar la electrostática y las partículas se succionan violentamente con un BANG muy poderoso.

Otras reacciones de fusión en las que (2 protones más dos neutrones) se presionan sobre un núcleo más pesado (como carbono, nitrógeno, oxígeno, flúor, ...) liberan progresivamente menos energía, porque se necesita cada vez más trabajo para superar la repulsión. efecto a medida que el núcleo acumula más protones. En el momento en que llegas al hierro, las reacciones de fusión adicionales en realidad consumen energía en lugar de liberarla, porque el efecto de repulsión electrostática se hace cada vez más grande, y estás en el campo de la fisión .

Agregaría que en ambos casos, los productos resultantes son, en suma, más ligeros que sus reactivos, y ese es todo el truco. mi = metro C 2
sí Sí........
@StianYttervik E=mc2 + hfSolo porque cuando hay masa hf se puede ignorar; ¡No significa que no esté en la ecuación!
@UKMonkey ¡Bastante justo! Pero el tema sobre el que estaba tratando de arrojar algo de luz, que lo merece, es que en la fisión y la fusión, el universo pierde un poquito de masa. Esta pérdida de masa es lo que nos permite extraer trabajo útil. Sin embargo, si intenta fusionar algo por encima del hierro, o fise ... fisionar ... maldición, dividir algo debajo, por lo general, no obtiene esa pérdida de masa. (ya que el núcleo de hierro es tan estable)
¿Podría generalizar esto como "los elementos ligeros generan energía cuando se fusionan y los elementos pesados ​​generan energía cuando se fisionan"?
... y los elementos con un número atómico pequeño requerirán más energía para forzar la fisión de la que recuperarás. Reversibilidad.
@UKMonkey ¿Te refieres a Δ mi = h F = Δ metro C 2 , ¿bien? Es decir, la energía de la radiación es igual a la diferencia de masa en el núcleo.
@PeterA.Schneider no; Quise decir lo que dije. es una ecuación mal citada muy popular. Considere la energía de un fotón. Lo que es fpara la materia es objeto de otra pregunta.
@StianYttervik: Los productos también son más livianos que los reactivos en una reacción química exotérmica. La magnitud del efecto es mucho mayor con una reacción nuclear.
sí, pero es más fácil explicar que la energía proviene de una diferencia en la energía libre de gibbs para la reacción química. Lo mismo se aplica a los nucleados con energía de enlace de gluones, pero ese es un problema de muchos cuerpos y no muy intuitivo.
Sé que es difícil lograr un equilibrio entre comprensible e informativo, pero me molestan las inexactitudes en esta respuesta. Es posible fusionar dos protones: el sol hace p+p->D todo el tiempo. Agregar dos neutrones lo hace más fácil, pero todavía hay una fuerte repulsión electrostática entre dos deuterones ... En la primera parte, encuentro que "tomar trabajo para apretar todos esos protones y neutrones lo suficientemente juntos" también es engañoso, porque no lo hace abordar por qué la situación sería diferente para los átomos ligeros y pesados. Los átomos ligeros también tienen que comprimir sus protones y neutrones.
@craq, el deuterio no son dos protones unidos, ¿verdad? ¿Y no es el objetivo de agregar neutrones para proporcionar suficiente fuerza de atracción nuclear para superar la repulsión pp? Editaré para abordar tu último punto: NN
@nielsnielsen no, el deuterio no son dos protones unidos. También fui culpable de simplificar. La reacción completa implica la descomposición de uno de los protones en un neutrón, un positrón y un neutrino. en.wikipedia.org/wiki/Proton%E2%80%93proton_chain_reaction . Los neutrones, al ser neutros, no pueden hacer mucho para disminuir la repulsión electrostática. Podría argumentar que los neutrones aumentan la distancia entre los protones y la fuerza electrostática decae como 1/r^2. (Pero eso tampoco es del todo correcto).
El primer párrafo aquí me molesta, la forma en que está escrito implica que solo el número total de nucleones en U-235 lo hace fisionable, e implica que cualquier núcleo pesado debería comportarse de la misma manera cuando, de hecho, la mayoría normalmente absorberá neutrones lentos sin fisionar.
@danneely, el OP afirma aquí que tiene conocimientos de física en la escuela secundaria, y mi respuesta tenía la intención de dar cuenta de eso. Por esa razón, no me metí en las secciones transversales de fisión como funciones de la energía de los neutrones y el número atómico, sino que supuse que esos temas se revelarían en un programa universitario de primer o segundo año.

Su suposición sobre el estado de energía más bajo cuando todo está muy unido es incorrecta.

Solo sigue así hasta que obtienes núcleos de hierro, y es por eso que el hierro es el elemento más pesado creado por fusión.

La creación de núcleos más pesados ​​que el hierro consume energía en lugar de liberarla. Y es por eso que estos elementos solo se crean en explosiones de supernovas y otros eventos de alta energía donde hay abundante aporte de energía.

El diagrama de energía de enlace nuclear muestra este hecho muy bien.
@WorldSEnder El diagrama también muestra que la fusión de elementos más livianos que el hierro libera significativamente más energía que la fisión de elementos más pesados ​​que el hierro.
@Vaelus al menos contando por nucleón. Sobre la base del núcleo, la fisión vuelve a triunfar.
@Chieron - No. La fusión supera con creces la fisión en la potencia de salida. La única razón por la que usamos plantas de fisión es que la fusión es mucho, mucho más difícil de hacer.
@PaulSinclair mira ese gráfico. Dividir un núcleo de uranio libera más energía que fusionar dos núcleos más ligeros de cualquier tipo. La fusión es más efectiva, porque es la masa/salida por nucleón lo que realmente cuenta.
@Chieron: supongo que si solo se le permitiera dividir / fusionar una cantidad fija de núcleos, entonces de hecho obtendría más de la fisión que de la fusión. Sin embargo, las medidas realistas son el % de masa convertida en energía, la disponibilidad de combustible y el costo de lograrlo. La primera, la fusión gana a lo grande. La segunda fusión H2-H2 gana fácilmente. La fusión H2-H3 es una ventaja mucho menor, ya que actualmente obtenemos H3 mediante reactores de fisión, pero aún así es más fácil que refinar más uranio. Solo el costo y la tecnología le dan a la fisión su ventaja actual.

Quería agregar otra respuesta para mostrar un gráfico importante: energía de enlace por nucleón versus número atómico (número de nucleones [protones + neutrones]).

Energía de enlace por nucleón versus número de nucleón

La energía de enlace es la cantidad de energía necesaria para romper un núcleo. Si, después de un cambio, la cantidad de energía de enlace disminuye, debemos haber suministrado energía para romper un núcleo. Si, por el contrario, aumenta, debe haber liberado energía.

Podemos ver en la gráfica que hay dos formas de aumentar la energía de enlace por nucleón: primero, comenzar desde la derecha, más allá del hierro, y romper los núcleos, moviéndose hacia la izquierda y cuesta arriba. Esto es fisión. Segundo, comenzando desde la izquierda, fusionando núcleos, subiendo la pendiente hacia la derecha. Esto es fusión. Puede ver que las recompensas son particularmente grandes si pasa del hidrógeno al helio.

Entonces, supongo que la pregunta ahora es: ¿por qué la trama no es monótona? ¿Por qué no es siempre creciente o siempre decreciente? Creo que las otras respuestas ya han arrojado luz sobre eso.

Solo mostrar ese gráfico hace que esta sea la mejor respuesta. +1

Fusión:
en un núcleo pequeño hay una fracción relativamente grande de nucleones en la superficie, lo que reduce la energía de enlace total. La fusión de 2 núcleos muy pequeños en un núcleo de tamaño mediano libera energía, principalmente porque en el núcleo más grande resultante hay menos nucleones en la superficie que antes. Esto es análogo al efecto de tensión superficial por el cual dos gotas de agua pueden fusionarse y liberar algo de energía debido a la disminución del área superficial total.

Fisión:
En un núcleo grande hay mucha repulsión de Coulomb debido a la gran cantidad de protones. La fisión de un núcleo muy grande en 2 núcleos de tamaño mediano libera energía, principalmente porque la repulsión de Coulomb total dentro de los 2 núcleos resultantes es más pequeña que antes.

Por lo tanto, los núcleos de tamaño mediano (~ 55 nucleones) tienen la mayor energía de enlace por nucleón.

La fórmula de Bethe-Weizsäcker para la energía de enlace de un núcleo da una explicación más cuantitativa de esto.

Creo que vale la pena abordar específicamente la palabra 'ambos' en la pregunta. Si dice 'ambos liberan energía', está insinuando alguna contradicción, pero en realidad no existe tal problema. Estás comparando manzanas y naranjas.

Para una sustancia que tiene una reacción de fusión endotérmica, la fisión de esa sustancia probablemente será un proceso exotérmico neto. Esto es aplicable para elementos más pesados ​​que el Hierro.

Para elementos con reacciones de fusión exotérmica, ocurre lo contrario. Entonces, eventualmente, para un elemento dado, solo uno de los dos procesos (fisión y fusión) será un proceso exotérmico neto. También puede consultar esta publicación de Physics SE: ¿Son todas las reacciones de fusión nuclear exotérmicas y las reacciones de fisión endotérmicas?

Porque la atracción de la fuerza nuclear fuerte tiene un rango corto , mientras que la repulsión electrostática tiene un rango largo .

Como consecuencia, la repulsión electrostática crecerá más rápido con el número de nucleones que la atracción nuclear (los protones en todo el núcleo se repelerán entre sí, mientras que solo los nucleones vecinos se atraerán). Esto provoca menos energía de enlace por nucleón a medida que aumenta su número y en algún momento alcanza el máximo y comienza a disminuir.

El hierro simplemente está en el máximo de la energía de enlace por nucleón. Por tanto, para elementos más pesados ​​que el hierro, la fisión libera energía, mientras que para elementos más ligeros que el hierro, la fusión libera energía.

Esto no se puede eludir por completo agregando más neutrones, principalmente porque la fuerza nuclear débil los hace inestables, pero funciona hasta cierto punto, razón por la cual los núcleos más pesados ​​​​generalmente tienen una mayor proporción de neutrones a protones. Pero en algún momento ya no es posible agregar más nucleones sin que todo se vuelva inestable, razón por la cual los elementos muy pesados ​​son radiactivos.

Aquí hay una visión cualitativa.

La energía neta es positiva sólo para la fusión de elementos más ligeros que el hierro, es decir, la energía se libera por fusión. Para elementos más pesados ​​que el hierro, la fusión consume energía, es decir, la energía neta es negativa.

Podemos usar la fisión hoy para liberar energía debido al hecho de que algún proceso en el pasado (por ejemplo, en una supernova) puso energía en los núcleos pesados.

Hay energía involucrada en mantener separados los átomos, pero también energía involucrada en mantener un átomo unido. Cuando rompes un átomo, se libera esta energía de enlace.

De hecho, una de las cuatro fuerzas fundamentales es responsable de unir los átomos: la fuerza nuclear fuerte.

Fusion funciona golpeando los mismos dos elementos y pegándolos para formar un nuevo elemento más pesado. Cuando sumas las masas de los dos elementos originales, es mayor que el nuevo elemento.

Es esta diferencia de masa la que se convierte en energía. Puede calcular la cantidad de energía de la famosa ecuación de Einstein E = mc (cuadrado). Aquí m es (2 x Masa del elemento original) - (Masa del nuevo elemento) y c es la velocidad de la luz.

Ejemplo: dos átomos de hidrógeno juntos forman un átomo de helio.

Cuando la masa de los dos elementos originales se vuelve más pesada, la diferencia entre sus masas y el nuevo elemento se vuelve más pequeña.

La fisión funciona dividiendo un elemento en dos nuevos elementos más ligeros. Cuando sumas las masas de los dos nuevos elementos, es menor que el elemento original.

Es esta diferencia de masa la que se convierte en energía. Puede calcular la cantidad de energía de la famosa ecuación de Einstein E = mc (cuadrado). Aquí m es (Masa del elemento original) - (Masa de los elementos nuevos) y c es la velocidad de la luz.

Quería mencionar que técnicamente es mucho más complicado que lo que digo aquí. La respuesta corta sigue siendo la misma: la masa se convierte en energía.

"La fisión funciona dividiendo un elemento en dos nuevos elementos más livianos. Cuando sumas las masas de los dos nuevos elementos, es mayor que el elemento original". No, entendiste esto al revés. ¡La suma de las masas de los nuevos elementos debe ser menor o no tendrás una liberación de energía!

Quería dar una respuesta rápida, pero aparentemente ahora está mal visto dar respuestas rápidas en los comentarios, así que aquí está:

En términos generales, la fisión nuclear es endotérmica para núcleos donde la fusión nuclear sería exotérmica, y viceversa. Para núcleos más pequeños que el hierro, la fisión suele ser endotérmica, mientras que la fusión es exotérmica. Para núcleos más pesados ​​que el hierro, la situación se invierte.

¿Por qué tanto la fusión como la fisión liberan energía?
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