¿Qué es la energía vinculante, en realidad?

Creo que sabes que dos protones se repelen entre sí, según la ley de Coulomb. Y la fuerza de repulsión de Coulomb entre dos protones en un núcleo es aproximadamente$250 N$si están separados por una distancia de un fermi, que es muy grande considerando la pequeña masa del protón.

Entonces, como bien sabrá, la fuerza nuclear fuerte, para un rango corto, logra mantener unido el núcleo. Ahora, si desea descomponer el núcleo en sus constituyentes, debe realizar una cierta cantidad de trabajo, que es la energía de enlace.

Ahora, piensa en el núcleo antes de que se formara. Todos sus constituyentes habrían sido entidades separadas. Si deseas convertirlos en un solo cuerpo, en aras de la espontaneidad (mi uso de esta palabra puede no ser del todo correcto), el producto final debe poseer una energía menor que la suma de las energías de las entidades independientes.

Esto es bastante contrario a la intuición si no tiene una idea sobre las fuerzas nucleares fuertes, ya que habría un aumento en la energía del sistema, según la ley de Coulomb.

Pero lo que realmente sucede es que la masa del núcleo es menor que la masa de sus constituyentes tomados uno por uno. Entonces, a partir de la relación de equivalencia masa-energía del Prof. Einstein, podemos decir que la energía contenida en esta masa fue liberada durante la formación del Núcleo y esta diferencia de masa se llama defecto de masa.

Entonces, para romper el núcleo, debe eliminar (o más bien devolver) lo que los mantenía unidos, por lo que, naturalmente, la energía de enlace es la misma que la energía liberada por el defecto de masa.

EDITAR

Como respuesta a su pregunta editada, incluyo una analogía. Supongamos que tiene una pelota colocada inicialmente en la parte superior de un estante de altura$h$. Ahora bien, si resbala y se cae, perderá su energía interna en forma de energía cinética y tendrás la relación

$$mgh+\frac{1}{2}mv^2=mgh_{2}$$ (esencialmente un caso especial de la tercera ecuación de movimiento) donde$h_2$es su altura actual. Si desea volver a levantarlo a la posición en la que se encontraba inicialmente, debe suministrar energía igual a la energía perdida como energía cinética. $$E=\frac{1}{2}mv^2$$ Es posible que haya notado que no consideramos$GFP$(Potencial de fuerza gravitacional) en la ecuación de la energía que debe suministrarse.

De manera similar, si la energía inicial del núcleo (antes de la formación) es$E$, y las partículas pierden una masa$\Delta m$, entonces la energía del núcleo será

$$E_{nucleus}=E_i-\Delta mc^2$$

Ahora, para traerlo de vuelta a la etapa inicial (La$E_i$ya incluye el$NFP$estás hablando, de la misma manera que el$GFP$está incluido en la analogía anterior) Ahora, para llevar el núcleo de regreso a su posición inicial, (con energía$E_i$) necesitas suministrarle la energía de enlace.

$$E_{nucleus}+E_b=E_i$$ reorganizando, $$E_{nucleus}=E_i-E_b$$

Comparando esta ecuación con la de formación del núcleo, tenemos

$$E_b=\Delta mc^2$$

Como se indica en uno de los textos anteriores, comienza con un núcleo y luego divide el núcleo en neutrones y protones individuales (las partes constituyentes del núcleo).
El trabajo realizado para dividir el núcleo en sus partes constituyentes es la energía de enlace del núcleo.
En el proceso inverso, si los neutrones y protones individuales se juntan y forman el núcleo, la cantidad de energía liberada en ese proceso es igual a la energía de enlace del núcleo.

Se encuentra que la masa del núcleo es más pequeña que la masa total de los neutrones y protones individuales que forman el núcleo.
La diferencia entre estas dos masas se denomina defecto de masa, es decir, el núcleo carece de algo de masa en comparación con la suma de las masas de las partículas individuales que forman el núcleo.

Si la energía de enlace es$E_{\rm b}$nad el defecto de masa es$\Delta m$entonces los dos están relacionados con la ecuación de Einstein$E_{\rm b} = \Delta m \,c^2$dónde$c$es la velocidad de la luz.

Entonces, para romper un núcleo en sus partes constituyentes, la cantidad mínima de entrada de energía en el núcleo es la energía de enlace y, al final del proceso, la masa total de las partes constituyentes aumenta en una cantidad igual al defecto de masa.

La energía de enlace es la energía mínima requerida para sacar al sistema del equilibrio estable. Entonces, en su contexto, es la energía requerida para romper el núcleo en sus constituyentes. Es el valor de los mínimos en el gráfico.

La razón por la que este valor solo tiene en cuenta el defecto de masa es que una vez que haya proporcionado una energía igual al defecto de masa, el sistema tiene suficiente energía para dividirse en sus componentes individuales. Si se proporciona algo menos, la energía total del sistema no es suficiente para romperlo porque la energía total sigue siendo menor que la suma de la energía de masa de los componentes individuales.

Definición básica de energía de enlace

La energía de enlace de un núcleo se define como la energía requerida para romper un núcleo en protones y neutrones constituyentes y a una distancia tal que no puedan interactuar entre sí.

Causa del defecto de masa El defecto de masa es diferente para cada elemento. Esto nos sugiere que no se puede llegar a la conclusión de que un protón o neutrón perderá una masa particular. El defecto de masa creado depende puramente de la estructura de los núcleos y la estructura de los núcleos. determina la caída en el potencial de fuerza nuclear, esto nos da una pista de que el defecto de masa depende de alguna manera de la caída en el potencial de fuerza nuclear. Entonces, la conclusión es que el defecto de masa está de alguna manera correlacionado con la pérdida en el potencial de fuerza nuclear. Por lo tanto, podemos escribir que

$$ΔmC²=0-NFP..........(1)$$ (NFP es potencial de fuerza nuclear cuando el sistema de nucleones está unido como nucleón y tiene un valor negativo)

Fórmula para la energía de enlace Ahora, aplicando la conservación de la energía, obtenemos

$$E_b+(m-Δm)C²=mC²$$

(No debemos considerar el potencial de la fuerza nuclear ya que esto mismo se contabiliza por defecto de masa (de la conclusión anterior). Por lo tanto, considerar la NFP es como contar dos veces)

$$E_b=ΔmC².............(2)$$ Esta ecuación nos sugiere la definición 2 dado que se da la energía de enlace para superar el defecto de masa. De la ecuación (1) y (2) podemos decir $$E_b=-NFP$$ Lo que implica $$E_b+NFP=0$$ Como 0 es el potencial de fuerza nuclear final (es decir, NFP_f) $$E_b=NFP_f-NFP=ΔNFP$$ $$E_b=ΔNFP..........(3)$$ Esta definición nos sugiere que la energía de enlace se da para superar la fuerza de atracción nuclear. En este caso, la energía de enlace es la medida de cuán fuerte es la fuerza de atracción nuclear.

Ambas definiciones son correctas. Son como las caras opuestas de una moneda. (Para una mayor precisión, podemos incluir EFP (potencial de fuerza electrostática))