En una bomba H con fusión, ¿de dónde viene la energía? Puedo entender intuitivamente la fisión (romper átomos libera la energía que los mantiene unidos), pero ¿hay una descripción similar de por qué la combinación de cosas libera tanta energía?

La situación de fusión es más fácil de entender, en cierto modo.

Si sueltas un objeto, la gravedad lo tira y lo hace acelerar hacia la Tierra. Cuando se trata de detenerse, ha acumulado energía cinética, que luego debe ir a algún lado. Esta energía se libera en forma de vibración, energía, calor, etc. La liberación de energía ocurre porque dos cosas que se estaban presionando entre sí para comenzar se les permitió saltar juntas. Antes de eso, consideraríamos que tienen “energía potencial”.

Los nucleones (protones y neutrones) en los átomos son unidos por la fuerza nuclear fuerte. Por lo tanto, no es sorprendente que, con átomos pequeños, sea posible fusionarlos; se permite que dos lotes de nucleones salten juntos, y todos los nucleones se unen de todos modos.

El proceso no es diferente a un objeto que cae al suelo, o dos imanes que se juntan. La energía se libera cuando se unen.

La razón por la que esto no siempre sucede es que los protones también se repelen entre sí a través de una fuerza de mayor alcance; repulsión electroestática. La fuerza nuclear fuerte es de un alcance extremadamente corto, y los nucleones solo “sienten” significativamente la fuerza cuando ya están juntos. Más allá de las distancias subatómicas, la fuerza nuclear fuerte se vuelve insignificante.

En los núcleos grandes, podemos pensar que los nucleones en un lado del núcleo no experimentan mucha atracción de los nucleones en el otro lado. Están muy lejos Pero la repulsión electrostática actúa a una distancia más larga, por lo que los protones de un lado del núcleo todavía sentirán repulsión de los protones del otro lado. Todo se convierte en una entidad inestable, apenas unida por la fuerza nuclear fuerte. La adición de otro nucleón podría fácilmente hacer que todo el núcleo se desmorone, liberando energía a medida que la repulsión electrostática entre protones gana ventaja.

Es entonces como dos polos sur de un imán pegados con un poco de pegamento. Un ligero golpe y se volarán, y la energía que no era obvia entonces se vuelve bastante obvia, ya que ahora tenemos dos imanes voladores.

Situaciones análogas ocurren en otros casos en los que tenemos dos fuerzas opuestas separadas en el trabajo. Una gota de agua en la punta del dedo se mantiene unida por la tensión superficial, que se deriva de que las moléculas de agua son dipolos eléctricos, con un extremo positivo y un extremo negativo. Los extremos negativos de las moléculas de agua atraen los extremos positivos de los demás. Hasta cierto punto, pequeñas gotas de agua tienden a atraerse y fusionarse entre sí.

Pero después de cierto tamaño, la gota no puede mantener su forma contra la fuerza de gravedad de mayor alcance, o contra la vibración general que tiende a sacudirla, y la adición de más agua puede hacer que se desmorone.

Tanto la fusión de pequeñas gotas de agua como la caída de gotas más grandes liberarán energía, ya que una configuración menos estable se convierte en una configuración más estable.

Al fusionar hidrógeno para formar helio, la masa de los átomos de hidrógeno es un poquito más que el helio que forma. Esa pequeña diferencia se emite como energía, y dado que [matemática] E = mc ^ 2 [/ matemática], y ‘c’ es un número muy grande, ¡es una gran cantidad de energía!

Parece contrario a la intuición que la fusión Y la fisión pueden producir energía, pero la fusión solo crea energía para átomos más pequeños que el Hierro, y la fisión solo hace que la energía para átomos sea más grande que el Hierro.

Esta es la razón por la cual los procesos de fusión usan hidrógeno y los procesos de fisión generalmente usan uranio o plutonio.

Las bombas de hidrógeno generalmente usan los isótopos de hidrógeno de deuterio o tritio que tienen neutrones en su núcleo. Los núcleos de hidrógeno comunes son solo protones individuales, y el helio tiene dos protones y dos neutrones.

Entonces, la forma más simple de imaginar esto es que comienzas con dos átomos de deuterio (cada uno con un protón y un neutrón) y los obligas a crear un átomo de helio (con dos protones y dos neutrones).

El peso atómico del helio es 4.00260 y el del deuterio es 2.01410178. Entonces, la cantidad de masa que se pierde es [matemática] 2 \ veces2.01410178 – 4.00260 = 0.02777 [/ matemática] unidades de masa atómica.

El hidrógeno necesita un estímulo considerable para fusionarse en helio, por lo que las bombas H generalmente están formadas por una pequeña bomba de fisión (hecha con uranio o plutonio) que proporciona la energía inicial para comenzar el proceso de fusión en el núcleo de deuterio o tritio.

Dices que romper átomos libera la energía que los mantiene unidos. Es cierto, pero se vuelve un poco más matizado. Después de todo, los productos de fisión son en sí mismos átomos, y todavía hay energía de unión que los mantiene unidos. El punto es que la suma total de las energías de unión de los productos de fisión es menor que la energía de unión del átomo original (por ejemplo, U-235), por lo que hay un exceso de energía que se puede utilizar.

Esto es cierto para los átomos pesados, pero para los átomos más livianos que el hierro, lo contrario suele ser cierto. La energía de enlace de dos átomos de deuterio, por ejemplo, es más que la energía de enlace de un átomo de helio. Por lo tanto, debe invertir energía para separar un átomo de helio. Por el contrario, la fusión de dos átomos de deuterio en helio produce un exceso de energía, que puede utilizarse.

Quizás parte de la razón por la cual esto es menos obvio es que puede estar pensando en la energía de enlace como positiva. Pero ese no es el caso. Con la excepción de la fuerte fuerza que mantiene unidos a los quarks dentro de los protones y los neutrones, la energía de unión siempre es negativa en una interacción atractiva.

Entonces, por ejemplo, cuando permites que un protón y un neutrón se peguen y formen un átomo de deuterio, se pegan porque eso representa un estado de energía más bajo que un protón libre y un neutrón libre. Y cuando permite que dos átomos de deuterio se unan y formen un átomo de helio, la magnitud de la energía de unión negativa es mucho mayor, es decir, la energía total es mucho menor y, por lo tanto, se libera una gran cantidad de energía en exceso. (Quizás se pregunte por qué los átomos de deuterio no se unen espontáneamente, entonces. Es porque antes de que puedan unirse, tienen que superar su enorme repulsión electrostática mutua, que representa una barrera poderosa. Esta barrera es la razón por la cual, aunque los átomos de deuterio felizmente forman moléculas de dos átomos, los núcleos de deuterio en estas moléculas no se unen espontáneamente en núcleos de helio).

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