En física y química, la energía de enlace es la cantidad más pequeña de energía necesaria para eliminar una partícula de un sistema de partículas o para desmontar un sistema de partículas en partes individuales. [1] En el primer significado, el término se utiliza predominantemente en física de la materia condensada, física atómica y química, mientras que en física nuclear se utiliza el término energía de separación .
La unión también puede referirse a dos partículas que se conectan entre sí, como la fagocitosis y el patógeno que se unen (conectan) para que la fagocitosis destruya el patógeno.
Un sistema ligado suele tener un nivel de energía más bajo que sus constituyentes no ligados. Según la teoría de la relatividad, una disminución de Δ E en la energía total de un sistema va acompañada de una disminución de Δ m en la masa total, donde Δ mc 2 = Δ E . [2]
Hay varios tipos de energía de enlace, cada uno de los cuales opera a una distancia y escala de energía diferentes. Cuanto menor es el tamaño de un sistema ligado, mayor es su energía de enlace asociada.
Un sistema ligado suele tener un nivel de energía más bajo que sus constituyentes libres porque su masa debe ser menor que la masa total de sus constituyentes libres. Para sistemas con bajas energías de enlace, esta masa "perdida" después de la unión puede ser una fracción pequeña, mientras que para sistemas con altas energías de enlace, la masa faltante puede ser una fracción fácilmente mensurable. Esta masa faltante puede perderse durante el proceso de unión como energía en forma de calor o luz, correspondiendo la energía eliminada a la masa eliminada mediante la ecuación de Einstein E = mc 2 . En el proceso de unión, los constituyentes del sistema pueden entrar en estados de mayor energía del núcleo/átomo/molécula mientras retienen su masa y, debido a esto, es necesario que se eliminen del sistema antes de que su masa pueda disminuir. Una vez que el sistema se enfríe a temperaturas normales y regrese a los estados fundamentales con respecto a los niveles de energía, contendrá menos masa que cuando se combinó por primera vez y tenía alta energía. Esta pérdida de calor representa el "déficit de masa", y el propio calor retiene la masa que se perdió (desde el punto de vista del sistema inicial). Esta masa aparecerá en cualquier otro sistema que absorba el calor y gane energía térmica. [8]
Por ejemplo, si dos objetos se atraen entre sí en el espacio a través de su campo gravitacional , la fuerza de atracción acelera los objetos, aumentando su velocidad, lo que convierte su energía potencial (gravedad) en energía cinética. Cuando las partículas se atraviesan entre sí sin interacción o se repelen elásticamente durante la colisión, la energía cinética ganada (relacionada con la velocidad) comienza a revertirse en energía potencial, separando las partículas colisionadas. Las partículas que se desaceleran regresarán a la distancia inicial y más allá hasta el infinito, o se detendrán y repetirán la colisión (se produce una oscilación). Esto demuestra que el sistema, que no pierde energía, no se combina (se une) formando un objeto sólido, cuyas partes oscilan a distancias cortas. Por lo tanto, para unir las partículas, la energía cinética ganada debido a la atracción debe ser disipada por una fuerza resistiva. Los objetos complejos en colisión normalmente sufren una colisión inelástica , transformando parte de la energía cinética en energía interna (contenido de calor, que es el movimiento atómico), que luego se irradia en forma de fotones: la luz y el calor. Una vez que la energía para escapar de la gravedad se disipa en la colisión, las partes oscilarán a una distancia más cercana, posiblemente atómica, pareciendo así un objeto sólido. Esta energía perdida, necesaria para superar la barrera potencial para separar los objetos, es la energía de unión. Si esta energía de enlace se retuviera en el sistema en forma de calor, su masa no disminuiría, mientras que la energía de enlace perdida del sistema como radiación de calor sí tendría masa. Representa directamente el "déficit de masa" del sistema frío y limitado.
Se aplican consideraciones muy análogas en las reacciones químicas y nucleares. Las reacciones químicas exotérmicas en sistemas cerrados no cambian de masa, pero se vuelven menos masivas una vez que se elimina el calor de la reacción, aunque este cambio de masa es demasiado pequeño para medirlo con equipo estándar. En las reacciones nucleares , la fracción de masa que puede eliminarse en forma de luz o calor, es decir, energía de enlace, suele ser una fracción mucho mayor de la masa del sistema. Por tanto, puede medirse directamente como una diferencia de masa entre las masas en reposo de los reactivos y los productos (enfriados). Esto se debe a que las fuerzas nucleares son comparativamente más fuertes que las fuerzas de Coulómbico asociadas con las interacciones entre electrones y protones que generan calor en química.
El cambio (disminución) de masa en los sistemas unidos, particularmente en los núcleos atómicos, también se ha denominado defecto de masa , déficit de masa o fracción de empaquetamiento de masa . [ cita necesaria ]
La diferencia entre la masa calculada del sistema independiente y la masa del núcleo medida experimentalmente (cambio de masa) se denota como Δ m . Se puede calcular de la siguiente manera:
Después de que ocurre una reacción nuclear que da como resultado un núcleo excitado, la energía que debe irradiarse o eliminarse como energía de enlace para descomponerse al estado no excitado puede adoptar una de varias formas. Pueden tratarse de ondas electromagnéticas, como la radiación gamma ; la energía cinética de una partícula expulsada, como un electrón, en desintegración por conversión interna ; o en parte como la masa en reposo de una o más partículas emitidas, como las partículas de desintegración beta . En teoría, no puede aparecer ningún déficit de masa hasta que esta radiación o esta energía se haya emitido y ya no forme parte del sistema.
Cuando los nucleones se unen para formar un núcleo, deben perder una pequeña cantidad de masa, es decir, hay un cambio de masa para permanecer unidos. Este cambio de masa debe liberarse como varios tipos de energía de fotones u otras partículas como se indicó anteriormente, de acuerdo con la relación E = mc 2 . Por tanto, una vez eliminada la energía de enlace, energía de enlace = cambio de masa × c 2 . Esta energía es una medida de las fuerzas que mantienen unidos a los nucleones. Representa energía que debe ser reabastecida desde el medio ambiente para que el núcleo se descomponga en nucleones individuales.
Por ejemplo, un átomo de deuterio tiene un defecto de masa de 0,0023884 Da y su energía de enlace es casi igual a 2,23 MeV. Esto significa que se requiere una energía de 2,23 MeV para desintegrar un átomo de deuterio.
La energía liberada durante la fusión o la fisión nuclear es la diferencia entre las energías de enlace del "combustible", es decir, los nucleidos iniciales, y las de los productos de fisión o fusión. En la práctica, esta energía también se puede calcular a partir de diferencias sustanciales de masa entre el combustible y los productos, utilizando mediciones previas de las masas atómicas de nucleidos conocidos, que siempre tienen la misma masa para cada especie. Esta diferencia de masa aparece una vez que se han eliminado el calor y la radiación desprendidos, lo que es necesario para medir las masas (resto) de los nucleidos (no excitados) involucrados en tales cálculos.