La masa del núcleo debería ser igual a la suma de las masas de protones y neutrones, pero tras la unión de estas partículas, su masa se reduce. ¿Por qué? ¿Por la reducción de la masa de los protones o de los neutrones? Entonces, ¿cuál es el propósito de la masa calculada?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
Josh Diehl
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La fuerza fuerte es la que mantiene confinados a los quarks y gluones en un protón o neutrón, y la fuerza fuerte residual o fuerza nuclear es la que mantiene a los protones y neutrones en un núcleo.
Ahora el núcleo tiene una masa menor que la suma de sus constituyentes. La razón es que hay que añadir energía para recuperar los constituyentes (separarlos).
Esa energía que hay que añadir al sistema ligado para que se vuelva a desligar (para separar los protones y neutrones del núcleo) es exactamente la misma energía (o defecto de masa) que falta en el sistema ligado cuando se mide en comparación con la suma de los constituyentes por separado.
Por eso se llama defecto de masa y por eso usamos E=m*c^2, porque esa masa perdida por la que preguntas es exactamente la misma que la energía que está uniendo el núcleo (protones y neutrones). Y es exactamente la misma energía que hay que añadir al sistema para volver a separar los neutrones y los protones, por lo que la
Energía (vinculante)= Energía (que necesita separar de nuevo)=(defecto de masa)*c^2
Así que puedes convertir la energía en masa.
Rafik Fayzulin
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Consideremos el caso más simple: si un protón se acerca a un neutrón comienzan a interactuar a través de la fuerza fuerte, y en tal sistema hay un exceso de energía, que puede ser irradiada o llevada por otra partícula, y si esto sucede entonces estos protones y neutrones permanecerían juntos, ahora pesan menos ya que algo de energía se escapó, y para separarlos ahora tenemos que aplicar algo de energía al sistema
la combinación de protones y neutrones forman el núcleo de los átomos, algunas combinaciones son estables y tenemos elementos estables, otras combinaciones no lo son y tienden a cambiar a un estado con menor energía, y el proceso que observamos lo llamamos radiactividad
en el interior de las estrellas los elementos más ligeros se convierten en más pesados, y la energía liberada permite que las estrellas brillen durante muchos millones y miles de millones de años, sin embargo, este proceso se detiene en el hierro, que tiene la combinación de neutrones y protones con la energía más baja
Fernando Briano
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3704
Hay que tener claro que existen dos marcos generales en los que se utiliza el término "masa". Uno es el marco clásico en el que $m$ es la masa inercial para $F=ma$ y Las leyes de Newton dominar y se puede utilizar el principio de Arquímedes para calcular la masa de las aleaciones. En este sistema la masa es una cantidad conservada aditiva. También se trata de los marcos de baja velocidad, es decir, velocidades muy pequeñas comparadas con la velocidad de la luz. El sistema de la física clásica.
Para velocidades cercanas a la de la luz no se pueden tener transformaciones galileanas (necesarias para la mecánica de Newton) para pasar de un marco a otro, pero Transformaciones de Lorenz . Hay que utilizar cuatro vectores, $(E,p_x,p_y,p_z)$ y la "longitud" de este cuatro vector se llama la masa invariante que caracteriza al sistema. Las partículas se caracterizan por esta masa $m$ cuando se miden individualmente, pero cuando se trata de un sistema, hay que sumar los cuatro vectores y la suma puede ser diferente de la suma de las masas individuales que componen el sistema.
El segundo marco es el marco de las partículas de las moléculas de los átomos, un micro marco porque las distancias son pequeñas, regido por mecánica cuántica y la relatividad especial.
Los protones y los neutrones de un núcleo se encuentran en un estado mecánico cuántico, es decir, en un pozo de potencial. Sus cuatro vectores de partículas libres al caer en el pozo de potencial, durante la creación del núcleo, perdieron energía y momento por radiación $( α, β, γ )$ y la suma de los cuatro vectores de los núcleos que lo componen tiene una masa total menor que la suma de las masas de los núcleos libres.
Teniendo en cuenta lo anterior, veamos la cuestión:
La masa del núcleo debe ser igual a la suma de las masas de protones y neutrones,
Sólo en el marco de la física clásica, que no es el marco de los protones y neutrones.
pero tras la unión de estas partículas, su masa se reduce. ¿Por qué?
Debido a la relatividad especial que induce una relación entre las masas de los sistemas que tienen constituyentes, a través de los cuatro vectores de cada constituyente y la ley de adición de cuatro vectores.
¿Debido a la reducción de la masa de los protones o de las neuronas?
Los protones y neutrones en el potencial del núcleo están descritos por cuatro vectores virtuales, y sí, esos cuatro vectores tienen masas instantáneamente diferentes , menores que la masa en reposo de la partícula libre.
Entonces, ¿para qué sirve la masa calculada?
La masa en reposo (o invariante) medida de los protones y neutrones individuales es invariante cuando las partículas están libres. La masa en reposo medida del núcleo compuesto también es invariante. La diferencia entre la suma de las masas individuales y la masa del núcleo indica cuánta energía se necesitará para que los protones y neutrones queden libres, fuera de su pozo de potencial construido. El pozo de potencial de un sistema de nucleones se construye mediante la fuerza poderosa un desbordamiento de la fuerza chormodinámica cuántica entre los quarks que componen los neutrones y los protones.
Farcher
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La ley de conservación de la energía es uno de los "bloques de construcción" sobre los que se fabrica la Física Clásica, así que imagínese la "sorpresa" cuando en 1932 Cockcroft y Walton realizaron un experimento que demostraba que se podía crear energía.
Cockcroft y Walton utilizaron su acelerador para dotar a los protones (iones de hidrógeno) de la energía cinética suficiente para que cuando un protón chocara con un núcleo de litio se produjeran dos partículas alfa (núcleos de helio).
$\rm ^1_1H+^7_3Li \rightarrow ^4_2He+ ^4_2He$
El conocimiento de las energías cinéticas de los protones y la medición de la energía cinética de las partículas alfa demostraron que se había "creado" energía cinética en esta reacción.
En 1905 Einstein había postulado la idea de la equivalencia entre energía y masa $E=mc^2$ y utilizando las masas conocidas de los átomos/núcleos de hidrógeno, litio y helio, Cockcroft y Walton demostraron que en la reacción que estaban investigando la masa total de los productos era menor que la masa total de los reactantes en exactamente la misma cantidad predicha a partir de la fórmula de Einstein.
Ahora te preguntarás por qué la ley de conservación de la masa fue, y sigue siendo, utilizada por los químicos y otros científicos en otros campos.
La respuesta está en el hecho de que en las reacciones químicas las energías implicadas son mucho más pequeñas (~eV, ~ $1.6\times 10^{-19}\rm J$ ) que en las reacciones nucleares (~MeV) con las correspondientes reducciones de masa mucho menores (y no medibles).
Esta reducción de la masa se produce incluso cuando se estira un muelle.
ChrisA
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La energía de enlace de protones y neutrones en el núcleo es lo suficientemente grande como para que una fracción de la masa del núcleo enlazado (expresada simplemente como la suma de las masas individuales de los nucleones) se convierta en energía de enlace (por E = mc^2) y, por tanto, "falte" en esa suma.
