Bien, tengo una pregunta, durante una explosión nuclear o aniquilación de partículas/antipartículas, la materia se convierte en energía. ¿Cómo puedo determinar si de una explosión saldrá, digamos, una pequeña cantidad de fotones de alta energía como los rayos gamma o un gran número de fotones de baja energía como la luz visible? Así que, básicamente, ¿cómo puedo saber en qué tipo de energía se va a convertir la materia, si en rayos gamma o en luz visible o en ambos?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?Se trata de un ejemplo especial de "lo que sucederá" en determinadas circunstancias. Casi toda la física -y la ciencia natural- consiste en responder a este tipo de preguntas. Pero en realidad son muchas preguntas muy diferentes y hay que ser un poco más específico sobre cuál es la pregunta. Tu pregunta general "qué formas de energía resultarán" es tan general que básicamente abarca también toda la física. Al menos, hay que definir el estado inicial con suficiente precisión.
La aniquilación de la materia con la antimateria suele producir partículas de energías bastante fijas cuyo $E$ es comparable a $mc^2$ de la partícula aniquilada. En particular, es "muy probable" que un electrón y un positrón (su antipartícula) se aniquilen en un par de fotones. Cada uno de los fotones tiene una energía de 511 keV. La probabilidad (sección transversal) de dicha aniquilación puede calcularse a partir de la teoría conocida como "electrodinámica cuántica" (o de teorías más amplias que contengan la QED como límite y/o subconjunto). La energía total transportada por tales fotones -la radiación gamma- puede medirse con "calorímetros" y sus energías individuales con el espectrómetro de rayos gamma, por ejemplo.
Hay básicamente 1 buena teoría para predecir los "hechos más importantes" de este proceso de aniquilación - y muchos aparatos para verificar que la teoría funciona.
La aniquilación de un protón y un antiprotón es más complicada. Hay diferentes posibilidades que pueden surgir de eso y esas posibilidades son "comparablemente probables". La teoría más sencilla para calcular las probabilidades de los resultados es la "cromodinámica cuántica" (QCD). Los fotones procedentes de dicha aniquilación están por debajo de 1 GeV, rayos gamma aún más energéticos que antes.
La explosión nuclear es un proceso aún más sucio. Los núcleos más pesados se dividen en pedazos -lo que puede hacerse de muchas maneras- y producen radiaciones alfa, beta y gamma. La energía de la explosión también es absorbida intensamente por el aire circundante y otros materiales, de modo que comienzan a arder, aumentan su presión y crean una luz muy fuerte y una radiación electromagnética en casi todas las frecuencias, incluido el espectro visible. Y también muchas ondas sonoras.
Describir o predecir qué tipo de energía libera una energía nuclear es un problema interdisciplinar entre la física nuclear, la aerodinámica, la termodinámica y la ingeniería que tiene muchos aspectos. No hay una respuesta de 3 frases que derive exactamente qué tipo de energía produce una bomba nuclear y en qué cantidades. Para verificar tales predicciones se requiere una combinación de ingenieros, comandantes, soldados y algunas personas que no se preocupan demasiado por su salud.
Por lo tanto, en general, los procesos limpios en los que intervienen partículas verdaderamente elementales suelen producir fotones con una energía específica que es mayormente calculable, como los rayos gamma en estos casos. Sin embargo, las colisiones o la fisión de objetos más complicados, como los antiprotones o incluso las bombas nucleares, producen una colección mucho más diversa de fotones en distintas longitudes de onda.
La respuesta de Lubos cubre muy bien y de forma general las diferentes posibilidades de reactantes y productos en las reacciones de las partículas subatómicas y los nucleones.
La ecuación básica es
Energía de los fotones = energía de los reactivos - energía de los productos.
Debido a las enormes energías implicadas es realmente improbable que se libere luz visible, la mayoría de las reacciones emitirán en el rango gamma.
He aquí algunos ejemplos: electrón + positrón --> aniquilación total : 511keV (de la respuesta de Lubos)
235U --> fisión a núcleos hijos: típico 202,5MeV de los cuales 7MeV gamma, el resto energía cinética de los productos. https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fission
60Co --> 60Ni: La desintegración beta conduce a una forma excitada de 60Ni, que entonces emite dos rayos gamma diferentes de aproximadamente 1Mev cada uno: https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray
La información sobre la energía de las reacciones de fusión se encuentra en https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion
Para más información http://atom.kaeri.re.kr/gamrays.html te dará una tabla de qué reacción corresponde a qué energía, de modo que si observas un rayo gamma de una energía concreta puedes averiguar de qué reacción procede. La energía más baja de la lista es 6KeV.
En cambio, un LED verde emite fotones visibles de unos 2eV.
Cuando se ve una explosión nuclear o una estrella, no se observan los rayos gamma sino la radiación térmica. La mayor parte de la radiación es térmica, en forma de fotones infrarrojos / visibles / ultravioletas de baja energía.
La fusión se produce en las profundidades del núcleo solar, y la liberación de energía volumétrica es menor que la del cuerpo humano (véase la referencia sobre la fusión nuclear). La mayor parte de los rayos gamma producidos serán absorbidos en su viaje hacia la superficie de la estrella, lo que servirá para calentar la masa f de la estrella, que entonces irradiará térmicamente. Las bombas de hidrógeno queman en realidad deuterio, que reacciona más rápidamente. Aunque algunos rayos gamma pueden penetrar varios centímetros de plomo, hay que tener en cuenta que varios kilómetros de atmósfera tienen prácticamente el mismo poder de detención.
Por lo tanto, dado que las grandes fuentes de rayos gamma te freirán desde la distancia con su producción térmica, si quieres observar los rayos gamma, es mejor que utilices una fuente pequeña a la que te puedas acercar fácilmente, como un pequeño trozo de metal radiactivo.