Energia de Enlace

Los núcleos, formados por partículas positivas confinadas en un espacio muy reducido, no podrían ser estables si sólo existieran la fuerza gravitatoria y la electromagnética, pues la última es mucho más intensa que la primera y de carácter repulsivo. Existe un tercer tipo de fuerza, denominada nuclear fuerte, que mantiene unidos a los protones y neutrones y proporciona así la estabilidad nuclear.

Los núcleos pueden ser estables o pueden desintegrarse en más o menos tiempo. Los núcleos pequeños estables poseen un número de protones igual o similar al de neutrones. Conforme aumenta el número de masa del núcleo, ha de aumentar la proporción de neutrones para seguir siendo estable. Ello es debido a que al aumentar el tamaño aumenta la fuerza de repulsión eléctrica, que ha de compensarse mediante un mayor número de neutrones, que contribuyen a la fuerza nuclear atractiva, pero no a la eléctrica repulsiva. En la ilustración se muestra la curva de estabilidad de los núcleos.

De lo anterior y de muchas otras evidencias experimentales se deduce que la fuerza nuclear entre protones es muy similar a la existente entre neutrones y entre protones y neutrones. Dicha fuerza es muy intensa, pero de muy corto alcance. Es prácticamente nula para distancias mayores de 3 fm.

Las energías de enlace de los electrones en los átomos y las moléculas son tan pequeñas que no se aprecia un cambio de masa. Las energías nucleares, por el contrario, son tan elevadas que producen cambios medibles de masa. Así, la masa de un núcleo estable es sensiblemente menor que la suma de las masas de los protones y neutrones que lo forman. Dicha diferencia corresponde a la energía de enlace del núcleo. Por ejemplo, el deuterón es un isótopo del hidrógeno formado por un protón y un neutrón, y su masa es de m_d = 2,014102 u. La diferencia entre la masa del protón más la del neutrón y la del deuterón es:

La energía de enlace del deuterón es la correspondiente a dicha diferencia de masa:

en donde hemos tenido en cuenta que la unidad de masa unificada es igual a 931,5 MeV/c². Las diferencias en las energías de enlace de los núcleos que intervienen en las reacciones nucleares son las que se liberan en los reactores y en las bombas nucleares, como veremos más adelante.

De acuerdo con lo anterior, la energía de enlace de un núcleo ^A_ZX de masa M, con Z protones y A - Z neutrones, viene dada por:

en donde las masas se han de medir en términos de u y las energías vienen dadas en MeV. Si el dato que se nos da es la masa atómica, incluyendo los electrones, hay que sumar a la expresión anterior la masa del electrón multiplicada por Z.

Para hacemos una idea de la estabilidad de los distintos núcleos podemos dividir sus energías de enlace por el número de nucleones, y obtener así una energía de enlace por nucleón. En la ilustración representamos dicha energía en función del número de nucleones para los núcleos estables. Puede apreciarse cómo la zona central es la más estable. Existe, en principio, la posibilidad de dividir los núcleos pesados y obtener núcleos medios más estables, así como la de unir núcleos ligeros y conseguir también núcleos medios más estables.

Además de la fuerza nuclear fuerte existe una segunda fuerza nuclear, denominada nuclear débil, que es la responsable de diversos procesos de desintegración nuclear. Hoy día se sabe que está directamente relacionada con la interacción electromagnética. Existe una fuerza unificada que engloba a ambas interacciones: la electromagnética y la nuclear débil.