Las partículas que se mueven solas a través del espacio pueden tener dos tipos de energía:
energía de masa:
es decir , E = tipo de energía mc2, que no depende de si una partícula se mueve y cómo se mueve
y
energía de movimiento:
energía que es cero si una partícula es estacionaria y se hace más grande a medida que una partícula se mueve más rápido
El punto sobre la energía es que la energía de un tipo se puede convertir en energía de otro tipo, pero todo el tiempo, en física de partículas (y en otros lugares, a menos que esté tratando de hacer un seguimiento del universo por un tiempo), la cantidad total de energía permanece constante . Por eso usamos el concepto.
Entonces, sí, la energía de movimiento se puede convertir en energía de masa y viceversa. De hecho, esa es la razón principal por la que los físicos de partículas usan aceleradores de partículas para hacer nuevas partículas.
ejemplo:
Decaimiento Alfa
Esta forma de desintegración radiactiva generalmente se muestra usando la letra griega para alfa. Los navegadores web a veces tienen problemas para mostrar dichos caracteres correctamente, pero se ve así:
En la desintegración alfa, un átomo expulsa una partícula alfa, que es simplemente un átomo de helio sin electrones. Al hacerlo, el átomo padre se desintegra en una partícula más ligera. Un ejemplo de esto es un átomo de uranio-238 que se descompone en un átomo de torio-234 y una partícula alfa (es decir, un núcleo de helio-4, es decir, 2 protones y 2 neutrones). Un diagrama esquemático ilustra esto:
Este tipo de descomposición ocurre naturalmente en el uranio y es un ejemplo de “descomposición espontánea”.
Entonces, ¿qué tiene esto que ver con E = mc2? La respuesta es simple pero extraordinaria al mismo tiempo. El átomo de uranio no solo se rompe. A medida que se desintegra, cada uno de los dos elementos resultantes (el torio y la partícula α) se separan a gran velocidad. En otras palabras, ambos tienen energía cinética. Eso en sí mismo puede no parecer tan sorprendente. Quizás la energía provino del hecho de que las dos partículas se mantuvieron juntas de tal manera que volarían separadas si tuviera la oportunidad. Sin embargo, es posible medir la masa del átomo de uranio original y las masas de las dos partículas resultantes. Esto se hace midiendo el impulso de cada partícula cuando golpea un sensor (aunque esa es una explicación algo simplificada, es lo suficientemente bueno para nuestros propósitos aquí). Cuando se toman estas medidas, se descubre que la masa total de las dos partículas más pequeñas es menor que la masa de la partícula de uranio original. Alguna masa debe haberse convertido en energía (principalmente cinética), y la cantidad de energía viene dada por E = mc2.
¿Cuánta masa se ha convertido en energía? De hecho, la cifra es tan pequeña que los físicos usan otra forma de medición en lugar del joule para tales desintegraciones, y una que tiene más sentido y es más fácil trabajar con energías diminutas, llamada voltaje electrónico:
Electrón voltios.
Un electrón voltio se define como el trabajo realizado en un electrón para moverlo a través de una diferencia de potencial de un voltio. Su símbolo es eV.
No necesitamos preocuparnos por la definición formal aquí. En cambio, solo tenemos que entender que es una medida de energía y que a menudo se usa para calcular energías a nivel atómico. La cantidad de energía en 1eV es:
Observe el menos 19. ¡Esa es una cantidad muy pequeña de energía!
Se necesitarían 16,020,000,000,000,000,000 de electronvoltios para alimentar una bombilla de 100W durante 1 segundo. Por esta razón, los voltios de electrones a menudo se miden en millones, y se les da el prefijo M, para mega. Por ejemplo, 5 millones de electronvoltios se escriben como 5MeV, pero incluso eso solo alimentaría una bombilla durante una fracción muy pequeña de un segundo.
Ahora volvamos a la pregunta de cuánta masa se ha convertido en energía en la descomposición.
Necesitamos hacer esto en dos etapas. El primero es descubrir cuánta energía se liberó durante la descomposición. Típicamente, una desintegración de uranio alfa produce 4.3MeV de energía. ¿Cuánto cuesta esto en la unidad de energía más familiar de julios? Sabemos cuántos julios hay en un electrón voltio, así que:
Ahora necesitamos reorganizar E = mc2 para hacer que la masa sea el sujeto:
Ahora podemos conectar nuestra energía y la velocidad de la luz en la ecuación y obtener una respuesta:
Antes estábamos hablando en números pequeños , ¡pero ahora tenemos un número que es casi increíblemente pequeño!
La cantidad de masa que se convirtió en energía durante la desintegración α fue:
0.000,000,000,000,000,000,000,000,000,007,600 kg .
¡No hace falta decir que esto no se vería en ninguna báscula de cocina!
Sin embargo, este número se ha verificado experimentalmente de varias maneras, como el uso estadístico de muchos millones de partículas.
Según los pequeños números involucrados, parecería que la descomposición del uranio no tiene importancia y alguna vez se pensó que ese era el caso.
Conclusión
La ecuación E = mc2 se puede usar para calcular la energía involucrada en la desintegración atómica (radiactiva). En una escala diaria, la cantidad de energía producida es pequeña, pero los átomos son muy, muy pequeños. Un gramo (0.035 onzas) de cualquier sustancia contiene más de 1021 (es decir, 1,000,000,000,000,000,000,000) átomos. Incluso teniendo en cuenta que solo una pequeña cantidad de la masa de un átomo se convierte en energía durante una desintegración radiactiva, podemos usar muchos átomos y, por lo tanto, se puede liberar mucha energía.
