¿Por qué el hierro (Fe) tiene el núcleo más estable? ¿Qué factores dan esta estabilidad? ¿Por qué los elementos con números atómicos 25 o 27 no son más estables que el hierro?

Disculpas por una larga respuesta. No pude dejar de escribir.

Primero algo de terminología. El hierro no es más estable que otros elementos. Los elementos estables son aquellos que no se descomponen radiactivamente. Entonces todos los elementos estables son igualmente estables. Na-24, Fe-56, He-4, son todos estables, e igualmente. Tienen una vida media infinita.

Ahora, cuando se discute la fisión y la fusión, la pregunta es si la energía se libera durante el proceso de división de núcleos o de unirlos (fisión y fusión, respectivamente). Los elementos más livianos que el hierro pueden liberar energía mediante la fusión; Los elementos más pesados ​​que el hierro pueden liberar energía a través de la fisión.

¿Porqué es eso?

Hay dos fuerzas opuestas en el núcleo: nuclear fuerte y eléctrica (técnicamente, la fuerza electro-débil). La fuerza nuclear fuerte mantiene unidos a los nucleones (protones y neutrones); La fuerza eléctrica empuja a los protones lejos uno del otro. La fuerza nuclear es mucho más fuerte, pero es de menor alcance.

A medida que aumenta el número de nucleones, la fuerza nuclear fuerte solo puede atraer nucleones que están cerca uno del otro debido a su corto alcance. Efectivamente, los nucleones en lados opuestos del núcleo no pueden atraerse entre sí ya que están demasiado lejos. (A veces decimos que la fuerza se satura).

A medida que aumenta el número de protones, todos se repelen entre sí, incluso en lados opuestos del núcleo.

Si el número de protones es demasiado grande (mayor que 82, plomo), el gran número de protones que se repelen supera la fuerza nuclear fuerte de corto alcance y el núcleo es inherentemente inestable.

Como señala Daniel, cuando se forma un núcleo combinando protones y neutrones, la masa resultante es menor que la masa de los nucleones individuales.

Es decir, aunque es de esperar que el nitrógeno-14 que tiene 7 protones y 7 neutrones tenga una masa igual a 7 x (masa de protones) más 7 x (masa de neutrones), en realidad es más ligero que eso. Se pierde algo de masa cuando se forma el núcleo. La masa perdida se convierte en energía y se libera. Esto se llama la energía de enlace. Efectivamente, el núcleo se mantiene unido porque no tiene suficiente masa / energía para dividirse en sus neutrones y protones. La energía de enlace es la energía que faltaba cuando se formó el núcleo. También se llama defecto de masa (recuerde que masa y energía son intercambiables a través de E = mc ^ 2).

Los físicos nucleares generalmente hablarán sobre la energía de unión por nucleón (BE / A), es decir, dividan la energía de unión por el número de protones más neutrones. Esto es útil porque le informa sobre la posibilidad de fisión y fusión. Si un núcleo tiene un BE / A más grande que otro núcleo, entonces ha renunciado a la formación de más energía.

Por lo tanto, si toma algunos átomos con un BE / A bajo y los combina para formar un átomo con un BE / A más alto, se libera energía. Esto es fusión.

Si toma un átomo con un BE / A bajo y puede dividirlo en átomos con un BE / A más alto, se libera energía. Esto es fisión.

Cuando calcula la Energía de unión por Nucleón (BE / A) para todas las combinaciones posibles de protones y neutrones, Fe-56 tiene la mayor BE / A. Por lo tanto, no se puede obtener energía dividiendo Fe-56 ni combinando dos Fe-56 juntos.

Alguien con más física que yo probablemente dará una respuesta más técnica. Sin embargo, aquí hay uno más simple. En las estrellas, el hidrógeno se fusiona con el helio. La masa del núcleo de helio (2 protones y dos neutrones) es menor que el total de cuatro protones (el hidrógeno original). La diferencia se libera como energía.
En el otro extremo, la masa de uranio 235 es más alta que las masas de los dos elementos resultantes (además de los 2 neutrones liberados) como resultado de su fisión. La diferencia se libera como energía (energía nuclear, bomba atómica).
No puedes ir cuesta abajo liberando energía en ambas direcciones (fisión y fisión), o simplemente puedes tener un ciclo infinito. Entonces, ¿cómo permiten estos dos procesos la liberación de energía?
El elemento con la menor cantidad de masa por partícula nuclear es el hierro. Por lo tanto, elementos con más o menos
La masa que el hierro puede liberar energía. Sin embargo, la fusión de hierro, o la ruptura de sí mismo requiere energía. Por lo tanto, es el más estable.

¿Por qué la fusión de núcleos más pequeños sin embargo? ¿Y por qué hay tanto helio? ¿Y por qué tiene entonces una caída importante en el litio?