Energia di legame
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In fisica e in chimica, l'energia di legame è l'energia necessaria per scomporre un oggetto nelle sue parti. Un sistema legato ha un'energia potenziale inferiore a quelle delle parti che lo compongono. Per separare le parti, occorre vincere le forze che le tengono insieme, e tale lavoro richiede energia.
A livello di nucleo atomico, l'energia di legame è data dall'interazione nucleare forte, ed è l'energia per scomporre il nucleo in singoli protoni e neutroni.
A livello di atomo, l'energia di legame è data dall'interazione elettromagnetica, ed è l'energia per scomporre l'atomo in un nucleo e in elettroni separati.
In astrofisica, l'energia di legame gravitazionale di un corpo celeste è l'energia per scomporre il corpo in polvere spaziale.
[modifica] Difetto di massa
La legge di conservazione della massa-energia di Einstein (E = mc²) asserisce che quando un sistema perde energia, la sua massa diminuisce della quantità indicata dalla formula. In sostanza la massa, che è energia estremamente concentrata, scompare quando compare energia e viceversa. In particolare se un corpo assorbe una quantità di energia E la sua massa non si conserva ma aumenta della quantità E/c²; viceversa la massa del corpo diminuisce se perde energia, per esempio emettendo luce. Diventa quindi facile capire come massa ed energia si equivalgano e come esse siano due facce della stessa medaglia.
L'enorme fattore di conversione (c² = 90.000.000.000.000.000) che lega la massa e l'energia spiega come concentrando un grosso quantitativo di energia (= mc²) si possa creare una piccola quantità di materia (massa), e anche come partendo da una piccolissima massa (= E/c²) si possa ottenere un grandissimo quantitativo di energia.
Tale variazione di massa è enormemente piccola per le interazioni gravitazionale ed elettromagnetica, ma è misurabile per l'interazione nucleare forte. La massa di un nucleo (mNUCLEO) è sempre inferiore alla somma delle masse dei suoi protoni e neutroni, rispettivamente in numero pari a Z e N, presi separatamente. In formula: mnucleo < (Z*mprotone) + (N*mneutrone).
Misurando tale differenza di massa, si ricava l'energia di legame nucleare.
Per esempio, consideriamo un deuterone, cioè il nucleo di un atomo di deuterio, composto da un protone e un neutrone. Sperimentalmente si sono misurate le seguenti masse:
- mprotone = 1,007276 u (dove u è l'unità di massa atomica)
- mneutrone = 1,008665 u
- mdeuterone = 2,013553 u
La differenza di massa è 1,007276 + 1,008665 − 2,013553 = 0,002388 u, che è circa lo 0,12 % della massa totale. Tale difetto di massa, moltiplicato per il quadrato della velocità della luce nel vuoto, fornisce l'energia di 2,224 MeV, che è quella liberata nella reazione di fusione nucleare tra un protone e un neutrone.
I nuclei atomici hanno un'energia di legame per nucleone rapidamente crescente al crescere del numero atomico, fino all'atomo di nichel, che è il nucleo più stabile, per poi decrescere lentamente. Pertanto sono esoenergetiche (cioè liberano energia) sia le reazioni di fusione nucleare tra elementi più leggeri del ferro, che le reazioni di fissione nucleare di elementi più pesanti del nichel (che ha numero di massa A = 60).
