Defecto de masa: la masa que falta

Pesa un átomo de helio-4 con mucho cuidado y luego pesa sus partes por separado. Descubrirás que no suman.

Usando masas atómicas, que mantienen los electrones en ambos lados para que se cancelen:

• 2 átomos de hidrógeno-1 (2 protones + 2 electrones): 2 × 1.007825 u = 2.015650 u
• 2 neutrones: 2 × 1.008665 u = 2.017330 u
• Total: 4.032980 u
• Masa medida de un átomo de helio-4: 4.002603 u

La diferencia, 0.030378 u, es el defecto de masa. El núcleo ensamblado es más ligero que las piezas.

¿A dónde fue la masa? La relación de Einstein E = mc² dice que la masa y la energía son dos caras de una misma cosa. Si un sistema libera energía, su masa disminuye en E/c². Cuando dos protones y dos neutrones se unen para formar un núcleo de helio, liberan energía (como rayos gamma y movimiento), y el núcleo resultante pesa menos en esa cantidad.

El factor de conversión es útil de recordar: 1 u de masa corresponde a 931.494 MeV de energía (escrito 931.494 MeV/c²). Por lo tanto,

0.030378 u × 931.494 MeV/u ≈ 28.3 MeV.

Esa es la energía de enlace del helio-4. Es exactamente la energía que habría que aportar para descomponer el núcleo en nucleones libres. Dividido entre 4 nucleones, es 7.07 MeV por nucleón, el número que llamamos B/A. Un B/A más alto significa un núcleo más fuertemente unido.

Comprobación de escala. Un electrónvoltio (eV) es la energía de un electrón a través de un voltio, y un mega electrónvoltio (MeV) es un millón de ellos. En química, quemar un átomo de carbono en oxígeno libera aproximadamente 4 eV. Formar un núcleo de helio-4 libera 28 millones de eV. La energía nuclear por átomo es millones de veces mayor que la energía química por átomo, y ese único hecho es la razón por la que el combustible nuclear es tan concentrado.

En unidades cotidianas, 1 gramo de masa convertido completamente en energía sería aproximadamente 9 × 10¹³ J, suficiente para alimentar un hogar durante unos dos mil años. En la vida real, ningún proceso convierte completamente un gramo de materia, pero muestra lo que significa el factor c².