Masa atómica

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Masa atómica

Cuando estudiamos química en el instituto, nos dijeron que la masa atómica se mide en umas (unidades de masa atómica) y que corresponde a la doceava parte del peso atómico del carbono 12, es decir, al isótopo del carbono con 6 protones y 6 neutrones. La pregunta que llega ahora es ¿por que no se coge el hidrógeno como uma en vez de la doceava parte del carbono 12?. Como todo en esta vida tiene una explicación sencilla.

Masa atómica

Cualquier cantidad física está representado por un múltiplo de una cantidad de referencia. Así, cuando decimos que una piedra pesa 5 Kg, estamos diciendo que pesa 5 veces lo que pesa el kilo patrón, o que si una cuerda mide 25 metros es que mide 25 veces el metro patrón, y así con todas las magnitudes físicas. Estos patrones están en la Agencia Internacional de Pesas y Medidas de París. Por ejemplo, el kilo patrón corresponde a un cilindro de una aleación de platino-iridio, que se guarda en la agencia desde 1889. Otros patrones no son tan obvios, como es el caso del metro (antiguamente era una barra en forma de X de la misma aleación de platino-iridio), ya que actualmente se toma como la distancia que viaja la luz en el vacío en 1/299792458 segundos.

En el caso de los átomos y moléculas, podríamos utilizar el kilogramo, pero es un número tan pequeño (un átomo de hidrógeno pesa del orden de 10–27 Kg) que no tiene sentido su uso. Para niveles atómicos y moleculares se ha creado la unidad «uma», o «u», o unidad de masa atómica. Así, la masa del carbono corresponde exactamente a 12 umas, mucho más fácil de recordar que 1,992·10–26 Kg. Hay que destacar que el carbono 12 esta formado por 6 protones (1,672 621 777·10−27 Kg), 6 neutrones (1,674 927 29·10−27 Kg) y 6 electrones (de masa despreciable (9,109 382 91·10−31Kg) frente a la de los protones y neutrones), y los dos primeros asumimos que tienen la misma masa. Ahora bien, si la masa del protón y la masa del neutrón sólo se diferencian en un 0,12 %, ¿por que no usamos como referencia al protón del hidrógeno como unidad de masa atómica en lugar de utilizar el isótopo 12 del carbono?.

La respuesta es bien un tanto compleja de explicar. Se debe a lo que en física de partículas se conoce como «defecto de masa«. Si comparamos la masa de un protón y la doceava parte de la masa del carbono 12, es decir 1 uma, vemos que esta última es un 0,89 % inferior. Es decir, hay una perdida o defecto de masa.

Defecto de masa

Este efecto mecano-cuántico se debe a que la suma de la masa de las unidades separadas (protones y neutrones) es mayor que la masa total del núcleo atómico que forman. Esto pasa en todos lo átomos menos en uno, que es justamente el isótopo hidrógeno 1 (que tiene el núcleo formado por un solo protón). y esta es la razón que como unidad de masa atómica no se emplea el hidrógeno (no presenta defecto de masa).

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Relación entre el número másico y la energía

Aunque el defecto de masa pueda parecer pequeño, no lo es tanto si tenemos en cuenta la ecuación de Einstein E=m·c2. Como he comentado al principio. la uma se define como la doceava parte de la masa del átomo de carbono 12 y equivale 1’66.10-27Kg. Substituyendo este valor en la ecuación de Einstein ,tenemos que 1 uma equivale 931,5 MeV.

Si ponemos como ejemplo en Helio, formado por dos protones y dos neutrones, teóricamente un núcleo de helio pesaría: 2 (masa protón) + 2 (masa neutrón) = 2*1,00728 uma + 2*1,00866 uma = 4,03188 uma, pero en realidad pesa 4,00150 uma.

4,03188u > 4,00150u, con un defecto de masa de 0,03038 umas

Esta diferencia de masa es la energía liberada (exotérmica) en el proceso de unir protones y neutrones para formar un núcleo de Helio y esta energía es:

E = (0,03038 u)x(931,5 MeV/u) = 28,30 MeV

Si tenemos en cuenta que 1 MeV son 1,602177·10-19 J, parece que debido al defecto de masa se libera muy poca energía, pero no es tan pequeña (hay que pensar que 28,30 MeV es la energía liberada al unirse 2 neutrones y 2 protones para formar un solo átomo de helio) si la comparamos con la energía que se libera cuando se quema un solo átomo de carbono, que es de unos 4 eV, es una cantidad 50 millones de veces inferior.

Como dato curioso, el defecto de masa de la bomba nuclear de fisión que lanzaron sobre Hiroshima era de 0,68 g de materia que se convirtió en energía.

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