6.8 EQUIVALENCIA ENTRE LA MASA Y LA ENERGÍA Y SUS CONSECUENCIAS PRÁCTICAS.

Equivalencia de masa y energía

Estas ideas llevaron a Einstein a proponer una ecuación, la más famosa de todas en la ciencia:

E=mc²

Esto quiere decir que la energía (E) es igual a la masa (m) multiplicada por la velocidad de la luz (c) al cuadrado. La ecuación significa que la energía y la masa son cantidades equivalentes: la masa se transforma en energía, y viceversa, son cantidades directamente proporcionales.

La ecuación está relacionada por la velocidad de la luz (c), la cual representa un número muy grande, casi 300 mil kilómetros por segundo. Eso hace que al multiplicar la masa (m) por la velocidad de la luz (c) elevada al cuadrado, se obtenga como energía una cantidad (E) muy grande.

Por eso es que, una cantidad muy pequeña de masa puede ser convertida en una cantidad enorme de energía. Por ejemplo, 1 gramo de algo se transforma, al multiplicarse por c², en un 9 multiplicado por 10²⁰, es decir un 9 seguido de 20 ceros, como energía expresada en ergs/segundo ó 9x10¹³ joules/segundo, ambas unidades de energía.

Conversión de materia en energía y viceversa

Consecuencias  

La energía está dotada de una especie de inercia, y es equivalente a la materia.

La masa de un cuerpo en movimiento aumenta con la velocidad.

En 1933, en Paris, Irene y Frédérick Joliot-Curie fotografiaron la conversión de materia en energía. Ambos observaron que un quanto de luz, que transporta energía, cambiaba transformándose en dos partículas que curvaban su trayectoria alejándose una de otra. Este efecto ocurre en la naturaleza en ciertas condiciones.

Cuando dos quantos, p.e., dos radiaciones gamma de suficiente energía chocan dan lugar a un par de partículas cargadas, es decir, dos electrones uno con carga negativa (electrón) y otro con carga positiva (positrón). De la misma manera, la interacción de dos pares de partículas electrón-positrón produce un rayo gamma. El electrón es la más fundamental de las llamadas partículas elementales y, el positrón, es su antipartícula. Esta forma de antimateria existe en la naturaleza pero en pequeñas cantidades. Se dice que existe una antisimetría entre materia y antimateria.

El universo actual es un universo dominado por materia, antes estuvo dominado por radiación y hubo un tiempo en que hubo igualdad de materia y radiación. La materia que existe en el universo en mayor proporción se conoce como materia oscura, cuya naturaleza se desconoce, y solamente una mínima parte, apenas el 0.5% del total, es materia visible en forma de galaxias o estrellas.

Sin embargo, la creación de positrones existe en la naturaleza mediante medios artificiales; uno de sus usos es en la medicina nuclear, por ejemplo, la tomografía por emisión de positrones para tratar algunos problemas del cerebro. El fenómeno de creación de pares positrón-electrón se puede apreciar a gran escala en los chorros (jets) energéticos producidos por grandes estructuras y en las explosiones de supernova.

En Cambridge, Inglaterra, fue observado el proceso inverso, la conversión de masa en energía. J. Cockcroft y E.T.S. Walton observaron que un átomo podía fisionarse y la suma de las masas de los fragmentos era menor que la masa total del átomo inicial, la diferencia de masa se había convertido en energía. El descubrimiento de la fisión del uranio mostró con toda claridad cómo la materia se transforma en energía.

Originalmente los núcleos de los átomos pesados, como el uranio, están unidos a través de la llamada fuerza nuclear fuerte. Cuando uno de estos átomos se rompe, vía una reacción nuclear, se producen los fragmentos de fisión, mismos que transportan energía cinética. Al ocurrir la reacción nuclear se libera una gran cantidad de energía correspondiente a la diferencia (o defecto) de masa. Esto se debe a que, originalmente, las partículas nucleares están unidas por una energía de amarre que se libera cuando se rompe al átomo.

El descubrimiento de la fisión del uranio, en los 1930s, condujo al desarrollo de la bomba atómica y su posterior explosión. Cuando 1 átomo de Uranio-325, solo un átomo, se fracciona (fisiona) pierde casi un 0.1 por ciento de su masa. Esa pequeñísima cantidad de masa, sin embargo, es suficiente para producir la enorme cantidad de energía de una bomba atómica.

La fisión es, también, el principio para la utilización del Uranio-235, Uranio-238 y Plutonio-329 como combustible en los reactores nucleares de potencia para producir energía eléctrica. Es decir, este principio se utilizó inicialmente con propósitos político-militares pero también tiene aplicaciones pacíficas importantes. Tal es el caso de la generación de energía en centrales nucleoeléctricas.