Hablemos sobre la Interacción de Masa y Energía 💣

Es un placer estar nuevamente por acá compartiendo un nuevo tema con esta maravillosa comunidad, en esta ocasión estudiaremos un poco sobre la interacción de masa y energía.

Resulta que como consecuencia de las altas velocidades que adquiere una partícula relativista, el incremento de la energía cinética de la partícula va acompañado del incremento proporcional de su masa relativista. Justo con esto, sabemos que durante el transcurso de diferentes procesos en la naturaleza unos tipos de energía pueden transformarse en otros. Por ejemplo, la energía cinética de las partículas que chocan puede transformarse en energía interna de la partícula que se forma. Por eso, es natural esperar que la masa del cuerpo crecerá no sólo al comunicarle energía cinética, sino que así mismo, con cualquier aumento de la reserva general de la energía del cuerpo, independientemente de a cuenta de qué tipo concreto de energía tiene lugar este aumento.

De lo expuesto anteriormente, Albert Einstein llegó a la siguiente deducción fundamental: la energía total del cuerpo (o del sistema de cuerpos) independientemente de que tipo de energía ella se componga (cinética, eléctrica, química, entre otras) se liga con la masa de este cuerpo por la relación:

Esta fórmula expresa una de las leyes más fundamentales de la naturaleza, o sea, la ley de intercomunicación (de proporcionalidad) de la más m y de la energía total E del cuerpo. Debe quedar claro que la energía total E no se incluye la energía potencial del cuerpo en el campo externo, si tal actúa sobre el cuerpo.

Ahora bien, revisemos un ejemplo práctico. Si la explosión de una tonelada de TNT libera 10 exponente a la 9 calorías; ¿Cuánta masa debe convertirse en energía en una bomba de un megatón?

Primero vamos a extraer los datos del ejemplo

La masa que debe convertirse en energía no es más que la disminución de la masa cuando explota una tonelada de TNT. Partiendo de la fórmula de Einstein se tiene:

Con c la velocidad de la luz. Reemplazando E y c en la ecuación anterior se tiene.

De hecho, según todos los experimentos de importancia que se han llevado a cabo, parece que la expresión de Einstein se cumple para todas las formas de energía y todas las masas. La energía, en cualquier forma tiene masa; la masa dondequiera se encuentre, representa energía. Una partícula tiene cierta masa cuando está en reposo su masa de reposo. Si la ecuación es correcta, entonces la partícula debería tener cierta energía, aun cuando está en reposo, debido a, su masa de reposo. En efecto, esta energía es:

Esta forma de energía, en reposo, es en el presente casi completamente inaccesible en la mayoría de los objetos. Sin embargo, en las explosiones atómicas y otros procesos semejantes, la energía en reposo puede transformarse en otras formas que son “útiles”. Por lo tanto, tales procesos son evidencia experimental de que la energía de reposo si existe.

Parece que la masa y la energía son realmente la misma cosa, pero medidas con cantidades diferentes en unidades diferentes. Por lo tanto, es incorrecto decir que la masa es una forma de energía. “Masa y “Energía” se refieren a la misma realidad llamada a veces masa-energía. Estos dos conceptos centrales de la física del siglo XIX se presentan hoy como objeto básico. Este hecho se llama a veces “la equivalencia de masas y energía”, el mismo funde en una, dos leyes clásicas de la conservación; ya que se conserva tanto la masa como la energía. Como básicamente representan la misma cosa, hablamos entonces de una sola ley de la conservación, la conservación de la masa-energía.

Resnick, R; Halliday, D & Krane, K. (2007). Física volumen 2. México: Grupo Editorial Patria.

Sánchez, E. (2005). Física. Caracas: Ediciones CO-BO.

Zemansky, S. (2009). Física Universitaria Volumen II. México: Pearson Educación.