En
la vida diaria es usual realizar mediciones principalmente de masa, por ejemplo
la mayoría de los productos que se compran
tiene una medición de masa (1 kg de arroz, 900 kg de jabón en polvo), para
preparar un pastel se necesita unidades derivadas de masa. Además también es característico
realizar trabajos, de hecho ir de compras es un trabajo, porque produce un
movimiento.
¿Pero
qué relación tiene la masa y la energía? Si la masa es “Una propiedad
intrínseca de un cuerpo, que mide su inercia” (Gamboa) y la energía “Es
todo aquello que puede originar o dar existencia a un trabajo. Es la capacidad
que posee la materia para producir calor, trabajo en forma de movimiento, luz,
crecimiento biológico” (García, 2008).
Pues para Einstein, si existía una relación la cual tiempo después demostró.
En el siguiente trabajo se realiza una breve síntesis del principio de
equivalencia masa-energía, en el cual se indica las aplicaciones e importancia de
este principio además una demostración para los
docentes de cómo se puede realizar este principio en aula.
Descripción del principio de
equivalencia masa-energía.
Aunque Einstein no fue el
primero en proponer que la masa y la energía podían estar relacionadas,
Einstein si fue el primero en afirmar que esta
equivalencia era una regla general, aplicable a todas las masas y no sólo a
casos especiales, que la energía puede “transportar” inercia, y que la masa
puede “convertirse” en energía.
Imagen 1. Realción masa-energia.
Albert Einstein en 1905 publica un trabajo
llamado “¿Depende la inercia de un
cuerpo de su contenido energético?”.
Einstein concluye que si un cuerpo irradia luz de
energía L, la masa del
cuerpo debe disminuir en L/c2,
proponiendo una forma de verificación utilizando el elemento radiactivo
(Radio). Esta publicación científica fue la que permitió que surgiera la famosa fórmula en la Ciencia, conocida como Principio de
equivalencia entre masa y energía.
Imagen 2. Formula de principio equivalencia masa-energia.
Que dice que la energía es igual a la
masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado.
Esta relación es considerada un Principio porque no
tiene una demostración general y se comprobó que es válida universalmente para
toda forma de energía.
El Principio establece:
1.La energía relativista E representa la energía
total que se podría obtener (en forma de radiación) si lográramos convertir
toda la masa relativista en energía, tal como sucede en el fenómeno conocido
como "aniquilación de pares". Por primera vez se dispone de un
cálculo de energía total válido
para cualquier sistema físico, cuyo valor tiene significado físico. Se
hace notar que las magnitudes tales como Energía interna (Termodinámica),
Energía potencial (Campos conservativos), Energía mecánica (Mecánica clásica),
están definidas a menos de una constante arbitraria y su valor numérico no
tiene significado físico.
2.La energía total de una partícula en reposo, “almacenada” en su masa
propia, está dada por E=m0c2.
Los mecanismos de conversión de masa en energía radiante y
viceversa, fueron estudiados durante la primera mitad del siglo XX,
principalmente con el formalismo de la Teoría Cuántica de Campos (iniciada en
la década del 20), actualmente en desarrollo. El Principio permite dar una definición de masa (relativista) compatible con
partículas no masivas, es decir sin masa propia (fotones), generando una
coherencia lógica, general y sin limitaciones, con la definición de cantidad de
movimiento propuesta (p=mv). Se define
como masa de cualquier
sistema físico, sea puntual o extenso, masivo o no masivo (masa propia
nula), al escalar obtenido del cociente entre la Energía total E del sistema y el cuadrado de la
velocidad de la luz en el vacío. Su
expresión matemática es: m= E/c2 En consecuencia, podemos dar una definición precisa para la cantidad de movimiento, válida para
partículas masivas y no masivas: p = E/c2 v, siendo E la energía total
4. Los
Principios de conservación de la masa y de la energía, que se formularon de
manera independiente para sistemas
aislados, ahora se relacionan en un único Principio pues masa y energía
están relacionadas por el Principio de Equivalencia entre masa y energía.
En consecuencia, el Principio de Equivalencia
podría (y debería) ser formulado de la siguiente manera:
El contenido total de energía de un ente físico
cualquiera es igual a su masa relativista multiplicada por el cuadrado de la
velocidad de la luz
Einstein
descubrió la fórmula E = mc2 porque las matemáticas
le llevaron a ella. Pero no la comprobó
experimentalmente, no fue hasta en 1932 cuando John Cockcroft y Ernest Walton construyeron
el primer acelerador de partículas donde lanzaron protones a altas velocidades
contra átomos de litio y analizaron los resultados de la fisión, Para estos
estudios usaron tecnologías avanzadas que les dieron mediciones precisas.
Imagen 3. Explicación del principio masa-energia.
Aplicaciones e importancia del principio
de equivalencia masa-energía.
Una de los grandes descubrimientos de Einstein fue entender
quela materia y la energía son formas distintas de la misma cosa. La
materia se puede transformar en energía, y la energía en materia.
Es el principio
fundamental en el que se basa la generación de energía por medio de reacciones
nucleares. Cuando un núcleo de Uranio sufre fisión en un reactor nuclear, la
suma de las masas en reposo de los fragmentos resultantes es menor que la masa
en reposo del núcleo original. Se libera una cantidad de energía equivalente al
producto de la disminución de masa por c2. La mayor parte de
esta energía se puede utilizar para
producir vapor de agua y con él mover turbinas para generar energía eléctrica
(Young, 2009).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.
Según
Di Pelino (2009), la fisión nuclear es otra importante fuente de energía
eléctrica en el mundo, sobre todo en los países muy avanzados tecnológicamente.
Fue descubierta a fines de la primera mitad del siglo XX, como consecuencia de
profundos estudios teóricos basados en la compleja teoría de la mecánica
cuántica, que explica la naturaleza íntima de la materia y la energía. Es un
fenómeno absolutamente distinto al de la combustión, porque en la fisión es la
materia misma la que se transforma -en ínfimas cantidades- directamente en
energía, tal como lo establece la teoría de la relatividad con su famosa
ecuación E = mc2 , donde E es la energía que puede producirse con
una masa m de materia, y c la velocidad de la luz. En su uso bélico, el ritmo
de la fisión no se controla para que todo el material se desintegre instantáneamente
a fin de que el daño sea máximo. Es lo aplicado en las bombas atómicas que
destruyeron las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki en 1.945, dando
término a la segunda guerra mundial de manera tan trágica como innecesaria.
Como docentes se debe de buscar técnicas y estrategias
que permitan explicar el principio de equivalencia masa energía de una forma
clara, práctica para que el estudiantado
logre asimilarlo de la mejor forma.
Con ayuda de la teoría de la
relatividad, Einstein formuló que existía una relación entre la masa, la
energía y la velocidad, lo anterior al determinar que un objeto que viaja a la
velocidad de la luz (o cercana), presenta un aumento de su masa, además de
requerir más energía para su propulsión.
Con ayuda del principio de
equivalencia de masa-energía, se ha logrado un mayor aprovechamiento de la
materia en la producción de energía, claro ejemplo lo representa el uso de la
fisión nuclear, para la producción de electricidad en las centrales nucleares,
y más recientemente el uso de la fisión nuclear en la búsqueda de energías más
limpias y de mayor potencial.
Einstein
afirmaba que la energía puede convertirse en materia y la materia en energía. El principio de equivalencia masa energía, es importante
porque mediante éste es posible la obtención de energía nuclear, la cual es
importante para la tecnología actual.
El
principio de equivalencia masa-energía ha tenido aplicaciones en la química
nuclearutilizando átomos radiactivos
(fisión y fusión nuclear). Sin embargotambién ha permitido que se fabriquen armas nucleares que causan gran
cantidad de muertes y guerras a diferentes países del mundo.
El
principio de equivalencia masa-energía propone que la masa de un cuerpo por la
velocidad de la luz al cuadrado es exactamente igual a la energía que tiene ese
objeto. Según este principio si la masa cambia es porque existe una energía que
actúa sobre ella.
El tema de la equivalencia
de masa-energía debe ser presentado en el salón de clases a través de una
metodología que le permita al alumno no solo comprender la ecuación que formula
Einstein para la energía total, sino el desarrollo de competencias, analizando
el por qué se presentan ciertos fenómenos y procesos y, cómo pueden ser
aplicados a la vida cotidiana.
Entre las
aplicaciones del principio de equivalencia masa- energía, este ha permitido
desarrollar nuevas fuentes de energía que producen cantidades grandes de
energía y a su vez disminuyen la contaminación.
Relación masa energía (12 agosto 2018). Dicha ecuación fue fundamental en el desarrollo de la bomba atómica.
Recuperado de
http://termodinaamik.blogspot.com/2008/08/dicha-ecuacin-fue-fundamental-en-el.html
Young, H. &
Freedman, R. (2009). Física Universitaria
con Física Moderna. México: Pearson Education.
