Hoy conocemos los núcleos presentes en el Universo.  La Astrofísica nuclear es una rama relativamente joven de la física entre cuyos objetivos destaca la descripción de las reacciones mediante las cuales tiene lugar la generación de energías y la síntesis de elementos químicos en el Universo. Se trata, por tanto, de un campo multidisciplinar que combina las observaciones astronómicas, con el análisis de la composición de meteoritos, la modelización astrofísica y la física nuclear tanto experimental como teórica.

                                                                                                     Fred Hoyle

En 1957, E.M. Burbidge, W.A. Fowler and F. Hoyle y de manera independiente A.G.W. Cameron publicaron sendos artículos clave, donde definen los principales procesos que explican la transformación de unos núcleos en otros, asentados en base de la Astrofísica nuclear.

A lo largo de la segunda mitad del siglo XX, la Astrofísica nuclear ha conseguido importantes logros que sin duda están íntimamente conectados al impresionante avance experimentado por las técnicas instrumentales y de medidas asociadas y por la capacidad de cálculo.

                                               

La nucleosíntesis es el proceso por el que las reacciones nucleares transforman unos elementos químicos en otros. El elemento más sencillo es el hidrógeno, cuyo núcleo atómico consta normalmente de un solo protón. El número de protones determina la naturaleza del elemento químico.

Los diferentes procesos de nucleosíntesis que tienen lugar durante la vida de una estrella dan lugar a la creación de nuevos elementos químicos que son expulsados al medio interestelar. Estos elementos pasan a formar parte de una nueva generación de estrellas, y pueden ser detectados mediante estudios espectroscópicos. La mejora de las técnicas utilizadas en la instrumentación observacional y de los métodos de detección espectroscópicos, la construcción de grandes telescopios como el VLT y el Keck a los que pronto se añadirá el Gran TeCan, y la posibilidad de hacer observaciones desde el espacio sin la interferencia de la atmósfera terrestre (Telescopio Hubble, Chandra, XMM Newton e Integral), ha permitido obtener toda una nueva visión del universo que nos rodea.

Decaimiento β^– de un núcleo. Se observa como uno de los neutrones se transforma en un protón emitiendo un electrón (β^–) y un anti-neutrino electrónico.

En algunos casos se miden reacciones inducidas por núcleos estables y energías próximas a las que se dan en las estrellas, con secciones eficaces muy pequeñas, que necesitan el uso de instalaciones subterráneas capaces de blindar los equipos de detección a la radiación de origen cósmico. En otros casos, se estudian reacciones inducidas por núcleos inestables (también llamados núcleos exóticos), con una vida media muy corta, y difíciles de sintetizar en el laboratorio con la tecnología actual.

No obstante, en las últimas décadas, numerosas instalaciones de haces de núcleos exóticos (Louvain la Neuve, GANIL, GSI, ISOLDE) han desarrollado programas experimentales en los que se han determinado las propiedades fundamentales (masas y vidas medias) y propiedades de la estructura de núcleos claves en reacciones de interés Astrofísico. Igualmente se han medido un número importante de secciones eficaces asociadas a los diferentes procesos de nucleosíntesis. Por otro lado, la construcción de instalaciones de tiempo de vuelo de neutrones (n_ToF arroba CERN) ha permitido el desarrollo de programas dedicados al estudio de la captura neutrónica. Así mismo, las nuevas instalaciones que se construirán en los próximos años (FAIR, SPIRAL 2) incluyen en sus programas científicos el estudio de reacciones nucleares de interés astrofísico.

En la mayor parte de los Modelos Astrofísicos la Física Nuclear Teórica es necesaria para convertir un texto experimental en el ritmo de reacción que es necesario en la aplicación astrofísica concreta. Ahora mismo nos encontramos al comienzo de una nueva era de desarrollo de modelos teóricos basados en primeros principios (ab-anitio). Esto permitirá reducir las incertidumbres asociadas con extrapolaciones a regiones de la carta de núcleos que no han sido exploradas experimentalmente, pero que son relevantes para diferentes procesos astrofísicos como es el caso de núcleos muy ricos en neutrones para el proceso r.

De forma complementaria, se han producido grandes avances en la modelización astrofísica de las diferentes etapas de evolución estelar. Los desafíos actuales se centran en la realización de simulaciones en tres dimensiones espaciales de los diferentes fenómenos astrofísicos y en particular de las espectaculares explosiones de supernovas tanto termonucleares como debidas al colapso gravitatorio.

Físicos en el Laboratorio Nacional Argonne en Chicago han utilizado el superordenador IBM Blue Gene/P para modelar la extrema física de una explosión de supernova. La visualización de arriba del superordenador del Laboratorio Nacional de Argonne logró mostrar el mecanismo de la muerte violenta de una estrella masiva, después de una corta vida. La imagen muestro en colores los valores de energía en el núcleo de la supernova. Se asignaron diferentes colores y transparencias a diferentes valores de enstrofía. Ajustando selectivamente el color y la transparencia, los científicos pueden “pelar” las capas externas y ver lo que está sucediendo en el interior de la estrella.

                           Arriba, varias visualizaciones de la combustión nuclear en una supernova.

El Modelo cosmológico del Big Bang parte de la hipótesis de que nuestro Universo actual es el resultado de la expansión desde un estado inicial extremadamente denso y caliente. Al expandirse la temperatura decrece, lo que permite la formación de neutrones y protones a partir de una “sopa” inicial de Gluones y Quarks. En este momento comienza la época de nucleosíntesis primordial que dura aproximadamente 3 minutos. Debido a la gran cantidad de fotones presentes (altas temperaturas), la rápida expansión y al hecho de que no existen núcleos estables con un número de nucleones (protones y neutrones) igual a 5 y 8, los únicos elementos producidos son principalmente Hidrógeno y Helio (³He y ⁴He) con abundancias residuales de Deuterio y Litio (⁶Li y ⁷Li).

Las predicciones para las abundancias de elementos producidas durante el Big Bang están de acuerdo con las observaciones con las abundancias de Deuterio y Helio (⁴He), para un valor de la razón de fotones a bariones que es consistente con las observaciones recientes del fondo de microondas. Es importante resaltar que (BBN), es decir, es la época de la nucleosíntesis primordial, la que nos permite “observar” el universo cuando éste tenía sólo unos pocos minutos de edad, mientras que el fondo de microondas corresponde a una edad de unos 300 mil años. A pesar del buen acuerdo en la predicción de los elementos más ligeros, la teoría predice una abundancia de Litio (⁷Li) superior en un facto 2-3 a la observada. Este hecho ha desencadenado toda una serie de estudios observacionales con el objetivo de determinar las abundancias primordiales de ⁶Li y ⁷Li junto con nuevas medidas experimentales de las reacciones ⁷Be (d.p)2α u d(α, γ)⁶Li.

                                                                             Evolución de las estrellas

Dado que en el Big Bang solamente se produjo hidrógeno y helio, el resto de los elementos tienen que sintetizarse en otro lugar. Actualmente, está bien establecido que la producción de elementos ligeros ocurre mediante las reacciones de fusión que tienen lugar en el interior de las estrellas. La secuencia está reflejada en el gráfico abajo.

                            Procesos Nucleares y Nucleosíntesis durante la Combustión Hidrostática.

Las estrellas se forman a partir de la contracción de grandes nubes moleculares por su propia gravedad, Estas nubes están constituidas principalmente de hidrógeno y helio, junto con pequeñas trazas de otros elementos más pesados que en la astrofísica se denominan metales y que han sido formados en anteriores explosiones de supernova.

Podemos decir que una estrella nace en el momento en el que la temperatura en su centro es lo suficientemente elevada para desencadenar los primeros procesos de combustión nuclear. Una estrella se puede definir como una esfera de gas auto-luminosa. Dado que el Sol es la estrella que mejor conocemos es conveniente tomarlo como referencia a la hora de definir propiedades estelares. El Sol posee un radio de unos 700 mil kilómetros, lo que equivale a 109 veces el radio de la Tierra. Su masa es 330 mil veces la masa de la Tierra. La temperatura en su superficie es de 6000 grados, mientras que en el centro es de 15 millones de grados. Allí la densidad es de 160 veces la densidad del agua. El Sol emite cada segundo la misma energía que consumiríamos en la Tierra durante 4 millones de años al ritmo actual de consumo de energía.

Dado que cuando nacen las estrellas están constituidas principalmente por hidrógeno, un mecanismo natural para explicar la generación de energía es la fusión de 4 núcleos de Hidrógeno (protones) para dar un núcleo de Helio (partícula alfa, α) Hans Bethe propuso una explicación a este proceso en 1939, al sugerir la existencia de dos posibles mecanismos hoy denominados cadena pp y ciclo CON. El resultado neto de ambos procesos es la conversión de cuatro protones en un núcleo de Helio que puede escribirse de manera simbólica por la relación

4¹H → ⁴H + 2e⁺+ 2ѵe + energía,

En la que además de un núcleo de Helio (³He, partícula α) se producen dos positrones (e+) y dos neutrinos electrónicos (ѵe). La energía librada en el proceso equivale a un 0,7% de la masa inicial de los cuatro núcleos de hidrógeno. La diferencia de masa se convierte en energía. Para poder mantener su ritmo de emisión de energía, el Sol necesita convertir 600 millones de toneladas de Hidrógeno en 596 millones de toneladas de Helio cada segundo, lo que significa que el Sol continuará quemando Hidrógeno a este ritmo durante los próximos 5.000 millones de años (más o menos).

                                                    Gigante roja primero y enana blanca después

Cuando llegue el momento en que el Sol consuma su combustible nuclear, todos sabemos bien que se convertirá primera en gigante roja y más tarde, expulsando materia que formará una Nebulosa Planetaria, quedará como enana blanca.

Conforme la temperatura en el centro de la estrella aumenta llega un momento en que la combustión del Helio comienza a ser posible. Podría pensarse que la combustión del Helio procede mediante la fusión de dos núcleos de Helio para dar un núcleo de ⁸Be. Sin embargo, eso no es posible dado que el ⁸Be no es estable y se desintegra nada más formarse. No obstante, su tiempo de vida es lo suficientemente largo (10⁻¹⁶ segundos) como para capturar otro núcleo de Helio y dar lugar a ¹²C mediante el proceso que es comúnmente conocido como “reacción triple alfa”.

Parte del Carbono formado reacciona con los núcleos de Helio presentes y produce Oxígeno mediante la reacción ¹²C(α, γ)¹⁶O. Esta última reacción es probablemente la más importante en astrofísica nuclear dado que su ritmo determina la proporción de Carbono y Oxígeno resultante de la combustión de Helio. Esta proporción tiene importantes consecuencias en la determinación de la composición de las enanas blancas y la evolución con masas mayores de 8 masas solares.

La reacción triple alfa ha sido objeto de un estudio experimental reciente donde los estados relevantes del ¹²C han sido poblados mediante las desintegraciones beta del ¹²N y ¹²B. El mismo equipo experimental ha completado el estudio anterior mediante la reacción ¹⁰B(³He, pααα). Este último experimento se ha realizado en el recientemente inaugurado acelerador Tanden del Centro de Micro-análisis de Materiales de la Universidad Autónoma de Madrid.

Las etapas siguientes de la vida de una estrella dependen de su masa. Estrellas con masas menores a aproximadamente 8 masas solares no alcanzan en su centro la temperatura suficiente para iniciar la combustión del Carbono. Estas estrellas finalizan sus vidas expulsando sus capas exteriores, dando así lugar a la formación de una Nebulosa Planetaria que contiene, aproximadamente, la mitad de la masa inicial de la estrella.

 

En el centro de la Nebulosa queda una pequeña estrella que se contrae más y más hasta originar una enana blanca. En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostró la existencia de un valor máximo para la masa de una enana blanca, conocido como masa límite de Chandrasekhar. Una estrella con una masa mayor (~ 1,44 masas solares) no es estable y colapsa.

Las estrellas con masas mayores de 8 masas solares pasan por sucesivas etapas de combustión y contracción quemando cada vez elementos más pesados. Las diferentes etapas de combustión son: combustión de Carbono, Neón, Oxígeno, y finalmente Silicio. Cada uno de estos procesos de combustión ocurre a temperaturas cada vez más elevadas como se ha podido comprobar en presencia de grandes densidades y temperaturas en el centro de la estrella de 25 masas solares durante sus diferentes etapas de combustión nuclear.

emilio silvera

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El núcleo atómico está formado por los nucleones formados por tripletes de Quarks allí confinados por la fuerza nuclear fuerte y sujeto por los Bosones llamados Gluones. El núcleo atómico contiene más del 99% de la masa del átomo.

Entre 1.906 y 1.908 (hace ahora un siglo) Rutherford realizó constantes experimentos disparando partículas alfa contra una lámina sutil de metal (como oro o platino), para analizar sus átomos.  La mayor parte de los proyectiles atravesaron la barrera sin desviarse (como balas a través de las hojas de un árbol).  Pero no todos.  En la placa fotográfica que le sirvió de blanco tras el metal, Rutherford descubrió varios impactos dispersos e insospechados alrededor del punto central. Comprobó que algunas partículas habían rebotado.  Era como si en vez de atravesar las hojas, algunos proyectiles hubiesen chocado contra algo más sólido.

Rutherford supuso que aquellas “balas” habían chocado contra una especie de núcleo denso, que ocupaba sólo una parte mínima del volumen atómico y ese núcleo de intensa densidad, desviaban los proyectiles que acertaban a chocar contra él.  Ello ocurría en muy raras ocasiones, lo cual demostraba que los núcleos atómicos debían ser realmente ínfimos, porque un proyectil había de encontrar por fuerza muchos millones de átomos al atravesar la lámina metálica.

Era lógico suponer, pues, que los protones constituían ese núcleo duro.  Rutherford representó los protones atómicos como elementos apiñados alrededor de un minúsculo “núcleo atómico” que servía de centro (después de todo eso, hemos podido saber que el diámetro de ese núcleo equivale a algo más de una cienmilésima del volumen total del átomo.)

En 1.908 se concedió a Rutherfor el premio Nóbel de Química, por su extraordinaria labor de investigación sobre la naturaleza de la materia.  El fue el responsable de importantes descubrimientos que permitieron conocer la estructura de los átomos en esa primera avanzadilla.

Desde entonces se pueden descubrir con términos más concretos los átomos específicos y sus diversos comportamientos.  Por ejemplo, el átomo de hidrógeno posee un solo electrón.  Si se elimina, el protón restante se asocia inmediatamente a alguna molécula vecina; y cuando el núcleo desnudo de hidrógeno no encuentra por este medio un electrón que participe, actúa como un protón -es decir, una partícula subatómica-, lo cual le permite penetrar en la materia y reaccionar con otros núcleos si conserva la suficiente energía.

El helio, que posee dos electrones, no cede uno con tanta facilidad.  Sus dos electrones forman un caparazón hermético, por lo cual el átomo es inerte.  No obstante, si se despoja al helio de ambos electrones, se convierte en una partícula alfa, es decir, una partícula subatómica portadora de dos unidades de carga positiva.

Hay un tercer elemento, el litio, cuyo átomo tiene tres electrones.  Si se despoja de uno o dos, se transforma en ion.  Y si pierde los tres, queda reducida a un núcleo desnudo, con una carga positiva de tres unidades.

Las unidades de una carga positiva en el núcleo atómico deben ser numéricamente idéntica a los electrones que contiene como norma, pues el átomo suele ser un cuerpo neutro y esta igualdad de lo positivo con lo negativo, es el equilibrio.  Y, de hecho, los números atómicos de sus elementos se basan en sus unidades de carga positiva, no en las de carga negativa, porque resulta fácil hacer variar el número de electrones atómicos dentro de la formación iónica, pero, en cambio, se encuentran grandes dificultades si se desea alterar el número de sus protones.

Apenas esbozado este esquema de la construcción atómica, surgieron nuevos enigmas.   El número de unidades con carga positiva en un núcleo no equilibró, en ningún caso, el peso nuclear ni la masa, exceptuando el caso del átomo de hidrógeno.  Para citar un ejemplo, se averiguó que el núcleo de helio tenía una carga positiva dos veces mayor que la del núcleo de hidrógeno; pero, como ya se sabía, su masa era cuatro veces mayor que la de este último.  Y la situación empeoró progresivamente a medida que se descendía por la tabla de elementos, e incluso cuando se alcanzó el uranio, se encontró un núcleo con una masa igual a 238 protones, pero una carga que equivalía sólo a 92.

¿Cómo era posible que un núcleo que contenía cuatro protones (según se suponía del núcleo de helio) tuviera sólo dos unidades de carga positiva? Según la más simple y primera conjetura emitida, la presencia en el núcleo de partículas cargadas negativamente y con peso despreciable, neutralizaba dos unidades de su carga.  Como es natural, se pensó también –en el electrón-.  Se podría componer el rompecabezas si se suponía que el núcleo de helio estaba integrado por cuatro protones y dos electrones neutralizadores, lo cual deja libre una carga positiva neta de dos, y así sucesivamente, hasta llegar al uranio, cuyo núcleo tendría, pues, 238 protones y 146 electrones, con 92 unidades libres de carga positiva.

El hecho de que los núcleos radiactivos emitieran electrones (según se había comprobado ya, por ejemplo, en el caso de las partículas beta) reforzó esta idea general.

Dicha teoría prevaleció durante más de una década, hasta que, por caminos indirectos, llegó una respuesta mejor, como resultado de otras investigaciones.

Pero entretanto se había presentado algunas objeciones rigurosas contra dicha hipótesis.  Por lo pronto, si el núcleo estaba constituido esencialmente de protones, mientras que los ligeros electrones no aportaban prácticamente ninguna contribución a la masa, ¿Cómo se explicaba que las masas relativas de varios núcleos no estuvieran representadas por números enteros? Según los pesos atómicos conocidos, el núcleo del átomo cloro, por ejemplo, tenía una masa 35’5 veces mayor que la del núcleo del hidrógeno. ¿Acaso significaba esto que contenía 35’5 protones? Ningún científico (ni entonces ni ahora) podía aceptar la existencia de medio protón.

Este singular interrogante encontró una respuesta incluso antes de solventar el problema principal.  Y ello dio lugar a una interesante historia.

ÍSOTOPOS

Construcción de bloques uniformes

Allá por 1.816, el físico inglés William Prout había insinuado ya que el átomo de hidrógeno debía de entrar en la constitución de todos los átomos.  Con el tiempo se fueron desvelando los pesos atómicos, y la teoría de Prout quedó arrinconada, pues se comprobó que muchos elementos tenían pesos fraccionarios (para lo cual se tomó el oxígeno, tipificado a 16).  El cloro (según dije antes) tiene un peso atómico aproximado de 35’5, o para ser exactos, de 35’457.  Otros ejemplos son el antimonio, con un peso atómico de 121’75; el bario, con 127’34; el boro, con 10’811, y el cadmio, con 112’40.

Hacia principios de siglo se hizo una serie de observaciones desconcertantes, que condujeron al esclarecimiento.  El inglés William Crookes (el del “tubo Crookes) logró disociar del uranio una sustancia cuya ínfima cantidad resultó ser mucho más radiactiva que el propio uranio.  Apoyándose en su experimento, afirmó que el uranio no tenía radiactividad, y que esta procedía exclusivamente de dicha impureza, que él denomino “uranio X”.  Por otra parte, Henri Becquerel descubrió que el uranio purificado y ligeramente radiactivo adquiría mayor radiactividad con el tiempo, por causas desconocidas.  Si se dejan reposar durante algún tiempo, se podía extraer de él repetidas veces uranio activo X. Para decirlo de otra manera: por su propia radiactividad, el uranio se convertía en el uranio X, más activo aún.

Por entonces, ivo, y cRutherfor, a su vez, separó del torio un “torio X” muy radiante comprobó también que el torio seguía produciendo más torio X. Hacia aquellas fechas se sabía ya que el más famoso de los elementos radiactivos, el radio, emitía un gas radiactivo, denominado radón.  Por tanto, Rutherford y su ayudante, el químico Frederick Soddy, dedujeron que, durante la emisión de sus partículas, los átomos radiactivos de transformaban en otras variedades de átomos radiactivos.

                                                                                                                           Actinio C

Varios químicos, que investigaron tales transformaciones, lograron obtener un surtido muy variado de nuevas sustancias, a los que dieron nombres tales como radio A, radio B, mesotorio I, mesotorio II y Actinio C.  Luego los agruparon todos en tres series, de acuerdo con sus historiales atómicos. Una serie de originó del uranio disociado; otra, del torio, y la tercera, del actinio (si bien más tarde se encontró un predecesor del actinio, llamado “protactinio”).

En total se identificaron unos cuarenta miembros de esas series, y cada uno se distinguió por su peculiar esquema de radiación.  Pero los productos finales de las tres series fueron idénticos: en último término, todas las cadenas de sustancias conducían al mismo elemento, estable: PLOMO.

El isótopo más común del uranio es el 238, en que los 92 protones van acompañados por  el germanio (32), el estaño (50) y el plomo (82).

Ahora bien, esas cuarenta sustancias no podían ser, sin excepción, elementos disociados, entre el uranio (92) y el plomo (82) había sólo diez lugares en la tabla periódica, y todos ellos, salvo dos, pertenecían a elementos conocidos.

En realidad, los químicos descubrieron que aunque las sustancias diferían entre sí por su radiactividad, algunas tenían propiedades químicas idénticas.  Por ejemplo, ya en 1.907, los químicos americanos Herbert Newby Mc Coy y W.H. Ross descubrieron que el “radio-torio” (uno entre los varios productos de la desintegración del torio) mostraba el mismo comportamiento químico que el torio, y el “radio D”, el mismo que el del plomo; tanto, que era llamado a veces “radio plomo”.  De todo lo cual se infirió que tales sustancias eran en realidad variedades del mismo elemento: el radio-torio, una forma de torio; el radio-plomo, un miembro de una familia de plomos, y así sucesivamente.

En 1.913, Soddy esclareció esa idea y le dio más amplitud.  Demostró que cuándo un átomo emitía una partícula alfa, se transformaba en un elemento que ocupaba dos lugares más abajo en la lista de elementos, y que cuando emitía una partícula beta, ocupaba, después de su transformación, el lugar inmediatamente superior.  Con arreglo a tal norma, el “radio-torio” descendería en la tabla hasta el lugar del torio, y lo mismo ocurría con las sustancias denominadas “uranio X” y “uranio Y”, es decir, que los tres serían variedades del elemento 90.  Así mismo, el “radio D”, el “radio B” el “torio B” y el “actinio B” compartirían el lugar del plomo como variedades del elemento 82.

Soddy dio el nombre de “isótopos” (del griego iso y topos, “el mismo lugar”) a todos los miembros de una familia de sustancias que ocupaban el mismo lugar en la tabla periódica.  En 1.921 se le concedió el premio Nóbel de Química.

El modelo protón-electrón del núcleo concordó perfectamente con la teoría de Soddy sobre los isótopos. Al retirar una partícula de dicho núcleo, exactamente lo que necesitaba para bajar dos lugares en la tabla periódica.  Por otra parte, cuando el núcleo expulsaba un electrón (partícula beta), quedaba sin neutralizar un protón adicional, y ello incrementaba en una unidad la carga positiva del núcleo, lo cual era como agregar una unidad al número atómico, y, por tanto, el elemento pasaba a ocupar la posición inmediatamente superior en la tabla periódica de elementos.

¿Cómo se explica que cuando el torio se descompone en “radio-torio” después de sufrir no una, sino tres desintegraciones, el producto siga siendo torio?  Pues bien, en este proceso el átomo de torio pierde una partícula alfa, luego una partícula beta y, más tarde, una segunda partícula beta.  Si aceptamos la teoría sobre el bloque constitutivo de los protones, ello significa que el átomo ha perdido cuatro electrones (dos de ellos, contenidos presuntamente en la partícula alfa) y cuatro protones.  (La situación actual difiere bastante de este cuadro, aunque, en cierto modo, esto no afecta al resultado.)

El núcleo de torio constaba inicialmente (según se suponía) de 232 protones y 142 electrones.  Al haber perdido cuatro protones y otros cuatro electrones, quedaba reducido a 228 protones y 138 electrones.  No obstante, conservaba todavía y el número atómico 90, es decir, el mismo antes.

Así, pues, el “radio-torio”, a semejanza del torio, posee 90 electrones planetarios, que giran alrededor del núcleo.  Puesto que las propiedades químicas de átomo están sujetas al número de sus electrones planetarios, el torio y el “radio-torio” tienen el mismo comportamiento químico, sea cual fuere su diferencia en peso atómico (232 y 228, respectivamente).

Los isótopos de un elemento se identifican por su peso atómico, o “número másico”.  Así, el torio corriente se denomina torio 232, y el “radio-torio”, torio 228.  Los isótopos radiactivos del plomo se distinguen también por estas denominaciones:

Plomo 210 – Plomo 214-Plomo 212 y Plomo 211

“radio D” – “radio B” – “Torio B” y “Actinio B”

Se descubrió que la noción de isótopos podía aplicarse indistintamente tanto a los elementos estables como a los radiactivos.  Por ejemplo, se comprobó que las tres series radiactivas anteriormente mencionadas terminaban en tres formas distintas de plomo.  La serie del uranio acababa en plomo 206; la del torio, en el plomo 208, y la del actinio, en el plomo 207.  Cada uno de estos era un isótopo estable y “corriente” del plomo, pero los tres plomos diferían por su peso atómico.

La materia tiene muchos secretos que están por desvelar, y, no dejamos de investigar para poder llegar a las respuestas planteadas que, de momento, no han tenido contestación.

emilio silvera

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Un isótopo estable es un nucleido que no es radiactivo (a diferencia de los radionucleidos), por lo que no experimenta de forma espontánea decaimiento radiactivo. Un elemento químico tiene uno o varios isótopos, de los cuales todos, algunos o ninguno, pueden ser estables. Los isótopos que no son estables (radioisótopos), a diferencia de los estables, se desintegran para dar lugar a otros nucleidos emitiendo partículas o radiación electromagnética.

Se conocen 2.500 nucleidos, de los cuales son estables menos de 300. La representación del número de neutrones (N) frente al número de protones (número atómico, Z) indicándose los isótopos estables se denomina carta de Sagre‘. Un ejemplo que podemos pomer es que el Tecnecio no tiene ningún isótopo estable, mientras que el estaño tiene diez isótopos estables.

Francis William Aston y el esquema de su invento

Mediante un dispositivo inventado por cierto ayudante de J.J. Thomson, llamado Francis William Aston, se demostró la existencia de los isótopos estables. En 1.919, Thomson, empleando la versión primitiva de aquel artilugio, demostró que el neón estaba constituido por dos variedades de átomos: una cuyo número de masa era 20, y otra, 22.  El neón 20 era el isótopo común; el neón 22 lo acompañaba en la proporción de un átomo por cada diez.  (Mas tarde se descubrió un tercer isótopo, el neón 21, cuyo porcentaje en el neón atmosférico era de un átomo por cada 400.)

Entonces fue posible, al fin, razonar el peso atómico fraccionario de los elementos.  El peso atómico del neón (20, 183) representaba el peso conjunto de los tres isótopos, de pesos diferentes, que integraban, el elemento en su estado natural.  Cada átomo individual tenía un número másico entero, pero el promedio de sus masas –el peso atómico- era un número fraccionario.

Aston procedió a mostrar que varios elementos estables comunes eran, en realidad, mezclas de isótopos.  Descubrió que el cloro, con un peso atómico fraccionario de 35’453, estaba constituido por el cloro 35 y el cloro 37, en la “proporción” de cuatro a uno.  En 1.922 se le otorgó el premio Nóbel de Química.

El Uranio 235 es combustible nuclear, el uranio 238 no lo es. Sin embargo, si ponemos uranio 238 en la base de un reactor generador y lo bombardeamos con neutrones lentos del uranio 235, el resultado será que se convierte en Plutonio 239 que sí es válido como combustible nuclear. El Uranio 235 solo supone el 7 por mil del Uranio de la Tierra, el resto es uranio 238.

En el discurso pronunciado al recibir el premio, Aston predijo la posibilidad de aprovechar la energía almacenada en el núcleo atómico, vislumbrando ya las futuras y nefastas bombas y centrales nucleares.  Allá por 1.935, el físico canadiense Arthur Jeffrey Dempster empleó el instrumento de Aston para avanzar sensiblemente en esa dirección.  Demostró que, si bien 993 de cada 1.000 átomos de uranio grande uranio 238 (no válido para combustible nuclear), los siete restantes eran uranio 235 (buen combustible nuclear).  Y, muy pronto se haría evidente el profundo significado de tal descubrimiento.

Así, después de esta siguiendo huellas falsas durante un siglo, se reivindicó definitivamente la teoría de Prout.  Los elementes estaban constituidos por bloques estructurales uniformes; si no átomos de hidrógeno, sí, por lo menos, unidades con masa de hidrógeno.

¿Qué no será capaz de inventar el hombre para descubrir los misterios de la naturaleza?

Ha pasado mucho tiempo desde que Rutherford identificara la primera partícula nuclear (la partícula alfa).  El camino ha sido largo y muy duro, con muchos intentos fallidos antes de ir consiguiendo los triunfos (los únicos que suenan), y muchos han sido los nombres que contribuyeron para conseguir llegar al conocimiento del átomo y del núcleo actual: Los electrones circulando alrededor del núcleo, en sus distintos niveles, con un núcleo compuesto de protones y neutrones que, a su vez, son constituidos por los quarks allí confinados por los gluones, las partículas mediadoras de la fuerza nuclear fuente.

Pero ¿Qué habrá más allá de los quarks?

¿Las supercuerdas vibrantes?

¡Algún día se sabrá!

Partículas

El Universo de las partículas es fascinante.  Cuando las partículas primarias chocan con átomos y moléculas en el aire, aplastan sus núcleos y producen toda clase de partículas secundaria.  En esta radiación secundaria (aún muy energética) la que detectamos cerca de la Tierra, por los globos enviados a la atmósfera superior han registrado la radiación primaria.

El físico estadounidense Robert Andrews Millikan, que recogió una gran cantidad de información acerca de esta radiación (y que le dio el nombre de rayos cósmicos), decidió que debería haber una clase de radiación electromagnética.  Su poder de penetración era tal que, parte del mismo, atravesaba muchos centímetros de plomo.  Para Millikan, esto sugería que la radiación se parecía a la de los penetrantes rayos gamma, pero con la longitud de onda más corta.

Los rayos cósmicos que consiguen llegar a la superficie del planeta tienen consecuencia para nosotros

Otros, sobre todo el físico norteamericano Holly Compton, no estaban de acuerdo en que los rayos cósmicos fuesen partículas.  Había un medio para investigar este asunto.  Si se trataba de partículas cargadas, deberían ser rechazadas por el campo magnético de la Tierra al aproximarse a nuestro planeta desde el espacio exterior.  Compton estudió las mediciones de la radiación cósmica en varias latitudes y descubrió que en realidad se curvaban con el campo magnético: era más débil cerca del ecuador magnético y más fuerte cerca de los polos, donde las líneas de fuerza magnética se hundían más en la Tierra.

Las partículas cósmicas primarias, cuando entran en nuestra atmósfera llevan consigo unas energías fantásticas, muy elevadas.  En general, cuanto más pesado es el núcleo, más raro resulta entre las partículas cósmicas.  Núcleos tan complejos como los que forman los átomos de hierro se detectaron con rapidez, en 1.968, otros núcleos tan complejos como los del uranio.  Los núcleos de uranio constituyen sólo una partícula entre 10 millones. También se incluirán aquí electrones de muy elevada energía.

Ahora bien, la siguiente partícula inédita –después del neutrón- se descubrió en los rayos cósmicos.  A decir verdad, cierto físico teórico había predicho ya este descubrimiento.

Paul Adrien Maurice Dirac había aducido, fundándose en un análisis matemático de las propiedades inherentes a las partículas subatómicas, que cada partícula debería tener su “antipartícula”. (Los científicos desean no sólo que la Naturaleza sea simple, sino también simétrica.)  Así pues, debería haber un “antielectron”, salvo por su carga, que sería positiva, y no negativa, idéntico al electrón, y un “antiprotón” con carga negativa en vez de positiva.

En 1.930, cuando Dirac expuso su teoría, no llamó demasiado la atención en el mundo de la ciencia.  Pero, fiel a la cita, dos años después apareció el “anti-electron”. Por entonces, el físico americano Carl David Anderson trabajaba con Millikan, en un intento por averiguar si los rayos cósmicos eran radiación electromagnética o partículas.  Por aquellas fechas, casi todo el mundo estaba dispuesto a aceptar las pruebas presentadas por Compton, según las cuales, se trataría de partículas cargadas; pero Millikan no acababa de darse por satisfecho con tal solución.

Anderson se propuso averiguar si los rayos cósmicos que penetraban en una cámara de ionización se curvaban bajo la acción de un potente campo magnético.  Al objeto de frenar dichos rayos lo suficiente como para detectar la curvatura, si la había, puso en la cámara una barrera de plomo de 6’35 mm de espesor.  Descubrió que, cuando causaba el plomo, la radiación cósmica trazaba una estela curva a través de la cámara.  Y descubrió algo más.  A su paso por el plomo, los rayos cósmicos energéticos arrancaban partículas de los átomos de plomo. Una de esas partículas dejó una estela similar a la del electrón.  ¡Allí estaba, pues, el “antielectron” de Dirac! Anderson le dio el nombre de “positrón”. Tenemos aquí un ejemplo de radiación secundaria producida por rayos cósmicos.  Pero aún había más, pues en 1.963 se descubrió que los positrones figuraban también entre las radiaciones primarias.

Abandonado a sus propios medios, el positrón es tan estable como el electrón (¿y por qué no habría de serlo, si es idéntico al electrón, excepto en su carga eléctrica?).  Además, su existencia puede ser indefinida.  Ahora bien, en realidad no queda abandonado nunca a sus propios medios, ya que se mueve en un universo repleto de electrones.  Apenas inicia su veloz carrera (cuya duración ronda la millonésima de segundo), se encuentra ya con uno.

Así, durante un momento relampagueante quedaran asociados el electrón y el positrón; ambas partículas girarán en torno a un centro de fuerza común.  En 1.945, el físico americano Arthur Edwed Ruaark sugirió que se diera el nombre de “positronio” a este sistema de dos partículas, y en 1.951, el físico americano de origen austriaco Martín Deutch consiguió detectarlo guiándose por los rayos gamma característicos del conjunto.

Pero no nos confundamos, aunque se forme un sistema positronio, su existencia durará, como máximo, una diezmillonésima de segundo.  El encuentro de electrón-positrón=aniquilamiento mutuo, solo queda energía en forma de radiación gamma.  Ocurre pues, tal como había sugerido Einstein: la materia puede convertirse en energía y viceversa.   Por cierto que Anderson consiguió detectar muy pronto el fenómeno inverso: desaparición súbita de los rayos gamma, para dar origen a una pareja electrón-positrón.  Este fenómeno se llama “producción en pareja.” Anderson compartió con Hess el premio Nóbel de Física de 1.936.

Poco después, los Joliot-Curie detectaron el positrón por otros medios, y, al hacerlo así, realizaron, de paso, un importante descubrimiento.  Al bombardear los átomos de aluminio con partículas alfa, descubrieron que con tal sistema no solo se obtenían protones, sino también positrones.  Cuando suspendieron el bombardeo, el aluminio siguió emitiendo positrones, emisión que sólo con el tiempo se debilitó.

Aparentemente habían creado, sin proponérselo, una nueva sustancia radiactiva.

He aquí la interpretación de lo ocurrido, según los Joliot-Curie: Cuando un núcleo de aluminio absorbe una partícula alfa, la adición de los dos protones transforma el aluminio (nº atómico 13 en fósforo (nº atómico 15).   Puesto que las partículas alfa contienen cuatro nucleones en total, el número masivo se eleva 4 unidades, es decir, del aluminio 27, al fósforo 31.  Ahora bien, si al reaccionar se expulsa un protón de ese núcleo, la reducción en una unidad de sus números atómicos y masivos hará surgir otro elemento, o sea, el silicio 30.

Puesto que la partícula alfa es el núcleo del helio, y un protón es el núcleo del hidrógeno, podemos escribir la siguiente ecuación de esta “reacción nuclear”:

aluminio 27+helio4®silicio30+hidrogeno1

Nótese que los números másicos de equilibran:

27+4= a 30+1

Adentrarse en el Universo de las partículas que componen los elementos de la Tabla periódica, y, en definitiva, la materia conocida, es verdaderamente fantástico.

emilio silvera

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« ¿Cerebro y Mente? ¿Inteligencia y Sabiduría?

¿Es el cerebro la “maquina” más compleja del Universo?

Mente y Filosofía… ¡Los pensamientos!

 ¿Cómo se han podido generar las ideas y los pensamientos? Por mucho que los grandes pensadores trataran de llegar a una respuesta plausible, no pudieron responder a la pregunta. Lo único que se nos puede ocurrir es que, la “materia inerte” evolucionó hasta llegar a los pensamientos y, tambiçen a los sentimientos.

 

Una parte de la ciencia estudia la estructura y la evolución del Universo: La Cosmología que es la rama de la Ciencia que se llama Astrofísica y en ella se estudia la estructura a gran escala y la dinámica del Universo. En realidad trata de responder a las preguntas que nos planteamos sobre el Cosmos y la vida.

                                                    

La cosmología observacional se ocupa de las propiedades físicas del Universo, como su composición física referida a la química, la velocidad de expansión y su densidad, además de la distribución de Galaxias y cúmulos de galaxias.  La cosmología física intenta comprender estas propiedades aplicando las leyes conocidas de la física y de la astrofísica.  La cosmología teórica construye  que dan una descripción matemática de las propiedades observadas del Universo basadas en esta comprensión física.

 

La cosmología también tiene aspectos filosóficos, o incluso teológicos, en el sentido de que trata de comprender por qué el Universo tiene las propiedades observadas. De hecho, después de unos miles de millones de años de evolución, el Universo se ha valido de las estrellas para elaborar los materiales que han posibilitado la aparición de la vida.

La cosmología teórica se basa en la teoría de la relatividad , la teoría de Einstein de la gravitación.  De todas las fuerzas de la naturaleza, la gravedad es la que tiene efectos  intensos a grandes escalas y domina el comportamiento del Universo en su conjunto. El espacio-tiempo, la materia contenida en el Universo con la fuerza gravitatoria que genera y, nuestras mentes que tienen conocimientos de que todo esto sucede.

De manera que, nuestro consciente (sentimos, pensamos, queremos obrar con conocimiento de lo que hacemos), es el elemento racional de nuestra personalidad humana que controla y reprime los impulsos del inconsciente, para desarrollar la capacidad de adaptación al mundo exterior. Al ser conscientes, entendemos y aplicamos nuestra razón natural para clasificar los conocimientos que adquirimos mediante la experiencia y el estudio que aplicamos a la realidad del mundo que nos rodea. Claro que, no todos podemos percibir la realidad de la misma manera, las posibilidades existentes de que el conocimiento de esa realidad responda  exactamente a lo que ésta es en sí, no parece .

Descartes, Leibniz, Locke, Berkeley, Hume (que influyó decisivamente en Kant), entre otros, construyeron una base que tomó fuerza en Kant, para quien el conocimiento arranca o nace de nuestras experiencias sensoriales, es decir, de los  que nos suministra nuestros cinco sentidos, pero no todo en él procede de esos datos.  Hay en nosotros dos fuentes o potencias distintas que nos capacitan para conocer, y son la sensibilidad (los sentidos) y el entendimiento (inteligencia).  Esta no puede elaborar ninguna idea sin los sentidos, pero éstos son inútiles sin el entendimiento.

           

A todo esto, para mí, el conocimiento está inducido por el .  La falta y ausencia de interés aleja el conocimiento.  El interés puede ser de distinta índole: científico, social, artístico, filosófico, etc.  (La gama es tan amplia que existen conocimientos de todas las posibles vertientes o direcciones, hasta tal punto es así que, nunca nadie lo podrá saber todo sobre todo). Cada uno de nosotros puede elegir sobre los conocimientos que prefiere adquirir y la elección está adecuada a la conformación individual de la sensibilidad e inteligencia de cada cual. Allí, en alguna parte, está el germen del interés-curiosidad de cada cual.

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También se da el caso de personas que prácticamente, por cuestiones genéticas o de otra índole, carecen de cualquier  por el conocimiento del mundo que les rodea, sus atributos sensoriales y de inteligencia funcionan a tan bajo rendimiento que, sus comportamientos son cuasi-animales (en el sentido de la falta de racionalidad), son guiados por la costumbre y las necesidades primarias: comer, dormir…

El polo opuesto lo encontramos en múltiples ejemplos de la historia de la ciencia, donde personajes como Newton, Einstein, Riemann, Ramanujan y tantos otros (cada uno en su ámbito del conocimiento), dejaron la muestra al mundo de su genio .

                                             

Pero toda la realidad está encerrada en una enorme burbuja a la que llamamos Universo y que encierra todos los misterios y secretos que nosotros, seres racionales y conscientes, perseguimos. Todo el mundo sabe lo que es la conciencia; es lo que nos abandona cada noche cuando nos dormimos y reaparece a la  siguiente cuando nos despertamos.  Esta engañosa simplicidad me recuerda lo que William James escribió a finales del siglo XIX sobre la atención:

”Todo el mundo sabe lo que es la atención; es la toma de posesión por la mente, de una forma clara e intensa, de un hilo de pensamiento de entre varios simultáneamente posibles”.

Más de cien años más tarde somos muchos los que creemos que seguimos sin tener una comprensión de fondo ni de la atención, ni de la conciencia que, desde luego, no creo que se marche cuando dormimos, ella no nos deja nunca.

La falta de comprensión ciertamente no se debe a una falta de atención en los círculos filosóficos o científicos.  Desde que René Descartes se ocupara del problema, pocos han  los temas que hayan preocupado a los filósofos tan persistentemente como el enigma de la conciencia.

                                                               

Para Descartes, como para James  de dos siglos después, ser consciente era sinónimo de “pensar”: el hilo de pensamiento de James no era otra cosa que una corriente de pensamiento. El cogito ergo sum, “pienso, luego existo”, que formuló Descartes como fundamento de su filosofía en Meditaciones de prima philosophía, era un reconocimiento explícito del papel central que representaba la conciencia con respecto a la ontología (qué es) y la epistemología (qué conocemos y cómo le conocemos).

Claro que tomado a pie juntillas, “soy consciente, luego existo”, nos conduce a la creencia de que nada existe más allá o fuera de la propia conciencia y, por mi parte, no estoy de acuerdo.   Existen muchísimas cosas y hechos que no están al alcance de mi conciencia.  Unas veces por imposibilidad física y otras por imposibilidad intelectual, lo cierto es que son muchas las cuestiones y las cosas que están ahí y, sin embargo, se escapan a mi limitada conciencia.

Todo el entramado existente alrededor de la conciencia es de una complejidad enorme, de hecho, conocemos mejor el funcionamiento del Universo que el de nuestros propios cerebros, una máquina compleja que algunos dicen que hizo el Universo para poder observarse  mismo.

¿Cómo surge la conciencia como resultado de procesos neuronales particulares y de las interacciones entre el cerebro, el cuerpo y el mundo? ¿Cómo pueden explicar  procesos neuronales las propiedades esenciales de la experiencia consciente?

Cada uno de los estados conscientes es unitario e indivisible, pero al mismo tiempo cada persona puede elegir entre un  ingente de estados conscientes distintos.

                

Muchos han sido los que han querido explicar lo que es la conciencia.  En 1.940, el gran neurofisiólogo charles Sherrington lo intento y puso un ejemplo de lo que él pensaba sobre el problema de la conciencia.  Unos pocos años más tarde también lo intentaron otros y, antes, el mismo Bertrand Russell hizo lo propio, y, en todos los casos, con más o menos acierto, el resultado no fue satisfactorio, por una sencilla razón: nadie sabe a ciencia cierta lo que en verdad es la conciencia y cuales son sus verdaderos mecanismos; de hecho, Russell expresó su escepticismo sobre la capacidad de los filósofos para alcanzar una :

                                             

“Suponemos que un proceso físico da comienzo en un objeto visible, viaja hasta el ojo, donde se convierte en otro proceso físico en el nervio óptico y, finalmente, produce algún efecto en el cerebro al mismo tiempo que vemos el objeto donde se inició el proceso; pero este proceso de ver es algo “mental”, de naturaleza totalmente distinta a la de los procesos físicos que lo preceden y acompañan.  Esta concepción es tan extraña que los metafísicos han inventado toda suerte de teorías con el fin de sustituirla con algo menos increíble”.

Está claro que en lo más profundo de ésta consciencia que no conocemos, se encuentran todas las respuestas planteadas o requeridas mediante preguntas que nadie ha contestado.

                                                    

No creo que mirando en el fondo de la bolita encontremos las respuestas que todos buscamos. Más bien estarán dentro de nosotros mismos y, lo que tendremos que hacer es, comenzar la  de nuestro propio yo. Lo cierto es que, no nos conocemos ni a nosotros mismos.

Al comienzo mencionaba el cosmos y la gravedad junto con la consciencia y, en realidad, con más o menos acierto, de lo que estaba tratando era de hacer ver que todo ello, es la misma cosa.  Universo-Galaxia-Mente.  Nada es independiente en un sentido global, sino que son  de un todo y están estrechamente relacionados.

Una Galaxia es simplemente una parte pequeña del Universo, nuestro planeta es, una mínima fracción infinitesimal de esa Galaxia, y, nosotros mismos, podríamos ser comparados (en  a la inmensidad del cosmos) con una colonia de bacterias pensantes e inteligentes.  Sin embargo, todo forma parte de lo mismo y, aunque pueda dar la sensación engañosa de una cierta autonomía, en realidad todo está interconectado y el funcionamiento de una cosa incide directamente en las otras (efecto mariposa).

Pocas dudas pueden caber a estas alturas del  hecho de que  estar hablando de estas cuestiones, es un milagro en sí mismo. La ínfima incidencia de nuestra especie en el inmenso Universo es patente, y, sin embargo, nos creemos importantes. ¡Ilusos!

Deambulamos por el mundo hasta alcanzar la conciencia de SER

Después de millones y millones de años de evolución, se formaron las conciencias primarias que surgieron en los animales con ciertas estructuras cerebrales de alta complejidad que, podían ser capaces de construir una escena mental, pero con capacidad semántica o simbólica muy limitada y careciendo de un verdadero lenguaje.

La conciencia de orden  (que floreció en los humanos y presupone la coexistencia de una conciencia primaria) viene acompañada de un sentido de la propia identidad y de la capacidad explícita de construir en los estados de vigilia escenas pasadas y futuras.  Como mínimo, requiere una capacidad semántica y, en su forma más desarrollada, una capacidad lingüística.

Los procesos neuronales que subyacen en nuestro cerebro son en realidad desconocidos y, aunque son muchos los  y experimentos que se están realizando, su complejidad es tal que, de momento, los avances son muy limitados.  Estamos tratando de conocer la “máquina” más compleja y perfecta que existe en el Universo.

         Cien mil millones de neuronas, tantas como estrellas tiene nuestra Galaxia

Si eso es así, resultará que después de todo, no somos tan insignificantes como en un principio podría parecer, y solo se trata de tiempo. En su momento y evolucionadas, nuestras mentes tendrán un nivel de conciencia que estará más allá de las percepciones físicas tan limitadas.  Para entonces, sí estaremos totalmente integrados y formando parte, como un todo, del Universo que  presentimos.

El carácter  de la conciencia me hace adoptar una posición que me lleva a decidir que no es un objeto, sino un proceso y que, desde este punto de , puede considerarse un ente digno del estudio científico perfectamente legítimo.

La conciencia plantea un problema especial que no se encuentra en otros dominios de la ciencia.  En la Física y en la Química se suele explicar unas entidades determinadas en función de otras entidades y leyes.  Podemos describir el agua con el lenguaje ordinario, pero podemos igualmente describir el agua, al menos en principio, en términos de átomos y de leyes de la mecánica cuántica.  Lo que hacemos es conectar dos niveles de descripción de la misma entidad externa (uno común y otro científico de extraordinario poder explicativo y predictivo.  Ambos niveles de descripción) el agua líquida, o una disposición particular de átomos que se comportan de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica (se refiere a una entidad que está fuera de nosotros y que supuestamente existe independientemente de la existencia de un observador consciente.)

                                                    Una maraña e conexiones sin fin

En el caso de la conciencia, sin embargo, nos encontramos con una simetría.  Lo que intentamos no es simplemente comprender de qué manera se puede explicar las conductas o las operaciones cognitivas de otro ser humano en términos del funcionamiento de su cerebro, por difícil que esto parezca.  No queremos simplemente conectar una descripción de algo externo a nosotros con una descripción científica más sofisticada.  Lo que realmente queremos hacer es conectar una descripción de algo externo a nosotros (el cerebro), con algo de nuestro : una experiencia, nuestra propia experiencia individual, que nos acontece en tanto que observadores conscientes.  Intentamos meternos en el interior o, en la atinada ocurrencia del filósofo Tomas Negel, saber qué se siente al ser un murciélago.  Ya sabemos qué se siente al ser nosotros mismos, qué significa ser nosotros mismos, pero queremos explicar por qué somos conscientes, saber qué es ese “algo” que nos hace ser como somos, explicar, en fin, cómo se generan las cualidades subjetivas experienciales.

En suma, deseamos explicar ese “Pienso, luego existo” que Descartes postuló como evidencia primera e indiscutible sobre la cual edificar toda la filosofía. Y, todo esto, amigos míos, es posible gracias a que, en el Universo que nos acoge está presente la Física, la Química y la Biología que surgieron de la evolución de las estrellas y de la radiación cósmica para que , nosotros estemos aquí para comentar sobre un “todo” conformado por la materia y la mente.

emilio silvera

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Representación esquemática de la molécula de ADN y ARN, la molécula portadora de la información genética. Las moléculas se forman por la Asociación de dos o más átomos, que se mantienen juntas por medio de enlaces químicos. Podríamos decir que algunas moléculas de vida serían:

Los microARNs son moléculas de ARN que regulan la expresión génica uniéndose a un ARN mensajero (ARNm) determinado, impidiendo que se traduzca a proteína2.

La molécula de ADN consiste en dos cadenas que se enrollan entre ellas para formar una estructura de doble hélice. Cada cadena tiene una parte central formada por azúcares (desoxirribosa) y grupos fosfato. Enganchado a cada azúcar hay una de de las siguientes 4 bases: adenina (A), citosina (C), guanina (G), y timina (T). Las dos cadenas se mantienen unidas por enlaces entre las bases; la adenina se enlaza con la timina, y la citosina con la guanina. La secuencia de estas bases a lo largo de la cadena es lo que codifica las instrucciones para formar proteínas y moléculas de ARN.

– Agua.
– Hidratos de carbono.
– Lípidos.
– Proteínas.
– Acidos Nucleicos.

Principios inmediatos o biomoléculas: cada una de las sustancias que componen la materia viva.

– Simples: O2
– inorgánicos: agua…

– Compuestos:
– orgánicos: glúcidos, lípidos,
proteínas, ac. nucleicos

La enorme variedad de formas, colores, comportamientos, etc que acompaña a los objetos, incluidos los vivientes, sería una consecuencia de la riqueza en la información que soportan las moléculas (y sus agregados) que forman parte de dichos objetos. Ello explicaría que las moléculas de la vida sean en general de grandes dimensiones (macromoléculas). La inmensa mayoría de ellas contiene carbono. Debido a su tetravalencia y a la gran capacidad que posee dicho átomo para unirse consigo mismo, dichas moléculas pueden considerarse como un esqueleto formado por cadenas de esos átomos.

El carbono no es el único átomo con capacidad para formar los citados esqueletos. Próximos al carbono en la tabla periódica, el silicio, fósforo y boro comparten con dicho átomo esa característica, si bien en un grado mucho menor. Refiriéndonos al silicio, señalaremos que las “moléculas” que dicho átomo forma con el oxígeno y otros átomos, generalmente metálicos poseyendo gran nivel de información, difieren en varios aspectos de las moléculas orgánicas, es decir, de las que poseen un esqueleto de átomos de carbono.

El mundo de los silicatos es de una gran diversidad, existiendo centenares de especies minerológicas. Esas diferencias se refieren fundamentalmente a que el enlace químico en el caso de las moléculas orgánicas es covalente, y cuando se forma la sustancia correspondiente (cuatrillones de moléculas) o es un líquido, como es el caso de los aceites, o bien un sólido que funde fácilmente. Entre las moléculas que lo forman se ejercen unas fuerzas, llamadas de Van der Waals, que pueden considerarse como residuales de las fuerzas electromagnéticas, algo más débiles que éstas. En cambio, en los silicatos sólidos (como en el caso del topacio) el enlace covalente o iónico no se limita a una molécula, sino que se extiende en el espacio ocupado por el sólido, resultando un entramado particularmente fuerte.

Al igual que para los cristales de hielo, en la mayoría de los silicatos la información que soportan es pequeña, aunque conviene matizar este punto.  Para un cristal ideal así sería en efecto, pero ocurre que en la realidad el cristal ideal es una abstracción, ya que en el cristal real existen aquí y allá los llamados defectos puntuales que trastocan la periodicidad espacial propia de las redes ideales. Precisamente esos defectos puntuales podían proporcionar una mayor información.

El cristal ideal no existe, en su estado natural, todos tienen imperfecciones y, sólo el elaborado, se podría decir que son cristales perfectos y, sin embargo, la mano del hombre lo que ha producido con tal intervención es perder una valiosa información inserta en ese cuerpo natural.

Si prescindimos de las orgánicas, el resto de las moléculas que resultan de la combinación entre los diferentes átomos no llega a 100.000, frente a los varios millones de las primeras. Resulta ranozable suponer que toda la enorme variedad de moléculas existentes, principalmente en los planetas rocosos, se haya formado por evolución de los átomos, como corresponde a un proceso evolutivo. La molécula poseería mayor orden que los átomos de donde procede, esto es, menor entropía. En su formación, el ambiente se habría desordenado al ganar entropía en una cierta cantidad tal, que arrojarse un balance total positivo.

No puedo dejar pasar la oportunidad, aunque sea de pasada, de mencionar las sustancias.

Las así llamadas, son cuerpos formados por moléculas idénticas, entre las cuales pueden o no existir enlaces químicos. Veremos varios ejemplos.  Las sustancias como el oxígeno, cloro, metano, amoníaco, etc, se presentan en estado gaseoso en condiciones ordinarias de presión y temperatura. Para su confinamiento se embotellan, aunque existen casos en que se encuentran mezcladas en el aire (os podéis dar una vueltecita por el polo químico de Huelva en España).

En cualquier caso, un gas como los citados consiste en un enjambre de las moléculas correspondientes. Entre ellas no se ejercen fuerzas, salvo cuando colisionan, lo que hacen con una frecuencia que depende de la concentración, es decir, del número de ellas que están concentradas en la unidad de volumen; número que podemos calcular conociendo la presión y temperatura de la masa de gas confinada en un volumen conocido.

                                         Nubes moleculares en Orión

Decía que no existen fuerzas entre las moléculas de un gas. En realidad es más exacto que el valor de esas fuerzas es insignificante porque las fuerzas residuales de las electromagnéticas, a las que antes me referí, disminuyen más rápidamente con la distancia que las fuerzas de Coulomb; y esta distancia es ordinariamente de varios diámetros moleculares.

Podemos conseguir que la intensidad de esas fuerzas aumente tratando de disminuir la distancia media entre las moléculas. Esto se puede lograr haciendo descender la temperatura, aumentando la presión o ambas cosas.  Alcanzada una determinada temperatura, las moléculas comienzan a sentir las fuerzas de Van der Waals y aparece el estado líquido; si se sigue enfriando aparece el sólido. El orden crece desde el gas al líquido, siendo el sólido el más ordenado. Se trata de una red tridimensional en la que los nudos o vértices del entramado están ocupados por moléculas.

Todas las sustancias conocidas pueden presentarse en cualquiera de los tres estados de la materia (estados ordinarios y cotidianos en nuestras vidas del día a día).

El Plasma de las estrellas y otros cuerpos estelares forman el estado más común de la materia en nuestro Universo -al menos la que vemos-

Si las temperaturas reinantes, son de miles de millones de grados, el estado de la materia es el plasma, el material más común del universo, el de las estrellas (aparte de la materia oscura, que no sabemos ni lo que es, ni donde está, ni que “estado” es el suyo).

En condiciones ordinarias de presión, la temperatura por debajo de la cual existe el líquido y/o sólido depende del tipo de sustancia. Se denomina temperatura de ebullición o fusión la que corresponde a los sucesivos equilibrios (a presión dada) de fases: vapor ↔ líquido ↔ sólido. Estas temperaturas son muy variadas, por ejemplo, para los gases nobles son muy bajas; también para el oxígeno (O₂) e hidrógeno (H₂). En cambio, la mayoría de las sustancias son sólidos en condiciones ordinarias (grasas, ceras, etc).

Compuestas:

Las sustancias pueden ser simples y compuestas, según que la molécula correspondiente tenga átomos iguales o diferentes. El número de las primeras es enormemente inferior al de las segundas.

El concepto de molécula, como individuo físico y químico, pierde su significado en ciertas sustancias que no hemos considerado aún. Entre ellas figuran las llamadas sales, el paradigma de las cuales es la sal de cocina.

Es requerida por el organismo para mantener la volemia y procurar el adecuado equilibrio electrolítico. Además, conserva iso-tonicidad entre plasma e intersticio, así como también mantiene equilibrio con la célula. Implicada directa en el mantenimiento de la presión arterial media y en el equilibrio osmolar. Su disociación en sangre es parcial (sólo un 93 porciento).

Se trata de cloruro de  sodio, por lo que cualquier estudiante de E.G.B. escribiría sin titubear su fórmula: Cl Na. Sin embargo, le podríamos poner en un aprieto si le preguntásemos dónde se puede encontrar aisladamente individuos moleculares que respondan a esa composición. Le podemos orientar diciéndole que en el gas Cl H o en el vapor de agua existen moléculas como individualidades. En realidad y salvo casos especiales, por ejemplo, a temperaturas elevadas, no existen moléculas aisladas de sal, sino una especie de molécula gigante que se extiende por todo el cristal. Este edificio de cristal de sal consiste en una red o entramado, como un tablero de ajedrez de tres dimensiones, en cuyos nudos o vértices se encuentran, alternativamente, las constituyentes, que no son los átomos de Cl y Na sino los iones Cl^– y Na⁺.  El primero es un átomo de Cl que ha ganado un electrón, completándose todos los orbitales de valencia; el segundo, un átomo de Na que ha perdido el electrón del orbital s.

Por esta zona de Huelva, conocida como Marismas del Odiel, llevaba con frecuencia a mis hijos pequeños que, jugando por aquellos parajes, se lo pasaban estupendamente, y, de camino, tenía la oportunidad de despertarles la curiosidad de cómo se producía la Sal.

Cuando los átomos de Cl y Na interaccionan por aproximarse suficientemente sus nubes electrónicas, existe un reajuste de cargas, porque el núcleo de Cl atrae con más fuerza los electrones que el de Na, así uno pierde un electrón que gana el otro. El resultado es que la colectividad de átomos se transforma en colectividad de iones, positivos los de Na y negativos los de Cl. Las fuerzas electromagnéticas entre esos iones determinan su ordenación en un cristal, el Cl Na. Por consiguiente, en los nudos de la red existen, de manera alternativa, iones de Na e iones de Cl, resultando una red mucho más fuerte que en el caso de que las fuerzas actuantes fueran de Van der Waals. Por ello, las sales poseen puntos de fusión elevados en relación con los de las redes moleculares.

emilio silvera

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