El origen de los átomos

E n la actualidad estamos muy acostumbrados a ver los logros de la ciencia de manera trivial. Casi cualquier persona trae consigo un celular o tableta. El automóvil viene equipado con muchos aditamentos tanto electrónicos como de conducción que se deben en mayor parte al los avances tecnológicos desarrollados por la ciencia. En el campo de la ciencia, la física atómica, molecular y óptica ha sido la rama que más ha contribuido a este desarrollo. El entendimiento de las propiedades de la materia ha permitido grandes avances tecnológicos que van desde la electrónica hasta el diseño de nuevos materiales. Esto se debe particularmente al conocimiento que tenemos ahora sobre los átomos que forman la materia. Así, la pregunta fundamental que surge es ¿cuál es el origen de los átomos?

El origen de los átomos

Bueno, algunos de ustedes habrán escuchado la frase que dice que “somos polvo de estrellas”. ¡Pues así es! Los átomos y toda la materia que conocemos se han creado principalmente en las estrellas.

De hecho hay dos fuentes primordiales de cómo surgieron los átomos. La primera fue el Big bang o la gran explosión que dio origen al Universo hace cerca de 13,600 millones de años. En ella se creó principalmente el hidrógeno, un poco de helio y litio. Los tres primeros elementos de la tabla periódica y los mas ligeros y abundantes. Los otros elementos mas pesados se han creado en el interior de las estrellas por tres procesos diferentes: Fusión nuclear (o quemado de átomos) [1], fotodesintegración [2] y mediante la irradiación de neutrones y protones [3]. Cada uno de estos procesos ocurren en diferentes etapas de vida de las estrellas [4].

Las estrellas primordiales, es decir, aquellas que surgieron después del Big bang, estaban principalmente formadas de hidrógeno. Mediante el proceso de quemado del hidrógeno, es decir, mediante la fusión o unión de dos átomos de hidrógeno, se forma helio y se libera energía resultante de este proceso, como luz y calor, el cual hace brillar a las estrellas. Este quemado de hidrógeno produce a su vez átomos de carbono, nitrógeno, oxigeno, flúor, neón y sodio, consecutivamente durante la vida de la estrella. En la Figura 1 se muestra como funciona este mecanismo de fusión. Hasta aquí, el quemado de hidrógeno es el medio mas eficiente de transformar masa en energía, como lo muestra la famosa fórmula de Einstein, E=mc2 (Energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz, elevada al cuadrado). A partir de aquí, la estrella se empieza a llenar de helio y éste se quema para producir mas oxigeno, neón, magnesio, silicio, azufre, aluminio y calcio. Estos procesos toman millones de años dentro del interior de la estrella (núcleo) que es un reactor nuclear y que funciona debido a la combinación de la fuerza de gravedad, la gran densidad en el núcleo y las fuerzas nucleares que gobiernan la interacción de estas partículas.

“Arqueología astronómica”

En las estrellas, el proceso de fusión ocurre hasta llegar a la formación de hierro, cuyo número atómico en la tabla periódica es el 27 y es el núcleo con la mayor energía de enlace nuclear. A partir de este elemento ya no es posible seguir fusionando más átomos. En términos simples, la estrella deja de tener combustible y explota.

En astronomía se dice que se crea una estrella nova (o supernova) y la estrella muere. Es en este evento en el que la fotodesintegración e irradiación de neutrones y protones forman los elementos más pesados hasta llegar al uranio (número atómico 92). Es en este proceso que los átomos de helio hasta hierro son bombardeados por protones y neutrones y se da la formación de elementos más pesados. De entre estos elementos tenemos a la plata, el oro, cobre, y tierras raras como los lantánidos de importancia en las pantallas de tabletas y celulares.

Así, por ejemplo, encontramos cobre y oro en la Tierra, lo cual nos indica que estos elementos provienen de una estrella anterior al Sol, que explotó y generó estos elementos. Es decir, hubo al menos una estrella anterior al Sol de la cual al explotar se generaron todos los elementos pesados que encontramos en nuestro planeta. Nuestro Sol tiene aproximadamente 4,500 millones de años de vida y se encuentra a media vida [5]. Eso nos dice que desde el Big bang hasta el nacimiento de nuestro Sol hubo cerca de 9,000 millones de años, tiempo suficiente para que hubiese existido al menos una estrella que diera origen a nuestro sistema planetario y los elementos que lo forman.

El estudio de la abundancia de los elementos permite a los astrónomos determinar edades de estrellas y la evolución que estas han tenido. Además, estos procesos dependen del tamaño de la estrella, por consecuente, la presión que se genera en su interior y la zona o capa de la estrella en la que se genera estos elementos. Por ejemplo, en las capas externas de la estrella se quema hidrógeno y toma un tiempo de aproximadamente 10 millones de años (Figura 2). Elementos mas pesados tienden a “caer” al interior de la estrella. Así, la siguiente capa interior quema helio en carbono, oxigeno, neón y magnesio y este proceso toma alrededor de 1,000 años. La siguiente capa interior quema oxigeno en silicio y magnesio y toma aproximadamente 6 meses y finalmente la capa mas interna quema silicio en hierro y este proceso ¡toma alrededor de 1 día! Sin embargo, la explosión de la estrella en nova ¡ocurre en segundos! Por lo tanto, capas internas tienen mayor densidad y por ende mayor temperatura y presión.

Edgar Cabanzo García le está invitando a una reunión de Zoom programada.

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