De lo que
está hecha la materia
Todo empezó con una explosión
Según los científicos que estudian el origen del universo,
como Stephen Hawking y Roger Penrose entre los más destacados, todo comenzó con
una gran explosión, el “Big-bang”. De esta explosión surgieron infinidad de
“partículas” que en su viaje por el espacio fueron uniéndose entre sí formando
combinaciones. Estas combinaciones fueron agrupándose en condensados de materia
y energía. Resultado de estas condensaciones son las estrellas y los planetas.
En las estrellas las grandes temperaturas debidas a los altos niveles de
energía, permiten la formación de combinaciones que en los planetas serían
imposibles. Estas combinaciones no siempre se mantienen en el tiempo dando
lugar a las “mini explosiones” que generan nuevas emisiones de “partículas” o
radiación.
Explosiones solares consecuencia y origen de las reacciones nucleares que tienen lugar en su interior |
El
término “partículas” aparece entrecomillado porque hoy en día se considera
que tales componentes formadores de la materia tienen una naturaleza dual.
Son al mismo tiempo ondas y partículas en el sentido clásico del término. O
mejor dicho, no son ni ondas ni partículas en el sentido clásico del término.
Técnicamente deberíamos definirlas como “entes cuánticos”.
En el
siglo XIX y anteriores se consideraba que las ondas “inmateriales” eran una manifestación
asociada a determinadas formas de transmisión de la energía. Por ejemplo la
transmisión de energía en forma de calor a través de un sólido se explicó por
Fourier mediante una ecuación que representa una expansión en forma
ondulatoria. Este tipo de ecuaciones, cuya representación gráfica coincide
con la forma de una onda, sirve para explicar la transmisión de otras formas
de energía. Maxwell definió un conjunto de ecuaciones de este tipo para
representar la transmisión de energía electromagnética. La descripción
matemática de este tipo de fenómenos
constituyó formalmente la mecánica ondulatoria.
Paralelamente
la descripción de los fenómenos en los que intervienen masas, ya sean grandes
o pequeñas (partículas) constituyó lo que se conoce como mecánica de Newton,
o en otra de sus formulaciones (con otro tipo de ecuaciones), de Lagrange, ambas
englobadas en la mecánica clásica en el sentido más amplio. Durante siglos se
mantuvo la discusión de si la transmisión de la luz podía interpretarse en
términos de una u otra mecánica, lo cual llevaba implícito atribuirle una
naturaleza ondulatoria o una naturaleza material. Ciertos hechos observados en relación con las propiedades de los rayos luminosos se interpretaban mejor en base a una u otra formulación.
A partir de los inicios del siglo XX se interpretaron determinados fenómenos, como la energía que podía tener (los diferentes estados posibles de energía) un electrón en el átomo de hidrógeno, asumiendo que el electrón no era ni una forma de energía cuya transmisión podía interpretarse mediante la mecánica ondulatoria (una onda inmaterial) ni una partícula en el sentido clásico, cuyo comportamiento pudiera definirse mediante las ecuaciones de la mecánica clásica. Se debe a Louis de Broglie la integración de ambas mecánicas mediante la hipótesis de que el comportamiento de las “partículas” elementales queda definido asumiendo una naturaleza dual (onda-partícula) lo que daría lugar al nacimiento de la mecánica cuántica.
Simultáneamente
Einstein había propuesto una equivalencia entre masa y energía para este tipo
de “partículas” como conclusión de su teoría de la relatividad especial.
Podríamos decir de un modo muy simplista que cuando una “partícula” emite
radiación, la masa de la misma disminuye proporcionalmente a la energía de la
radiación emitida (E), concretamente en E/c2, siendo c la
velocidad de la luz. Si un neutrón de masa m se desintegra, emite energía como
máximo igual al producto de su masa por la velocidad de la luz al cuadrado.
Dejando aparte la dificultad de comprender las implicaciones de la famosa
expresión E=m·c2 y de la naturaleza de la radiación y la materia
en términos de nuestro mundo macroscópico, podemos intuir que en el mundo
subatómico el concepto clásico de partícula, como una masa muy pequeña, ya no
tiene sentido.
Dependiendo
de su velocidad y de las condiciones que acotan la energía posible que pueden
tener, se ha mantenido la denominación clásica para los entes cuánticos que
constituyen la materia, la cual a su vez no es más que una “forma” de
energía. Así el electrón “confinado” en un átomo, el neutrón y el protón, se
siguen denominando partículas, pero los distintos tipos de radiación
proveniente del sol y algún tipo de radiación consecuencia de la
desintegración de un átomo (rayos gamma) se dice que son ondas
electromagnéticas.
Richard Feynman,
uno de los genios más grandes de la historia, decía que todos los fenómenos de
interacción entre la radiación y la materia pueden ser descritos a partir de
la interacción de fotones y electrones y que ambos son indiscutiblemente
partículas. Pero para un genio de tal dimensión, este término seguramente no
tenía la misma significación que para los no iniciados en la teoría que
contribuyó a desarrollar, la electrodinámica cuántica.
|
El conjunto de tales “partículas” conocido (o postulado) hoy
en día se divide en dos grandes grupos. Fermiones y bosones, los primeros son
los responsables de la constitución de la materia y los segundos de las fuerzas
o interacciones. El electrón, el protón y el neutrón son fermiones. El fotón,
el gluón y los bosones W y Z, son bosones responsables de la fuerza
electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil respectivamente. Dentro de los
postulados teóricos que componen la teoría cuántica, en su formulación o modelo
estándar, se encuentra el de la existencia de un tipo de bosón (bosón de Higgs)
que sería responsable de la fuerza de atracción másica. Este postulado lo
establecieron Peter Higgs y François Englert en los años sesenta del siglo XX. En
el año 2012 como resultado de los experimentos llevados a cabo en el Gran
Colisionador de Hadrones (LHC) se interpretó que los resultados evidenciaban la
existencia del bosón postulado. Hoy en día, en pleno 2015, todavía no se
considera demostrada su existencia, se admite que los resultados son una
evidencia muy probable de que la partícula hallada sea un bosón con las
características que la teoría establece para el bosón de Higgs.
Esquema del LHC en su emplazamiento bajo tierra |
Se cree que los elementos químicos son resultado
de la síntesis por procesos de fusión de todos estos tipos de partículas a
muy altas temperaturas (del orden de los 100 000 000 ºC y superiores).
La fusión de las partículas nucleares simples (protones y neutrones) lleva
primero a núcleos atómicos ligeros como el hidrógeno (un protón y un
electrón) y el helio (dos protones, dos electrones y dos neutrones) y luego a
los núcleos más pesados y complejos de los elementos ligeros (litio, boro,
berilio y así sucesivamente). Los átomos de helio bombardean a los átomos de
elementos ligeros y producen neutrones. Los neutrones son capturados por los
núcleos de los elementos y producen otros más pesados. Estos dos procesos
-fusión de protones y captura de neutrones- son los procesos principales por
los que se interpreta que se formaron los elementos químicos.
|
Reconstruyendo el universo
Imaginemos que tenemos ante nosotros un conjunto de pequeñas
piezas de diversas características que podemos combinar entre sí. El grupo está
formado por tres tipos de piezas que llamaremos protones, neutrones y
electrones. Los protones tiene carga positiva, los electrones la misma cantidad
de carga, pero negativa, y los neutrones no tienen carga alguna. Los protones y
los neutrones son aproximadamente del mismo tamaño, unas treinta veces el de un
electrón. Los protones y los neutrones están formados a su vez por otras
partículas llamadas “quarqs”, pero eso no nos interesa ahora mismo.
Los protones y los neutrones “encajan” entre sí y los
electrones pueden acercarse a esta combinación pero quedando ligeramente
separados, no “encajan” con protones y neutrones pero debido a la atracción de
las cargas opuestas quedan alrededor de la pieza formada por ambos. Los
protones y los neutrones pesan casi lo mismo, 1836 veces más que el electrón,
por lo que el peso total de la pieza será prácticamente la suma de los pesos de
protones y neutrones.
Vamos a unir los componentes haciendo todas las
combinaciones posibles, la condición es que cualquier pieza que formemos sea
neutra, que tenga la misma cantidad de protones que de electrones. Comenzamos
con un protón, luego dos, tres y así hasta 94. Para unir dos protones se
necesita un neutrón por lo menos. Cada pieza de éstas necesita tantos
electrones como protones pero le podemos añadir el número de neutrones que
queramos siempre que haya al menos uno por cada dos o más protones. Tenemos una
caja con compartimentos a modo de casilleros de 94 filas y 94 columnas. Cada
pieza la colocamos en la columna cuyo número coincide con el de protones y en
la fila que coincide con el número de neutrones.
Para formar alguna de estas piezas hemos tenido que aplicar
cierta energía. Encajar muchos neutrones con pocos protones ni siquiera se
puede y viceversa. No ha habido manera de unir 50 protones con tan sólo diez
neutrones, por ejemplo. Tampoco hemos podido unir veinte neutrones con tan sólo
tres protones. Al final habremos conseguido llenar tan sólo lo que es más o
menos la diagonal de la caja y algunas casillas adyacentes. El aspecto de la
caja vista desde arriba sería algo como lo que representa el gráfico de más
abajo. En él están representados todos los tipos de átomos conocidos en un
color relacionado con su estabilidad. Ésta se mide por el tiempo que se
necesita para que la cantidad de átomos de un tipo determinado se reduzca a la
mitad. En negro los átomos estables que no se descomponen, luego del rojo (más
tiempo, hasta cientos de millones de años) al azul claro (sólo unas
millonésimas de segundo) y en blanco aquellos que no es posible detectar, que
ni siquiera existen.
Elementos e isótopos
El modelo de uniones entre protones y neutrones formando un
núcleo y los electrones alrededor es el modelo simple de un átomo. Estos átomos
pueden unirse entre sí formando combinaciones de átomos iguales o combinaciones
de átomos diferentes. Las combinaciones de átomos iguales, tengan o no distinto
número de neutrones, es lo que llamamos un elemento. Los químicos del siglo XIX
lo llamaban cuerpos simples. Así, un elemento está formado por átomos con igual
número de protones. Dependiendo del elemento que consideremos, en un momento
dado habrá una proporción de átomos con el número de neutrones que lo hacen más
estable (casilla de trazo grueso) y una proporción de las otras posibles
combinaciones, alguna estable y otras inestables que todavía no se han
descompuesto. Cada combinación distinta, corresponda o no a un mismo elemento
se llama nucleido o núclido (nuclide en inglés). Todos los posibles nucleidos
de un mismo elemento se dice que son isótopos de dicho elemento, los
inestables, los radiactivos, se denominan radionucleidos.
Oro puro. Ejemplo de elemento que se encuentra en la naturaleza |
En nuestra caja, cada elemento químico está representado por
una columna (por su número de protones) y en esa columna a cada tipo de átomo
según su número de neutrones se lo denomina isótopo de ese elemento. Al cabo de
un tiempo desde la formación del universo el número de átomos de cada casilla
habrá variado, de hecho lo está haciendo continuamente. Una medida de lo rápido
que cambia esta distribución es contar cuánto tiempo tarda una casilla en
quedarse con la mitad de los átomos que había en un momento dado (tiempo o
periodo de semidesintegración, también llamado vida media). Esto puede ser una
fracción de milmillonésima de segundo o miles de millones de años. Muchos
elementos tienen un isótopo estable (el más abundante) y puede que otro o dos o
tres más o menos estables (tiempos de semidesintegración muy largos, pero menos
abundantes), el resto de isótopos son inestables y puede que ya no existan en
cantidades detectables.
Isótopos naturales y abundancia relativa según IUPAC 2009 |
Nucleidos y estabilidad representada por su tiempo de vida media. |
Cada elemento se representa por una, dos o tres letras, lo
que se denomina símbolo químico. Cada isótopo se representa por esas letras
añadiendo antes un superíndice igual a la suma del número de neutrones y del
número de protones, lo que se conoce como número másico. En general sólo se
utiliza el símbolo químico, pero cuando interesa especificar que estamos
hablando de un isótopo en concreto se especifica también su número másico. En
el caso del hidrógeno, los isótopos menos estables y por ende menos frecuentes,
tienen nombre y símbolo propio, son el deuterio D (2H) y el tritio T
(3H) (artificial).
Radiactividad (No es que interese mucho en cervecería, pero ya que estamos)
Si dejamos la caja en una habitación y regresamos al cabo de un tiempo veremos
que algunas de las piezas, las que más nos ha costado acoplar, han saltado por
los aires, algunos componentes han salido “disparados” quedando agrupaciones
que debemos recolocar en otra casilla.
Lo que hemos conseguido es una representación de todos los
posibles átomos que encontraremos en la naturaleza y algunos fabricados por el
hombre en un laboratorio. En realidad los átomos tienen muchas más partículas
elementales, pero para nosotros bastará con fijarnos en protones, neutrones y
electrones. Las propiedades químicas de estos átomos dependen del número de
electrones que tienen alrededor, por tanto del número de protones, ya que en un
átomo “recién formado” el número de protones y el de electrones es el mismo (en
determinadas condiciones el átomo puede ganar o perder electrones). Dos átomos
con el mismo número de protones pero con diferente número de neutrones tienen
las mismas propiedades químicas. Para cada número de protones existe un cierto
número de neutrones que hace al átomo estable. Aunque en la formación de estos
átomos pudiera haberse dado una combinación con mayor o menor número de
neutrones, éstos serán inestables y se descompondrán, ciertos componentes
“saldrán disparados”, emitirán partículas convirtiéndose en otra combinación
más estable. Decimos que son radiactivos. Hay combinaciones que se destruyen al
instante y otras tardan muchos años (hasta miles de millones de años) en
descomponerse.
Desintegración atómica
Hemos simulado la recreación de los elementos con tres
piezas básicas y aplicando “mucha fuerza” para conseguir encajar algunas
piezas, aún así algún átomo ha saltado por los aires. Nuestra fuerza simulaba
la energía de las estrellas para conseguir agrupar estas piezas, para fusionar
las partículas. El hecho de saltar por los aires simula la desintegración
atómica una vez dejamos de aplicar esta fuerza, esta energía. ¿En qué se
descomponen los átomos? En aquello de lo que están hechos, sólo que no se
produce una desintegración total, del átomo inestable en su conjunto algunas
agrupaciones pueden permanecer unidas. Las partículas o agrupaciones de ellas
que encontramos en la desintegración espontánea de los núcleos de los isótopos
inestables son:
núcleo de hidrógeno, (protón) (p+)
electrón, partícula beta (b-)
neutrón (n)
núcleo de helio, (dos protones y dos neutrones ) llamado
partícula alfa (a)
rayos gamma (g)
otros: neutrinos, antineutrinos, positrones, etc.
El “residuo” de la desintegración de un nucleido pesado (Z
elevado) es un núcleo atómico con menos partículas, por tanto un nucleido de
otro elemento que a su vez puede desintegrarse. De hecho existe una secuencia
de desintegraciones que llevan a un nucleido estable. Por supuesto que las
partículas emitidas por el nucleido que se desintegra pueden “romper” (fisión) otros
nucleidos por la inestabilidad causada al integrarse en otro nucleido. Estos
procesos liberan una gran cantidad de energía. De hecho este es el mecanismo de
la síntesis de elementos y de la obtención de la energía nuclear.
Las partículas o radiaciones que emite un conjunto de átomos
desintegrándose pueden llegar a ser tan nocivas que pueden causar la muerte en
poco tiempo. Conocido es el caso de Aleksander V. Litvinenko, ex miembro del
KGB nacionalizado británico que murió envenenado por polonio-210 (210Po).
El uso controlado de isótopos radiactivos tiene muchas aplicaciones
beneficiosas para el hombre. Es muy popular el “isótopo catorce” del carbono o 14C
(carbono catorce). Su porcentaje natural es tan bajo y su tiempo de vida media
tan alto que no causa efecto nocivo alguno, pero es posible, con los medios
adecuados, detectar su presencia y a partir de su concentración determinar cuánto tiempo hace que el objeto
analizado “dejó” de incorporar carbono en su estructura.
Nucleido
|
Número
atómico Z
|
Número de
neutrones
|
Masa
|
Tiempo de
semidesintegración en segundos
|
Porcentaje
de abundancia
|
4Li
|
3
|
1
|
4.02719
|
91×10-24
|
0
|
5Li
|
3
|
2
|
5.01254
|
370×10-24
|
0
|
6Li
|
3
|
3
|
6.015122795
|
Estable
|
7,6
|
7Li
|
3
|
4
|
7.01600455
|
Estable
|
92,4
|
8Li
|
3
|
5
|
8.02248736
|
0.8403
|
0
|
9Li
|
3
|
6
|
9.0267895
|
0.1783
|
0
|
10Li
|
3
|
7
|
10.035481
|
2,02x10-21
|
0
|
11Li
|
3
|
8
|
11.043798
|
0.00875
|
0
|
Tabla de los
isótopos conocidos del litio, naturales y artificiales.
Desintegración
del isótopo inestable del litio 4Li en un isótopo del helio 3He
y un protón
Los elementos químicos
A lo largo de la historia el hombre ha ido descubriendo en
la naturaleza la presencia de los distintos elementos. Al principio, cuando los
métodos científicos eran muy simples, se conocían muy pocos. No todos se
presentan puros en la naturaleza, la mayoría están combinados con otros. El caso del Tecnecio (Z=43) y el Prometio
(Z=61) es curioso, ya que sólo se ha identificado su presencia en cantidades
mínimas y asociado a otros elementos, sin embargo una vez sintetizados en el
laboratorio demostraron tener isótopos de vida media muy larga. A mediados del
siglo XIX sólo se conocían unos pocos elementos y alguno de los considerados
elementos eran combinaciones de otros dos. Hoy en día hemos encontrado 94 en la
naturaleza (del número atómico 1 al 94), ya sean puros o combinados, y hemos
“fabricado” otros 24. Aunque de hecho el tecnecio (43), el prometio (61), el
gadolinio (64), el neptunio (93) y el plutonio (94) fueron sintetizados antes de ser encontrados en la
naturaleza. A partir del plomo (82) ya no hay elementos con isótopos estables,
aunque algunos tengan vidas medias medias muy largas.
A modo de resumen. Lo que le puede interesar a un cervecero
Comprender cómo "están hechos" los átomos ayuda a entender cómo y porqué se unen unos a otros y en determinadas condiciones "cambian de sitio". Es decir, porqué suceden ciertas reacciones que transforman un jugo de malta en cerveza y qué importancia tiene cómo se unen unos átomos a otros en las propiedades finales del líquido objeto de interés. Además, comprendiendo la naturaleza de los átomos y sus combinaciones podremos entender cómo se determinan esas propiedades mediante métodos químicos.
Un elemento queda
definido por el número de protones de su núcleo, que es el mismo número que el de electrones a su alrededor, lo que es la verdadera causa de las propiedades químicas del átomo. Este número de protones es lo que llamamos número atómico
y representamos por “Z”. Los isótopos de un elemento tienen el mimo número Z
pero distinto número de neutrones “N”. Su número másico es la suma del número
de protones y de neutrones y la representamos por “A”.
A= Z+N
La masa atómica
será por tanto la suma de las masas de los protones y neutrones del núcleo, ya
que la contribución de la masa electrónica es despreciable. Por tanto cada
isótopo tiene su propia masa atómica. Ésta difiere ligeramente del número
másico por dos motivos, la masa del protón y del neutrón no es exactamente una
unidad de masa atómica (u.m.a.), es de 1.007825 u.m.a. o Dalton. Además la
combinación de partículas elementales es un proceso de fusión a altas energías
que debe ser considerado bajo la mecánica relativista, lo cual cae
absolutamente fuera del objeto de este blog (y de mi alcance). Bastará saber
que la “acumulación” de protones y neutrones produce una cierta desviación del
valor esperado respecto a la simple suma de masas.
El peso atómico
(p.a.) de un elemento es el peso promedio de todos sus isótopos. Será
lógicamente un promedio de las masas atómicas de sus isótopos teniendo en
cuenta sus proporciones. Por lo general, dado que uno de los isótopos es mucho
más abundante que el resto, este valor estará cerca de un número entero, pero
por supuesto hay excepciones, el cloro (Z=17) tiene una masa atómica de 35.5
unidades de masa atómica. Una determinada cantidad de átomos pesa 35.453
gramos, para ser exactos 6.0221367 · 1023 átomos, es decir seiscientos dos mil
doscientos trece trillones con seiscientos setenta mil billones de átomos.
p.a. = Z·mp
+ S(%isótopo · Nisótopo·
mn)
Donde Z es el número atómico, es decir el número de
protones, mp es la masa de un protón 1.007276466812
Dalton, S(%isótopo · Nisótopo
· mn) es la suma de los productos del porcentaje de abundancia de un
isótopo por el número de neutrones de dicho isótopo y por la masa de un neutrón
1.008664916 Dalton.
Los primeros 83 elementos (los que tienen isótopos estables y el bismuto)
ordenados por masa atómica. La diferencia entre la masa atómica real y el valor
entero más próximo es un índice de la abundancia de isótopos.
Siguiente entrada: Vistiendo los átomos. Pongámosles electrones.
Páginas web relacionadas con el tema.
Una interesante y didáctica explicación de cómo determinar la antigüedad de algunos materiales mediante su emisión de radiactividad:
http://cienciadesofa.com/2015/04/como-datamos-las-cosas-carbono-14-y-otros.html
Imágenes.
Explosiones solares: NASA
Goddard Space Flight Center
[CC BY 2.0
(http://creativecommons.org/licenses/by/2.0)], via Wikimedia Commons:
Colisión de partículas: Lucas Taylor
(http://cdsweb.cern.ch/record/628469)
[CC BY-SA 3.0
(http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons
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