El átomo y su infinita capacidad energética

Contar con suficiente combustible para generar la energía que requieren las múltiples actividades del mundo ha sido una de las preocupaciones constantes del hombre. Hasta el siglo XX, nadie imaginó que uno de los mayores potenciales energéticos estaba en los componentes más minúsculos de la materia.

El átomo, ¿la partícula más pequeña?

Ya los griegos en la Antigüedad intuyeron que la materia podía romperse en ínfimas partes, pero que se llegaría a una partícula tan pequeña que ya no se podría dividir más. Demócrito, que vivió entre los siglos V y IV a.C., pensó que estaba formada por corpúsculos muy pequeños y expresó que lo único que existía eran los átomos o partículas indivisibles y el espacio vacío.

Hasta hace poco más de un siglo se seguía considerando al átomo como la partícula más pequeña que podía existir, y solo en el siglo XIX se iniciaron los estudios y aplicaciones de la radiactividad.

En el siglo XX, con los avances que entregaron las investigaciones de distintos científicos, entre los que se destaca el inglés Ernest Rutherford (premio Nobel 1908), se llegó al descubrimiento de que el átomo no es la partícula más pequeña, sino que en ella hay diferentes componentes y fuerzas que interactúan, los cuales es necesario conocer para comprender la energía nuclear.

Los componentes del átomo

Cada átomo se compone de un núcleo, con protones, que tienen carga eléctrica positiva, y neutrones, que no tienen carga. Alrededor de este núcleo, semejante a lo que sucede entre el Sol y los planetas, orbitan los electrones que tienen carga eléctrica negativa y se encuentran en igual cantidad que los protones.

Cada elemento químico del sistema periódico, tal como el hidrógeno, el oxígeno, el oro, el cobre, el uranio, etc., tiene un determinado número de protones, electrones y neutrones. Así, por ejemplo, el hidrógeno se caracteriza por tener solo un protón en el núcleo y un electrón. Otros tienen estructuras atómicas más complejas, como el oro, que tiene 79 protones y electrones, y su núcleo tiene 118 neutrones.

 

atomoModelo actual de átomo. El núcleo está formado por protones y neutrones; alrededor de este, orbitan los electrones.

Los tamaños de estas partículas atómicas son difíciles de imaginar. Ya el átomo es tan pequeño que se puede decir que en la cabeza de un alfiler caben cien trillones de ellos. Y si se compara una cancha de fútbol con un átomo, el núcleo equivaldría a una pulga en medio de la cancha. (Claro, Francisco, 2009).

Nuevas investigaciones sobre el átomo han descubierto que protones y neutrones están a su vez constituidos por partículas aún más pequeñas. Cada uno está conformado por tres cuarcs, que se consideran indivisibles, al igual que los electrones.

La otra gran pregunta que genera el átomo es acerca de las fuerzas que mantienen unidos a estos componentes. Los gluones son los agentes que enlazan a protones y neutrones en el núcleo, mientras los fotones, partículas elementales del campo electromagnético, se encargan de la unión entre el núcleo y los electrones.

Mucho se ha avanzado en el conocimiento del átomo. Por ejemplo, ya se han descubierto diferentes tipos de cuarcs. Pero aún quedan por definir muchos aspectos, tales como las fuerzas que actúan en el átomo, las energías que se producen debido a los choques de las partículas o las interacciones entre ellas, atracciones y repulsiones, como los estudios acerca del bosón de Higgs.

Fisión y fusión

Los componentes del átomo contienen una gran cantidad de energía, que se puede liberar si se rompe el núcleo del átomo de un elemento. Por ejemplo, el uranio (U) y el torio (Th), que es un recurso más abundante.

En estos elementos, el equilibrio que mantienen las fuerzas que actúan dentro del átomo para mantener al núcleo unido se puede romper con cierta facilidad. En otros casos, como ocurre con el núcleo del átomo de hierro, las partículas están tan firmemente enlazadas que no es posible romperlo.

atomo-fision-nuclear

La fisión se logra bombardeando el núcleo atómico con un neutrón; este es capturado formando un núcleo inestable que se divide en dos más pequeños, que son expelidos con mucha energía junto a uno o dos de sus neutrones; emite además radiación y se obtiene así una gran cantidad de calor.

La energía producida por la fisión se utiliza como fuente calórica y en la generación de electricidad.

La fusión consiste en la unión de dos núcleos de átomos que chocan violentamente formando uno más masivo. Por ejemplo, los núcleos pueden ser del deuterio y del tritio; ambos son variedades o isótopos del hidrógeno, cuyos núcleos tienen un solo protón, pero que poseen respectivamente 2 y 3 neutrones. Si estos dos núcleos se unen, en la fusión nuclear se forma un nuevo núcleo inestable que se divide en dos productos: un neutrón y un nuevo núcleo más masivo correspondiente al helio con dos protones y cuatro neutrones. Tanto el neutrón como el helio son expelidos con mucha energía, generando así una enorme cantidad de calor.

atomo-fusion-nuclearLa fusión requiere de una tecnología más compleja que la fisión y aún está en etapa experimental. Tiene la ventaja de que se puede producir a partir del hidrógeno, elemento muy abundante en la naturaleza, por lo cual se considera que su combustible es inagotable.

Esta transformación de hidrógeno en helio que emite una enorme energía es lo que sucede permanentemente en el Sol. De acuerdo a los descubrimientos de Einstein, a pesar de emitir esta gran cantidad de energía, el Sol pierde muy poca materia.

  • Energía y masa. El aporte de Einstein

    Uno de los hitos más relevantes en la historia de la física es el aporte de Albert Einstein, científico nacido en Alemania en 1879 y fallecido en Estados Unidos en 1955. Recibió el Premio Nobel de Física en 1921 por descubrir el efecto fotoeléctrico.

    Entre sus múltiples investigaciones, sobresale su descubrimiento de que existe una relación entre masa y energía. En este caso, la partícula de masa se considera en reposo, es decir, que la energía no se asocia a movimiento, sino que corresponde a la masa por el solo hecho de existir.

    Esta relación quedó enunciada en su famosa fórmula E = mc2, que expresa que la energía (E) es directamente proporcional a la masa (m), a través de una constante, la velocidad de la luz elevada al cuadrado (c2). La velocidad de la luz es muy alta, 300.000 km/s, la cual elevada al cuadrado da cifras aún mayores. Esto significa que una masa pequeña, al multiplicarla por la velocidad de la luz al cuadrado, puede generar una gran cantidad de energía.

    Se explica así que en la producción de energía en un reactor nuclear, al romperse los núcleos del elemento utilizado como combustible, como el uranio, una pequeña masa pueda generar enormes cantidades de energía. Diferente sería la situación si se produce energía en una central termoeléctrica en base a carbón, porque en ella hay que emplear grandes volúmenes de combustible para producir la misma cantidad de energía que en un reactor nuclear.

  • Isótopos

    Son elementos que tienen el mismo número de protones, pero diferente cantidad de neutrones. Por ejemplo, el uranio puede tener 140, 141, 143, 144, 146 y 147 neutrones (232U, 233U, 235U, 236U, 238U y 239U), pero siempre mantiene la misma cantidad de protones, 92.

    Los números 232, 233, etc., indican la suma de protones y neutrones del núcleo. Por ejemplo 232U = 92 protones + 140 neutrones.

  • Un ejemplo de los actuales estudios atómicos son las inmensas instalaciones de los aceleradores de partículas para investigar, entre otros aspectos, el famoso bosón de Higgs, que se ha mal llamado “la partícula de Dios”, el cual se produciría por el choque de dos protones a velocidades cercanas a la de la luz.

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