El átomo y su infinita capacidad energética

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 en este campo y aplicaciones relacionadas.

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.

 

 

Modelo básico 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. 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.

 

La fisión se logra bombardeando un núcleo atómico pesado 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 dos o tres de sus neutrones que repiten el proceso (reacción nuclear en cadena); emite además radiación y una gran cantidad de energía en forma de calor. La fisión del núcleo atómico del uranio 235 es la más utilizada en los reactores nucleares que existen hoy en el mundo. También es posible generar fisión utilizando otros elementos, como es el caso del Torio, el cual al ser bombardeado con neutrones transmuta en uranio 233, el cual es fisionable. El Torio se encuentra presente en la naturaleza de forma más abundante que el uranio.

Los neutrones generados por la fisión son utilizados en los reactores de investigación para producir isótopos radiactivos. El calor generado por la fisión se utiliza en los reactores nucleares de potencia para producir  electricidad.

 

La fusión consiste en la unión de dos núcleos de átomos livianos 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 (de color amarillo en la figura), pero que poseen respectivamente 1 y 2 neutrones (de color azul en al figura). Si estos dos núcleos se unen, 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 dos neutrones. Tanto el neutrón como el helio son expelidos con mucha energía, generando así una enorme cantidad de calor.

La 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.

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 postulado en cuanto a que existe una relación entre masa y energía. En específico, la masa y la energía tienen la misma naturaleza, pero se encuentran en estados físicos distintos.

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.

Por este motivo, es que al romper núcleos atómicos de uranio es que se puede 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.

Concepto de Isótopo

Son elementos que tienen el mismo número de protones, pero diferente cantidad de neutrones. Por ejemplo, el uranio puede tener 142, 143 y 146 neutrones (U²³⁴, U²³⁵, U238), pero siempre mantiene la misma cantidad de protones, 92.

Los números 234, 235, 238, indican la suma de protones y neutrones del núcleo y se le conoce como el número másico del elemento. Por ejemplo U²³⁴ = 92 protones + 142 neutrones.

 

Porcentaje de Abundancia de los Isótopos del Uranio en la Naturaleza: