Es sin duda muy bonito decirle esto a alguien. El Sol es la estrella más cercana a nosotros, y es el corazón del sistema solar. Es imprescindible para la vida tal y como la conocemos, por lo que cuando le decimos eso a alguien le estamos diciendo mucho. Pero hoy no escribiré acerca de esto…
Me apetece reflexionar (y hacer reflexionar) acerca de cuánta verdad hay en esas tres palabras que pueden alegrarte el día.
Xavi, ¡somos polvo de estrellas! 😉
Materia, lo que se puede tocar…
Este es un concepto bastante sencillo, en realidad. Todo aquello que podemos ver, tocar o coger está formado por materia. Enseguida nos damos cuenta de que hay muchísimos tipos de materia: la madera, la arena de la playa, el agua del mar, el aire que respiramos, nuestra piel… no acabaríamos nunca. Pero, ¿tendrán algo en común todos estos tipos de materia, aun siendo tan diferentes? La verdad es que sí.
Imagina que tienes en tus manos un vaso de cristal. Si lo lanzas contra el suelo se romperá en trozos más pequeños. Podrías coger ahora uno de esos trozos y repetir la operación… y cuando los trocitos fueran bastante pequeños podrías coger un martillo y seguir con el proceso continuamente. Llegaría un momento en el que obtendrías algo así como polvo de cristal, y ese polvo estaría formado por pequeñas partículas de cristal. Además, sería muy difícil que pudieras seguir con el proceso, dado que no tendrías manera de seguir pulverizando esas partículas en otras más pequeñas.
Pero hoy en día existen máquinas capaces de seguir con el proceso, e ir rompiendo las partículas en otras más pequeñas.
Imagina que lo haces…
Llegado cierto momento te darás cuenta de que ese polvo de cristal está formado por unas pequeñas y sorprendentes entidades que llamamos átomos. Cuando digo pequeñas me refiero a que los átomos son del orden de 0.0000000001 metros.
A pesar de que no podemos ver un átomo, sí podemos modelizarlo. Esto significa que mediante una serie de experimentos podemos hacernos una idea de cómo debe ser, del mismo modo que una persona ciega puede hacerse una idea del rostro de una persona mediante el tacto, aun sin poder verla.Existen varios modelos del átomo, pero nosotros vamos a imaginarlo como lo hizo Ernest Rutherford en 1911. ¿Cómo? Bastante sencillo: según este modelo, los átomos están formados por pequeñas partículas que llamamos protones, neutrones y electrones.
El átomo tiene un núcleo, un centro, que está formado por protones y neutrones. Alrededor de ese núcleo están dando vueltas los electrones, como mosquitos alrededor de una luz encendida en verano.
Ahora al revés: fabricando elementos.
Alguna vez habremos oído hablar de los elementos. Los griegos pensaban que toda la materia estaba formada por cuatro elementos: tierra, fuego, agua y aire. Ellos pensaban que haciendo diferentes combinaciones de estos elementos se podía conseguir cualquier tipo de materia conocida.
Ha pasado el tiempo y ahora sabemos que no hacen falta tantos: con tres nos basta. Haciendo diferentes combinaciones de tres tipos de pequeñas partículas podemos conseguir cualquier tipo de materia. ¿Sorprendido? ¿Sorprendida? Yo lo estoy cada vez que lo pienso. Resulta que con tres pequeñas partículas llamadas protones, neutrones y electrones podemos conseguir cualquier elemento, tales como el hidrógeno, el oxígeno, el hierro o el uranio. Podemos conseguir cualquiera de los 92 elementos que existen en la naturaleza. A su vez, haciendo combinaciones de estos 92 elementos podemos conseguir cualquier tipo de materia que exista en la naturaleza. Yo siempre imagino esto como una cocina con un armario que contenga 92 botes de especias, y que haciendo combinaciones con esas 92 especias podamos conseguir cualquier tipo de materia: desde tu piel hasta la materia de la estrella más lejana.
Pero vayamos por partes…
Supongamos que tenemos un protón y un electrón. Si ponemos el electrón a dar vueltas alrededor del protón habremos fabricado un átomo de hidrógeno. Es decir, habríamos fabricado el primer elemento de la tabla periódica.
El siguiente elemento en la tabla periódica es el helio. ¿Qué necesitamos para fabricar helio? Muy sencillo, necesitamos dos protones y dos electrones. Si juntamos los dos protones tendremos el núcleo de un átomo de helio. Si ponemos dos electrones a dar vueltas a ese núcleo, entonces ya tendremos un átomo de helio.
Como puedes ver en a figura anterior, hay algo más que dos protones en el núcleo de este átomo: hay dos neutrones. Pero la idea básica es la siguiente: si vamos añadiendo protones al núcleo y electrones orbitando, iremos fabricando elementos. Por ejemplo, si al átomo de helio añadimos un protón más en su núcleo, y un electrón más en sus órbitas, obtendremos litio, el tercer elemento de la tabla periódica. Y así sucesivamente.
Todos los átomos de todos los elementos tienen el mismo número de protones en su núcleo que electrones orbitando. Visto desde fuera, un átomo cualquiera tiene el mismo número de protones que de electrones, simplemente.
Hay que destacar que no sólo construimos elementos a base de ir añadiendo protones y electrones, sino que también hay que añadir algunos neutrones en los núcleos de los átomos, como has visto en el átomo de helio.
Pero al fin y al cabo lo interesante es que podemos fabricar cualquier elemento mediante una combinación de tres tipos de partículas: los protones, los electrones y los neutrones.
Así que en la naturaleza podemos encontrar infinidad de tipos de materia formados por combinaciones de 92 elementos, y estos elementos están formados por combinaciones de 3 tipos de partículas… Impresionante, ¿no?
Pero, ¿cómo juntamos estas partículas entre sí?
Ten paciencia, aún nos queda otro concepto…
Tira de mí…
Hoy por hoy conocemos cuatro fuerzas fundamentales. Las llamamos así porque todo lo que pasa en el Universo tiene detrás una o más de estas cuatro fuerzas. Nombraré las cuatro, pero nos centraremos en las dos que nos interesan.
Las cuatro fuerzas fundamentales son: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil.
Las que nos interesan a nosotros en este momento son la electromagnética y la nuclear fuerte…veamos porqué.
La fuerza electromagnética actúa sobre una propiedad de la materia a la que llamamos carga eléctrica. Esta fuerza puede actuar atrayendo partículas entre sí, o bien repeliendo partículas entre sí. Alguna vez habrás oído que los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen, ¿verdad? Pues esto es así. La carga eléctrica de una partícula puede ser positiva (+) o negativa (-). Cuando hay dos partículas con cargas opuestas (una positiva y otra negativa) estas se atraen, se juntan. En cambio, cuando ambas partículas son positivas, o ambas son negativas, se repelen…se separan.
Resulta que nuestros tres tipos elementales de partículas tienen diferentes cargas eléctricas. Los protones son positivos (+), los electrones son negativos (-) y los neutrones no tienen carga eléctrica. Esto explica que los electrones estén revoloteando alrededor del núcleo de cualquier átomo: las partículas que forman cualquier núcleo son protones (+) y neutrones (sin carga), por lo tanto el núcleo tiene carga positiva. Como los electrones tienen carga negativa, estos se sienten atraídos hacia el núcleo… por lo que se quedan orbitando a su alrededor.
Pero lo que no explica esta fuerza es que los núcleos de los átomos estén formados por protones que están pegaditos unos con otros (además de algunos neutrones). Si todos los protones tienen carga positiva, ¿no se repelen entre sí? ¿Cómo puede ser? ¿No tendrían que explotar los núcleos de los átomos? Bien, tendrían que explotar… pero si no lo hacen habrá que investigar porqué.
E investigando se ha observado que cuando los protones están muy, muy cerca unos de otros aparece otra fuerza que llamamos “fuerza nuclear fuerte”. Así que la fuerza electromagnética intenta separarlos, pero la fuerza nuclear fuerte los junta. La fuerza nuclear fuerte gana sobradamente a la electromagnética, pero sólo cuando los protones están los suficientemente cerca unos de otros.
Como esto puede resultar raro para entender, intentaré hacerlo fácil…
Imagina que un amigo tuyo y tú estáis en la montaña… vosotros seréis los protones. Resulta que estáis cruzando un río por encima de un tronco que está apoyado a ambos lados del río, y tú caes al río. La corriente empieza a arrastrarte e intenta separarte de tu amigo protón. En este caso la fuerza de la corriente de agua sería la fuerza electromagnética. Tú nadas con fuerza para llegar al tronco donde tu amigo protón te espera con la mano extendida. Sabes que en cuanto le cojas la mano, la corriente (fuerza electromagnética) no podrá separarte de tu amigo, pero tienes que llegar lo suficientemente cerca para cogerle la mano y que pueda agarrarte con su fuerza, que en este caso sería la fuerza nuclear fuerte. Finalmente llegas a una distancia suficientemente corta como para agarrar su mano, y quedáis unidos. La corriente (fuerza electromagnética) ya no podrá separaros.
Eso es lo que pasa: los protones pueden quedar unidos por la fuerza nuclear fuerte, pero sólo cuando de alguna manera hayan podido acercarse lo suficiente unos a otros como para que esta fuerza pueda vencer a la repulsión electromagnética que intenta separarlos.
Y nos estamos acercando al meollo del asunto…
Elementos ligeros, y no tan ligeros…
Más arriba dije algo sobre cómo “fabricar” elementos: añadimos un protón al núcleo y un electrón a las órbitas y ya tenemos el siguiente elemento de la tabla periódica. Pero ahora sabemos que no es tan fácil añadir protones al núcleo… porque hay una fuerza que nos lo impide.
Por ejemplo, el núcleo de hidrógeno está formado por un protón. Para conseguir helio hay que añadir otro protón en su núcleo, así que hay que vencer la fuerza de repulsión entre dos protones hasta acercarlos lo suficiente para que queden unidos por fuerza nuclear fuerte.
Para conseguir litio habría que añadir un protón al núcleo del átomo de helio, pero acercar este protón a ese núcleo es más difícil que antes, ya que ahora hay dos protones en el núcleo que repelen al que se acerca.
Para conseguir berilio habría que añadir un protón al núcleo de Litio, y es aún más difícil, ya que ahora son tres los protones del núcleo que repelen al que se acerca.
Y así sucesivamente…
Bien, a los elementos cuyos átomos tienen pocos protones (y neutrones) se les llama elementos ligeros, mientras que a los que tienen bastantes protones y neutrones en su núcleo se dice que son elementos pesados.
El hidrógeno es ligero porque tiene un solo protón en su núcleo. En cambio, el plomo es un elemento más pesado porque tiene 82 protones en su núcleo.
Resulta que en el principio de formación del Universo (Big Bang, o gran explosión) los protones chocaban con violencia. En algunos de estos choques dos protones podían quedar unidos. Después podían chocar con un neutrón que vagara solo por el espacio y quedar unidos también…y un poco más tarde podían chocar con otro neutrón y también quedar unidos. Por lo tanto ya se había formado un núcleo de helio. Más tarde, este núcleo podía capturar un par de electrones que quedaran orbitando a su alrededor, ¡y ya teníamos helio!
Esto podía pasar para elementos ligeros, ya que la fuerza electromagnética de repulsión de los núcleos hacia otros protones podía ser superada por la velocidad que llevaban estas partículas después de la gran explosión. Pongamos que se llegaban a formar hasta átomos de oxígeno, que tiene 8 protones en su núcleo…Pero no era “tan fácil” que se formara hierro (26 protones), calcio (20 protones) o plomo (82 protones).
¿Dónde se forman los elementos pesados?
Bien, supongo que ya sabes que necesitamos calcio para vivir, así como hierro, magnesio, cobre… De hecho, en nuestro organismo hay una pequeña cantidad de casi todos los elementos que se encuentran en la naturaleza, y son imprescindibles para nuestra vida.
Pero, ¿de dónde han salido estos elementos? No pudieron formarse en el Big Bang… ¿dónde se habrán formado?
Bueno, la mayor parte de los elementos se han formado y se siguen formando en el interior de las estrellas.
Las estrellas son grandes hornos, y en su interior se alcanzan temperaturas muy, muy elevadas. Cuando la temperatura aumenta, las partículas se mueven cada vez más rápido, y chocan entre ellas con más violencia. Y cuanto más alta la temperatura, más violentos los choques entre las partículas. Cuando la temperatura es suficientemente elevada los protones son capaces de chocar unos con otros tan violentamente que se forman todos los núcleos de todos los elementos que se encuentran en la naturaleza. Y las temperaturas a las que esto puede suceder solo se encuentran en los núcleos de las estrellas…
Algunos tipos de estrellas explotan cuando acaba su ciclo de vida. Al ocurrir esto, el material que forma la estrella sale despedido en forma de polvo, y este polvo contiene una gran variedad de elementos. El polvo se va juntando y forma pequeñas piedras, y las piedras se van juntando para formar objetos más grandes… ¡hasta planetas!
El camino ha sido largo… pero mereció la pena.
¿Recuerdas cómo empezó? ¡Eres un Sol!
Está bien, no es que seas exactamente una estrella, pero puedes estar completamente segura o seguro de que una parte muy importante de la materia que te compone está formada por átomos que nacieron en el interior de estrellas… Estrellas que talvez ya no existan como tales, pero su materia está por todas partes… ¡incluso en ti!
…y especialmente en ti…
¡Hasta la próxima!
Raúl.
Grandísimo post, por lo largo, y por lo interesante del meollo.
Ya sabía yo que estoy hecho una estrella.
Deeeentro de tí, hay una estreeella, si lo deseeas, brillaraaa! (qué grande Bertín Osborne)
Me ha recordado a cuando estudiaba la formación de elementos pensados en 1º de carrera. Qué tiempos aquellos, aunque no sé, me extraña que no hayas comentado lo del mago con la varita que crea elementos del éter.
Por cierto, muy interesante si queréis reflexionar sobre este tema es el misterio de los números mágicos: los que se propusieron en 1949 son 2, 8, 20, 28, 50 y 82, y ahora se ha añadido a la lista el 14. Basta con poner en un buscador «números mágicos + formación de elementos» y a partir de la segunda entrada podréis leer más.
Pues a ver si me hacéis un estudio de eso que dice Turg! Que tiene buena pinta!
Besos
Bacan la explicacion instructiva muy divertida e instructiva.
Hace mucho estaba buscanco una explicacion sencilla de como funcionan los atomos…
Tks.. muy instructiva…
como esta formado el atomo de oxigeno?
extraordinario. gracias, muy bello y esclarecedor!
esta ficchaso