sábado, 24 de octubre del 2020 Fecha
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Un viaje: desde los átomos hasta las estrellas

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en ¡Las estrellas!    ~    Comentarios Comments (1)

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Empedocles, filósofo presocrático de la antigua Grecia. Imagen procedente de Thomas Stanley  (1655), The history of philosophy. El intuía que todo era la misma cosa, y, en cada tiempo y lugar, adoptaba la forma que la Naturaleza le tenía predestinada. Una de las cosas que decía era:

 

Pues yo he sido a veces un muchacho y una chica,

Un matorral y un pájaro y un pez en las olas saladas.

Empedocles 4 Elementos o Raices - YouTube

Esto nos decía Empédocles, el padre de aquellos primitivos elementos formados por Agua, tierra, aire y fuego que, mezclados en la debida proporción, formaban todas las cosas que podemos ver a nuestro alrededor. Claro que, él no podía llegar a imaginar hasta donde pudimos llegar después en la comprensión de la materia a partir del descubrimiento de las partículas “elementales” que formaban el átomo.

Sí, hay cosas malas y buenas  pero, todas deben ser conocidas para poder, en el primer caso aprovecharlas y en el segundo prevenirlas.

De qué color es el Sol? | Internacional | Noticias | El Universo

Pero demos un salto en el tiempo y viajemos hasta los albores del siglo XX cuando se hacía cada vez más evidente que alguna clase de energía atómica era responsable de la potencia del Sol y del resto de las estrellas que más lejos, brillaban en la noche oscura.

Henri Becquerel, físico que descubrió la radioactividad

Ya en 1898, sólo dos años más tarde del descubrimiento de la radiactividad por Becquerel, el geólogo americano Thomas Chrowder Chamberlin especulaba que los átomos eran complejas organizaciones y centros de enormes energías, y que las extraordinarias condiciones que hay en el centro del Sol pueden liberar una parte de su energía. Claro que, por aquel entonces, nadie sabía cual era el mecanismo y cómo podía operar, hasta que no llegamos a saber mucho más, sobre los átomos y las estrellas.

El intento de lograr tal comprensión exigió una colaboración cada vez mayor entre los astrónomos y los físicos nucleares. Su trabajo llevaría, no sólo a resolver la cuestión de la energía estelar, sino también al descubrimiento de una trenza dorada en la que la evolución cósmica se entrelaza en la historia atómica y la estelar.

FUNDAMENTOS DE LA ESTRUCTURA DEL ÀTOMO. EL ATOMO.  Unión de dos vocablos:  α (a), que significa "sin", y τομον (tomon), que significa "división“.  “Algo. - ppt descargarCuarta fase: El núcleo atómico - Teoría de Ruedas

La Clave: Fue comprender la estructura del átomo. Que el átomo tenía una estructura interna podía inferirse de varias líneas de investigación, entre ellas, el estudio de la radiactividad: para que los átomos emitiesen partículas, como se había hallado que lo hacían en los laboratorios de Becquerel y los Curie, y para que esas emisiones los transformasen de unos elementos en otros, como habían demostrado Rutherford y el químico inglés Frederick Soddy, los átomos debían ser algo más que simples unidades indivisibles, como implicaba su nombre (de la voz griega que significa “imposible de cortar”).

La teoría del átomo de Demócrito | Historias de nuestra Historia

Demócrito, un griego que vivió del 460 aC a 370 aC, desarrolló una nueva teoría de la materia. … Demócrito teorizó que los átomos eran específicos del material del que formaban parte, lo que significaba que los átomos de una piedra eran únicos en la piedra y diferentes de los átomos de otros materiales, como la piel.

Él creía que los átomos eran la parte más pequeña, invisible e indivisible de la materia.

leyes que cambiaron el mundo blogsport.com: Demócrato y los átomos.

El átomo de Demócrito era mucho más de lo que él, en un principio, intuyó que sería. Hoy sabemos que está conformado por diversaspartículas de familias diferentes: unas son bariones que en el seno del átomo llamamos nucleones, otras son leptones que giran alrededor del núcleo para darle estabilidad de cargas, y, otras, de la familia de los Quarks, construyen los bariones del núcleo y, todo ello, está, además, vigilado por otras partículas llamadas bosones intermedios de la fuerza nuclear fuerte, los Gluones que, procuran mantener confinados a los Quarks.

Quién descubrió el electrón? - 100CIAEl experimento de Rutherford

                                                  Rutherford, en realidad, descubrió el núcleo atómico

Pero no corramos tanto, la física atómica aún debería recorrer un largo camino para llegar a comprender la estructura que acabamos de reseñar. De los tres principales componentes del átomo (el protón, el neutrón y el electrón), sólo el electrón había sido identificado (por J.J. Thomson, en los últimos años del siglo XIX). Nadie hablaba de energía “nuclear” pues ni siquiera se había demostrado la existencia de un núcleo atómico, y mucho menos de sus partículas constituyentes, el protón y el neutrón, que serían identificados, respectivamente, por Thomson en 1913 y James Chawick en 1932.

De importancia capital resultó conocer la existencia del núcleo y que éste, era 1/100.000 del total del átomo, es decir, casi todo el átomo estaba compuesto de espacios “vacíos” y, la materia así considerada, era una fracción infinitesimal del total atómico.

The Gold Foil Experiment by Oliul Chowdhury

Rutherford, Hans Geiger y Ernest Marsden se encontraban entre los Estrabones y Tolomeos de la cartografía atómica, en Manchester , de 1909 a 1911, sondearon el átomo lanzando corrientes de “partículas alfa” subatómicas -núcleos de helio- contra delgadas laminillas de oro, plata, estaño y otros metales. La mayoría de partículas Alfa se escapaban a través de las laminillas, pero, para sombro de los experimentadores, algunas rebotaban hacia atrás.

ERNEST RUTHERFORD (1911) - 478 - EL ATOMOParticula alfa | ¿Qué es la radioactividad? Definición

Rutherford pensó durante largo tiempo e intensamente en este extraño resultado; era tan sorprendente, señalaba, como si una bala rebotase sobre un pañuelo de papel. Finalmente, en una cena en su casa en 1911, anunció a unos pocos amigos que había dado con una explicación: que la mayoría de la masa de un átomo reside en un diminuto núcleo masivo. Rutherford pudo calcular la carga y el diámetro máximo del núcleo atómico. Así se supo que los elementos pesados eran más pesados que los elementos ligeros porque los núcleos de sus átomos tienen mayor masa.

Todos sabemos ahora, la función que desarrollan los electrones en el átomo. Pero el ámbito de los electrones para poder llegar a la comprensión completa, tuvo que ser explorado, entre otros, por el físico danés Niels Bohr, quien demostró que ocupaban órbitas, o capas, discretas que rodean al núcleo. (Durante un tiempo Bohr consideró el átomo como un diminuto sistema solar, pero ese análisis, pronto demostró ser inadecuado; el átomo no está rígido por la mecánica newtoniana sino por la mecánica cuántica.)

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Entre sus muchos otros éxitos, el modelo de Bohr revelaba la base física de la espectroscopia. El número de electrones de un átomo está determinado por la carga eléctrica del núcleo, la que a su vez se debe al número de protones del núcleo, que es la clave de la identidad química del átomo. Cuando un electrón cae  de una órbita externa a una órbita interior emite un fotón. La longitud de onda de este fotón está determinada por las órbitas particulares entre las que el electrón efectúa la transición.

Centro Alemán de Información para Latinoamérica on Twitter: "Joseph v # Fraunhofer: 1º en medir espectro luz solar, 230 aniversario. Hoy, Inst. @ Fraunhofer forman punta de lanza investigación #CAInforma…  https://t.co/WglDQne98O"

Esta es la razón de que un espectro que registra las longitudes de onda de los fotones, revele los elementos químicos que forman las estrellas u otros objetos que sean estudiados por el espectroscopista. En palabras de Max Planck, el fundador de la física cuántica, el modelo de Bohr del átomo nos proporciona “la llave largamente buscada de la puerta de entrada al maravilloso mundo de la espectroscopia, que desde el descubrimiento del análisis espectral (Fraunhoufer) había desafiado obstinadamente todos los intentos de conocerlo”.

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Es curioso que, mirando en la oscura noche como brillan las estrellas del cielo, nos atrae su titilar engañoso (es la atmósfera terrestre la que hace que lo parezca) y su brillo, Sin embargo, pocos llegan a pensar en lo que verdaderamente está allí ocurriendo. Las transformaciones de fase por fusión no cesan. Esta transformación de materia en energía es consecuencia de la equivalencia materia-energía, enunciada por Albert Einstein en su famosa fórmula E=mc2; donde E es la energía resultante, m es la masa transformada en energía, y c es la velocidad de la luz (299.792,458 m/s kilómetros). La cantidad de energía que se libera en los procesos de fusión termonuclear es fabulosa. Un gramo de materia transformado íntegramente en energía bastaría para satisfacer los requerimientos energéticos de una familia mediana durante miles de años.

Equivalencia entre masa y energía — Cuaderno de Cultura Científica

El USS Enterprise en 1964 durante la operación «Sea Orbit» en la que dio la vuelta al mundo en 65 días sin repostar, demostrando la capacidad de la tecnología basada en la equivalencia entre masa y energía.

La Royal Society elige una investigación de la Universidad de Granada como  la más destacada del mes - Tek'n'life

Es un gran triunfo del ingenio humano el saber de qué, están hechas las estrellas, de qué materiales están conformadas. Recuerdo aquí a aquel Presidente de la Real Society de Londres que, en una reunión llegó a decir:

“Una cosa está clara, nunca podremos saber de qué están hechas las estrellas”.

El hombre se vistió de gloria con la, desde entonces, famosa frase. Creo que nada, con tiempo por delante, será imposible para nosotros.

Las estrellas brillando y galaxy ilustración. Constellation contra la  nebulosa Imagen Vector de stock - AlamyPor qué brillan las estrellas? - VIX

Pero, por maravilloso que nos pueda parecer el haber llegado a la comprensión de que los espectros revelan saltos y tumbos de los electrones en sus órbitas de Bohr, aún nadie podía hallar en los espectros de las estrellas las claves significativas sobre lo que las hace brillar. En ausencia de una teoría convincente, se abandonó este campo a los taxonomistas, a los que seguían obstinadamente registrando y catalogando espectros de estrellas, aunque no sabían hacia donde los conduciría esto.

En el Laboratorio de la Universidad de Harvard, uno de los principales centros de la monótona pero prometedora tarea de la taxonomía estelar, las placas fotográficas que mostraban los colores y espectros de decenas de miles de estrellas se apilaban delante de “calculadoras”, mujeres solteras en su mayoría y, de entre ellas,..

Henrietta Swan Leavitt | Henrietta swan leavitt, Henrietta leavitt,  HenriettaEdwin Hubble: ¿Qué aportó a la ciencia?Universo a la vista 1: Harlow Shapley, víctima del macarthismo

    Ambos astrónomos e vieron involucrados en telas políticos que nada tenían que ver con su trabajo

Henrietta Leavitt, la investigadora pionera de las estrellas variables Cefeidas que tan útiles serían a Shapley y Hubble.

“La carta sospechosa estaba dirigida a Edwin Hubble. Y había sido enviada por Harlow Shapley. El episodio involucraba entonces nada menos que a dos de los más grandes astrónomos de Estados Unidos y de más allá de sus fronteras, responsables de nuestro actual conocimiento de la estructura del Universo y del lugar que ocupa nuestro sistema solar en él.”

Estrella Sirio, Todo Lo Que No Sabías Sobre Ella Conócelo Aquí.

Imagen de Sirio A (estrella grande) y Sirio B (estrella pequeña abajo a la derecha) tomadas por el Telescopio Hubble  (Créd. NASA). Sirio es la quinta estrella más cercana y tiene una edad de 300, millones de años. Es una estrella blanca de la secuencia principal de tipo espectral A1V con temperatura superficial de 10 000 K y situada a 8,6 años luz de la Tierra. Es una estrella binaria y, de ella, podríamos contar muchas historias. La estrella fue importante en las vidas de Civilizaciones pasadas como, por ejemplo, la egipcia.

Amanecer de Sirio: observa a la estrella más brillante estos días y celebra  el Año Nuevo egipcio y la canículaEl misterio de la estrella Sirio | Universo estrellas, Constelaciones,  Estrellas

La estrella Sirio, llamada Sopdet por los egipcios, da lugar a uno de estos sucesos singulares: su primera aparición anual al amanecer, el llamado orto helíaco

La increíble Astronomía del Antiguo Egipto - https://www.elitediario.com

Una de las peculiaridades de este calendario de 365 días es que carece de año bisiesto. Puesto que la duración del año trópico (el de las estaciones) es prácticamente un cuarto de día mayor, esto supone que todos los eventos cíclicos, incluidos los astronómicos, se atrasen un día cada cuatro años. La estrella Sirio, llamada Sopdet por los egipcios, da lugar a uno de estos sucesos singulares: su primera aparición anual al amanecer, el llamado orto helíaco.

La astronomía en Egipto, el origen del calendarioDiez días que (no) hicieron historia

Fue Cannon quien, en 1915, empezó a discernir la forma en una totalidad de estrellas en las que estaba presente la diversidad, cuando descubrió que en una mayoría, las estrellas, pertenecían a una de media docena de clases espectrales distintas. Su sistema de clasificación, ahora generalizado en la astronomía estelar, ordena los espectros por el color, desde las estrellas O blanco-azuladas, pasando por las estrellas G amarillas como el Sol, hasta estrellas rojas M. Era un rasgo de simplicidad denajo de la asombrosa variedad de las estrellas.

Pronto se descubrió un orden más profundo, en 1911, cuando el ingeniero y astrónomo autodidacta danés Ejnar Hertzsprung analizó los datos de Cannon y Maury de las estrellas de dos cúmulos, las Híades y las Pléyades. Los cúmulos como estos son genuinos conjuntos de estrellas y no meras alineaciones al azar; hasta un observador inexperimentado salta entusiasmado cuando recorre con el telescopio las Pléyades, con sus estrellas color azul verdoso enredadas en telarañas de polvo de diamante, o las Híades, cuyas estrellas varían en color desde el blanco mate hasta un amarillo apagado.

                                                                                                           Híades

Hertzsprung utilizó los cúmulos como muestras de laboratorio con las que podía buscar una relación entre los colores y los brillos intrínsecos de las estrellas. Halló tal relación: la mayoría de las estrellas de ambos cúmulos caían en dos líneas suavemente curvadas. Esto, en forma de gráfico, fue el primer esbozo de un árbol de estrellas que desde entonces ha sido llamado diagrama Hertzsprung-Russell.

Astronomía para tontos: Diagrama Hertzsprung-RussellDiagrama Hertzsprung-Russell: clasificación de las estrellas según su  luminosidad y temperatura superficial. Estos dos dato… | Our solar system,  Solar, Solar system

El progreso en física, mientras tanto, estaba bloquedado por una barrera aparentemente insuperable. Esto era literal: el agente responsable era conocido como barrera de Coulomb, y por un tiempo frustó los esfuerzos de las físicos teóricos para copmprender como la fusión nuclear podía producir energía en las estrellas.

La línea de razonamiento que conducía a esa barrera era impecable. Las estrellas están formadas en su mayor parte por hidrógeno. (Esto se hace evidente en el estudio de sus espectros.) El núcleo del átomo de Hidrógeno consiste en un solo protón, y el protón contiene casi toda la masa del átomo. (Sabemos esto por los experimentos de Rutherford). Por tanto, el protón también debe contener casi toda la energía latente del átomo de hidrógeno. (Recordemos que la masa es igual a la energía: E = mc2).

En el calor de una estrella, los protones son esparcidos a altas velocidades -el calor intenso significa que las partículas involucradas se mueven a enormes velocidades- y, como hay muchos protones que se apiñan en el núcleo denso de una estrella, deben tener muchísimos choques. En resumen, la energía del Sol y las estrellas, puede suponerse razonablemente, implica las interacciones de los protones. Esta era la base de la conjetura de Eddintong de que la fuente de la energía estelar “difícilmente puede ser otra que la energía subatómica, la cual, como se sabe, existe en abundancia en toda materia”.

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                                                              Plasma en ebullición en la superficie del Sol

Coulomb Barrier for Nuclear Fusion

Hasta el momento todo lo que hemos repasado está bien pero… ¿Qué pasa con la Barrera de Coulomb? Los protones están cargados positivamente; las partículas de igual carga se repelen entre sí; y este obstáculo parecía demasiado grande para ser superado, aun a la elevada velocidad a la que los protones se agitaban en el intenso calor del interior de las estrellas. De acuerdo con la física clásica, muy raras veces podían dos protones de una estrella ir con la rapidez suficiente para romper las murallas de sus campos de fuerza electromagnéticos y fundirse en un solo núcleo. Los cálculos decían que la tasa de colisión de protones no podía bastar para mantener las reacciones de fusión. Sin embargo, allí estaba el Sol, con el rostro radiante, riéndose de las ecuaciones que afirmaban que no podía brillar.

Barrera de Coulomb - Wikipedia, la enciclopedia libre

Afortunadamente, en el ámbito nuclear, las reglas de la Naturaleza no se rigen por las de la mecánica de la física clásica, que tienen validez para grandes objetos, como guijarros y planetas, pero pierden esa validez en el reino de lo muy pequeño. En la escala nuclear, rigen las reglas de la indeterminación cuántica.  La mecánica cuántica demuestra que el futuro del protón sólo puede predecirse en términos de probabilidades: la mayoría de las veces el protón rebotará en la Barrera de Coulomb, pero de cuando en cuando, la atravesará. Este es el “efecto túnel cuántico”; que permite brillar a las estrellas.

Dejemos aquí este proceso y digamos que, realmente, la mayoría de las veces el protón rebotará en la Barrera de Coulomb, pero de cuando en cuando la …

Proceso triple-alfa - Wikipedia, la enciclopedia libre

El efecto Triple Alfa que consigue fusionar Carbono

George Gamow, ansioso de explotar las conexiones entre la astronomía y la nueva física exótica a la que era adepto, aplicó las probabilidades cuánticas a la cuestión de la fusión nuclear en las estrellas y descubrió que los protones pueden superar la Barrera de Coulomb. Esta historia es mucho más extensa y nos llevaría hasta los trabajos de Hans Bethe, Edward Teller y otros, así como, al famoso Fred Hoyle y su efecto Triple Alfa y otras maravillas que, nos cuentan la historia que existe desde los átomos a las estrellas del cielo.

emilio silvera