El núcleo atómico

Rutherford descubrió que el átomo tenía un núcleo más denso. Entre 1906 y 1908 (hace ahora más de un siglo) realizó constantes experimentos disparando partículas alfa contra una lámina sutil de metal (como oro o platino), para analizar sus átomos. La mayor parte de los proyectiles atravesaron la barrera sin desviarse (como balas a través de las hojas de un árbol), pero no todos. En la placa fotográfica que le sirvió de blanco tras el metal, Rutherford descubrió varios impactos dispersos e insospechados alrededor del punto central. Comprobó que algunas partículas habían rebotado.

Era como si en vez de atravesar las hojas, algunos proyectiles hubiesen chocado contra algo más sólido. Rutherford supuso que aquella “balas” habían chocado contra una especie de núcleo denso, que ocupaba sólo una parte mínima del volumen atómico y ese núcleo de intensa densidad desviaban los proyectiles que acertaban a chocar contra él. Ello ocurría en muy raras ocasiones, lo cual demostraba que los núcleos atómicos debían ser realmente ínfimos, porque un proyectil había de encontrar por fuerza muchos millones de átomos al atravesar la lámina metálica.

Era lógico suponer, pues, que los protones constituían ese núcleo duro. Rutherford representó los protones atómicos como elementos apiñados alrededor de un minúsculo “núcleo atómico” que servía de centro (después de todo eso, hemos podido saber que el diámetro de ese núcleo equivale a algo más de una cienmilésima del volumen total del átomo).

En 1908 se concedió a Rutherford el premio Nobel de Química por su extraordinaria labor de investigación sobre la naturaleza de la materia. Él fue el responsable de importantes descubrimientos que permitieron conocer la estructura de los átomos en esa primera avanzadilla.

Desde entonces se pueden describir con términos más concretos los átomos específicos y sus diversos comportamientos. Por ejemplo, el átomo de hidrógeno posee un solo electrón. Si se elimina, el protón restante se asocia inmediatamente a alguna molécula vecina; y cuando el núcleo desnudo de hidrógeno no encuentra por este medio un electrón que participe, actúa como un protón (es decir, una partícula subatómica), lo cual le permite penetrar en la materia y reaccionar con otros núcleos si conserva la suficiente energía.

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No está completo el llamado Modelo Estándar que describe las partículas que forman la materia conocida y las fuerzas que intervienen e interaccionan con ellas.  La gravedad, quedó plasmada en la relatividad general de Einstein.

¿Por qué es incompleto el modelo estándar? Una carencia es que no se haya visto todavía el quark top.  Otra la ausencia de una de las cuatro fuerzas fundamentales, la Gravedad.  Otro defecto estético es que no es lo bastante simple; debería parecerse más a la tierra, aire, fuego y agua, de Empédocles.  Hay demasiados parámetros y demasiados controles que ajustar.

Materia

Leptones levógiros                                                  Leptones dextrógiros

Antimateria

“Sin embargo, se verificó experimentalmente que la interacción nuclear débil viola la simetría P: se comporta diferente a su imagen especular. Esto supuso que otra simetría es violada para restaurar la simetría CPT. De esta manera la simetría CP y la simetría T se supusieron fundamentales. Experimentos sobre el kaón demostraron que el sector cuark viola la simetría CP, consecuentemente la simetría T, aunque esta última no pudo ser verificada experimentalmente debido a su dificultad.”

Necesitamos una nueva teoría que sea menos complicada, más sencilla y bella, sin vericuetos intrincados que salvar, con la limpieza y serena majestad de la teoría de la Gravedad que, con enorme simpleza y aplicando principios naturales, trata los temas más profundos del Universo.

Esperemos que continué desarrollándose la teoría de cuerdas y que, como parece, incluya todas las fuerzas, todas las partículas y, en fin, todos los parámetros que dan sentido al Universo.

A todo esto y como he dicho, el quark top está perdido y el neutrino tau, no se ha detectado directamente, y muchos de los números que nos hacen falta conocer los tenemos de forma imprecisa.  Por ejemplo, no sabemos si los neutrinos tienen alguna masa en reposo.

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El hombre se ha preguntado durante largo tiempo, “¿de qué está hecho el mundo?” Demócrito de Abdera nos hablaba del “átomo” y Empédocles de “elemenmtos”, otros, se referían a la sustancia cósmica a la que llamaban Ylem, aquella “semilla” primera que daría lugar a la venida de la materia. ¿No será el Ylem, lo que hoy llaman materia oscura?

Ahora sabemos que, no sólo nuestro mundo, sino todo el inmenso Universo, está hecho de pequeños objetos infinitesimales a las que hemos denominado partículas sub-atómicas y que forman varias familias. Unas son más elementales que otras y según, a qué familia pertenezcan, atienden o se rigen por una u otra fuerza elemental.

“Esquema de principios de siglo XX para un átomo de helio, mostrando dos protones (en rojo), dos neutrones (en verde) y dos electrones.”

Son los constituyentes fundamentales de toda la materia del Universo (por lo menos de toda la materia conocida y que podemos detectar formando estrellas y mundos, galaxias o seres vivos). Hemos podido llegar a saber que, de esas briznas de materia se forman los núcleos que, rodeados de electrones conforman los átomos de la materia.

Los grupos de  átomos conforman las moléculas que son las unidades fundamentales de los compuestos químicos pero, comencemos por los núcleos atómicos:

Muchas son las veces que aquí mismo he podido explicar, que los quarks u y d se hallan en el interior de los nucleones y, por tanto, su habitat está en los núcleos atómicos donde se encuentran confinados y, en realidad, no intervienen directamente  en las propiedades de los núcleos. Sin embargo, no podemos olvidar que la fuerza nuclear fuerte está ahí reteniendo a los Quarks por medio de losGgluones y, eso hace que, el núcleo sea estable.

Los núcleos atómicos constituyen un tipo de materia que, aisladamente, de forma individual (si exceptuamos el protón), siempre están en ambientes muy energéticos, por ejemplo, en el interior de las estrellas. En nuestro entorno terráqueo, es raro encontrar núcleos aislados, sino parcial o totalmente confinados dentro de los átomos.

Sabemos que el número de especímenes atómicos es limitado, existiendo ciertas razones para suponer que hacia el número atómico 173 los correspondientes núcleos serían inestables, no por razones intrínsecas de inestabilidad “radiactiva” nuclear, sino por razones relativistas. Ya señalé en otros escritos que, el número de especies atómicas, naturales y artificiales, es de unos pocos miles, en cambio, el número de moléculas conocidas hasta ahora comprenden unos pocos millones de especímenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a la síntesis que se lleva a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

Una molécula es una estructura, con individualidad propia, constituida por un conjunto de núcleos y sus  electrones. La molécula más sencilla es la de Hidrógeno que tiene dos electrones, hasta las más complejas como las de las proteínas, con muchos miles de ellos, existen toda una gama de varios millones. Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

                       Molécula de Agua

Silicio

Desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que las nucleares o atómicas. Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica, y en particular a los electrones más débilmente ligados. Concretando un poco más, se podría admitir que la citada información la aportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales los que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones “corticales”.

Las partículas forman átomos, los átomos moléculas y las moléculas sustancias y cuerpos que están hechos por la diversa variedad de elementos que conforma la materia conocida y que, en definitiva, sólo son Quarks y Leptones-

“Durante el paso del tiempo una de las mayores incógnitas de la humanidad es saber de qué estamos hechos. Muchas filosofías antiguas creían eran un conjunto de elementos como el agua, el aire, el fuego y la tierra por mencionar algunos. Hoy en día los físicos creen que estamos formados por doce partículas fundamentales los quarks y leptones.”

Con los Quarks formados en tripletes se forman los protones y neutrones que son los nucleones situados en el núcleo de los átomos (Hadrones de la rama barionica), otros hadrones llamados mesones están hechos de un Quarks y un antiquark y sus funciones son otras.

Los quarks y leptones como partículas fundamentales (se cree)  no tienen infraestructura y no se puede descomponer en partículas más pequeñas. Estos interactúan a través de cuatro fuerzas para formar así el universo que lo conocemos hoy en día.

               Partículas mediadoras de la fuerza nuclear débil

La primera imagen que se logró de la partícula de luz: El Fotón, la partícula mediadora de todas las interacciones electromagnéticas del Universo.

Los Quarks están confinados dentro de los nucleones (Protones y Neutrones= retenidos por la partícula mediadora llamada Gluón (en la segunda imagen se ve la muestra).

El esquivo Gravitón (si existe), no ha podido ser encontrado, se cree que al ser la Gravedad la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales  su partícula mediadora el Gravitón es de escala infinitesimal y difícil de detectar.

Estas doce partículas elementales a su vez están mediadas por los intercambios de otro tipo de partículas que pueden referirse como mediadores de fuerza, de estos se conocen cuatro tipos: el “gluón”, “fotón”, “gravitón” y “bosones débiles”. Aunque en realidad, el gravitón aún no ha sido confirmado experimentalmente , pero muchos físicos asumen que existe este mediador.

Como un núcleo y un electrón que se atraen entre sí debido a sus cargas eléctricas, los quarks se combinan entre sí por sus cargas de color . La fuerza que la mayoría de los físicos creen que los quarks son los bloques de construcción fundamentales que componen el universo, no se ha observado un quark aislado por sí mismo. Esto es debido a la naturaleza a fuerte es una fuerza que actúa entre cargas de color. Al igual que hay dos tipos de cargas eléctricas, hay tres tipos de cargas de color “rojo”, “azul” y “verde”, análogos a los colores primarios de la luz.

Ahora bien si conoces la teoría de los colores elementales de la luz , se puede recordar que la superposición de los tres colores elementales termina con el blanco. Esta es la razón por la cual un protón y un neutrón están formados por tres quarks. En un protón y un neutrón, un quark tiene un color rojo, otro tiene un color azul y la tercera uno tiene unie ha tenido éxito en aislar un quark, a este fenómeno se llama el confinamiento quark.

“La tabla periódica de los elementos es una disposición de los elementos químicos en forma de tabla, ordenados por su número atómico (número de protones),²​ por su configuración de electrones y sus propiedades químicas. Este ordenamiento muestra tendencias periódicas, como elementos con comportamiento similar en la misma columna.

Dmitri Mendeléyev publicó en 1869 la primera versión de tabla periódica que fue ampliamente reconocida. La desarrolló para ilustrar tendencias periódicas en las propiedades de los elementos entonces conocidos, al ordenar los elementos basándose en sus propiedades químicas,⁷​ si bien Julius Lothar Meyer, trabajando por separado, llevó a cabo un ordenamiento a partir de las propiedades físicas de los átomos.⁸​ Mendeléyev también pronosticó algunas propiedades de elementos entonces desconocidos que anticipó que ocuparían los lugares vacíos en su tabla. Posteriormente se demostró que la mayoría de sus predicciones eran correctas cuando se descubrieron los elementos en cuestión.”

“De los elementos con número atómico entre 1 hasta 92, todos a excepción de cuatro (₄₃Tc, ₆₁Pm, ₈₅At, y ₈₇Fr) se pueden detectar fácilmente en ciertas cantidades en la Tierra, teniendo una vida estable, o unos isótopos de vida media relativamente larga, o se generan como subproductos del uranio. Todos los elementos con gran número atómico tienen una probabilidad alta de haber sido generados de forma artificial, otros son extremadamente raros y por lo tanto han sido descubiertos mediante investigaciones científicas, y otros por el contrario no han existido anteriormente, como el plutonio y el neptunio, de los cuales ninguno tiene existencia natural sobre la tierra.

Todos ellos son radiactivos, con una vida media más corta que la edad de la Tierra, de esta forma es posible que estos elementos, estuvieran presentes en la formación de la tierra. Las trazas de neptunio y plutonio aparecen solo durante las pruebas de las bombas atómicas explotadas en la atmósfera. Tanto el Np como el Pu generados proceden de captura de neutrones en el uranio con dos reacciones posteriores de decaimiento beta.”

“La mayoría de los elementos generados de forma artificial se pueden obtener como elemento sintético vía reacciones nucleares o acelerador de partículas. La vida media de estos elementos suele decrecer con el número atómico.

“Algunos isótopos de los elementos níquel (Ni), cobre (Cu) y zinc (Zn). Como en la mayoría de las tablas de isótopos, los elementos se organizan de abajo hacia arriba según su número atómico creciente, y los isótopos de izquierda a derecha según su masa creciente. Color negro: isótopos estables; azul: isótopos emisores de partículas beta; rojo: isótopos emisores de partículas beta.”

Existen, no obstante excepciones, que incluyen el dubnio y algunos isótopos del curio. El químico Glenn T. Seaborg (Premio Nobel de Química) llegó a crear leyes empíricas capaces de predecir estas anomalías. Todas ellas se categorizan en lo que viene a denominarse como “isla de estabilidad”. Los elementos transuránicos no descubiertos todavía, o que no han sido denominados de forma oficial, emplearán la nomenclatura indicada por la IUPAC. A pesar de ello la denominación de algunos elementos transuránicos en el pasado y hoy en día son fuentes de controversia.·

Lista de los elementos transuránicos

• 93 neptunio Np
• 94 plutonio Pu
• 95 americio Am
• 96 curio Cm
• 97 berkelio Bk
• 98 californio Cf
• 99 einstenio Es
• 100 fermio Fm
• 101 mendelevio Md
• 102 nobelio No
• 103 lawrencio Lr
• elementos transactínidos
• 104 rutherfordio Rf
• 105 dubnio Db
• 106 seaborgio Sg
• 107 bohrio Bh
• 108 hassio Hs
• 109 meitnerio Mt
• 110 darmstadtio Ds
• 111 roentgenio Rg
• 112 copernicio Cn
• 113 nihonio Nh
• 114 flerovio Fl
• 115 moscovio Mc
• 116 livermorio Lv
• 117 teneso Ts
• 118 oganesón Og
• Podemos finalizar para decir que, la materia, esconde muchos secretos que aún, debemos desvelar.

Emilio silvera

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Ya podemos “viajar” desde el núcleo atómico hasta las galaxias

Se podría decir, sin temor a equivocarnos que hemos logrado llegar al límite de los dos extremos, uno situado en el núcleo de los átomos y, el otro, en la lejanía espacial donde “viven” las galaxias, El avance tecnológico ha posibilitado que tengamos ingenios muy sofisticados como microscopios de barrido y telescopios que nos llevan hacia el pasado al captar galaxias situadas a miles de millones de años luz de nuestro Sistema solar.

  ¡Los secretosa del Universo! ¿Los podremos desvelar?

 

Lo cierto es que nos gustaría saber muchas cosas, como por ejemplo, cómo actúa la Gravedad a pequeña escala, o, en qué lugares insospechados puede estar presente la mecánica cuántica. El pribela que se nos plantea es que, en última instancia, la mayor incógnita a resolver, es nuestra presencia en el Universo.

 

Hay que buscar Teorías más avanzadas y modernas

El Modelo Estándar es, en la Historia de la Física,  la más sofisticada teoría matemática sobre la Naturaleza de objeto infinitesimales (partículas) que se reparten en familias de Quarks (que construyen los Hadrones) y Leptones que se unen para conformar los átomos de materia, se explica como se producen las interecciones de las fuerzas fundamentales (La Gravedad se resiste a formar parte de dicho “edificio” y se mantiene alejada, en el ámbito de las estrellas, galaxias y mundos.

Ahora preguntemos el por qué los planetas tienen lunas:

A veces nos hemos preguntado por la presencia de esos pequeños mundos alrededor de los planetas y, nos ha llamado la  diversidad de características que cada uno tiene y los define pero, sobre todo, nos hemos preguntado por qué están allí. Y, en a los planetas mayores como Júpiter -al menos en relación a sus cuatro lunas mayores- la respuesta que se nos viene a la mente sería:

Júpiter y Saturno deben poseer estas lunas por idénticas razones por las que el Sol posee sus planetas. En un esquema menor, la situación debió ser la misma. Las grandes lunas de Júpiter son casi tan grandes como planetas, o, al menos, parecen planetas pequeños y, se formarían alrededor del planeta gigante del solar como Mercurio, Venus, la Tierra y Marte lo hicieron alrededor de la estrella que nos alumbra, creciendo a partir de fragmentos de materia planetaria que orbitaban el planeta.

De hecho, el propio Júpiter parece un sistema solar en miniatura. La única diferencia está en que Júpiter, al no tener la masa suficiente, no pudio llegar a ser estrella y se quedó en planeta grande.

                                 ¿Qué “luna” será esta? ¿Tendrá que ver algo con el planeta Marte?

Es posible que las pequeñas lunas del solar tengan un origen diferente. Incluimos aquí las dos lunas de Marte, Phobos y Deimos -simples trozos de roca en forma de patata, de unos quince kilómetros de diámetro-, lo mismo que docenas de pequeñas lunas que giran alrededor de Júpiter y de los demás planetas gigantes.

Quizá, todas esas pequeñas lunas no son otra cosa que que asteroides capturados y atraídos por las grandes masas de esos planetas que generan una fuerte atracción gravitatoria que los hizo apartarse de sus trayectorias normales quedando “prisioneros” del gigante. Sin embargo, pueden pasar relativamente de planetas como Marte y seguir, tranquilamente su viaje hacia los confines del Universo. El que Marte los pueda “enganchar”, posiblemente sea debido a que Phobos y Deimos pasaron a la distancia precisa: Ni tan cerca como para chocar con el planeta ni tan lejos como para poder evadir la fuerza de Gravedad.

Así que, ya sólo nos queda saber el origen de la luna de la Tierra. No creo que ninguna de esas explicaciones nos sirva ni sean satisfactorias al caso. Nuestra Luna no puede ser un planeta en el “ solar” terrestre, porque la Tierra es demasiado pequeña para poder tener su propia familia de planetas. Y además nuestra Luna está formada por materiales muy diferentes a los de los asteroides, lo que nos dice que no se trata de una captura realizada a partir del Cinturón de Asteroides. De hecho, no se ha dado todavía ninguna explicación suficientemente fiable del origen de la Luna.

A escala cósmica, el misterio de nuestra Luna es de importancia, y además es un misterio provocado. Harold Urey, el padre de la ciencia lunar, estudió el problema y se rindió diciendo:

“Es más fácil simular que la Luna no está en el cielo que explicar cómo ha conseguido estar ahí”

 

 

Teorías son muchas y muy variadas pero… Ni la captura de la Luna solitaria y viajera por la la fuerza de gravedad de la Tierra, ni una binaria -la Tierra y la Luna se formaron juntas-, o, la ficción -la Luna es en su origen parte de la Tierra- que, al ser golpeada por un cuerpo de grandes dimensiones, desgajo una parte de su superficie y, junto con otra parte del propio cuerpo invasor (que continuó su camino tan riocamente), quedaron orbitando la Tierra hasta juntarse y formar la Luna.

                                                                    Espectacular salida de la Luna

Hemos podido llegar a descubrir muchas curiosidades que rodean a nuestra Luna y, los modernos telescopios y aparatos de medición nos han dicho que: La Luna se aleja de nosotros describiendo un círculo espiral a razón de 2,5 centímetros cada año y, también hemos llegado a que el día, se alarga un segundo cada cincuenta mil años pero, de dónde vino la Luna… ¡Nadie lo sabe!

Uno de los diez hijos de Darwin llegó a suponer que el ritmo de separación de la Tierra y la Luna, podía dar lugar a imaginar que hace 50 millones de años, la Luna estaba a tan sólo unos 9.000 km de la Tierra en comparación con el promedio de 380.000 km y que el día, tenía una duración de apenas 5 horas.

Como podréis ver, siempre nos gustó especular.

Lo cierto es que hemos llegado a conocer muy bien la Luna y sabemos también, de qué materiales está formada y, en comparación con la Tierra, la Luna presenta una gran pobreza de elementos siderófilos (literalmente, adictos al hierro), que se adhieren con prontitud al hierro. Porque en comparación con la Tierra la Luna tiene una gran escacez de estos componentes; de hecho sólo posee una cuarta parte del hierro que se esperaría en cualquier material rocoso del Sistema solar.

El conocimiento que tenemos de la composición de la Luna se basa, por una parte, en los análisis in situ que realizaron los astronautas del programa Apolo y en los exhaustivos que se han hecho de los casi 400 kilos de rocas lunares que trajeron. Hay que tener en cuenta que los astronautas tocaron únicamente seis puntos de la Luna. Por otra parte, los miles de fotografías de la Luna que se han hecho permiten extrapolar la información obtenida en esos seis muestreos para lograr una aproximación de lo que sería un estudio global, con todos los errores que esta generalización conlleva. Con todo, los geólogos han agrupado los componentes de la Luna en cuatro grandes categorías en función de su origen.

Con la excepción de los elementos implantados por el viento solar (hidrógeno, carbono, nitrógeno y gases nobles), las principales concentraciones de interés, a partir de fuentes extralunares, son las de los elementos denominados siderófilos, como el hierro, el cobre, el níquel, etcétera. La mayor parte de ellos procede de cuerpos meteoríticos que han impactado sobre la superficie lunar, y no es raro que, aunque en algunos casos existan desviaciones de la norma, sus pautas de concentración en el regolito sean similares a las de los meteoritos condríticos. Las concentraciones que podrían tener mayor interés de tecnológica se encontrarían en los restos de meteoritos de grandes dimensiones.

Las concentraciones de elementos mayoritarios son, salvo para el titanio (abundante) y el sodio (muy escaso), similares a las terrestres a excepción del hierro que es sólo una cuarta parte del que encontramos en nuestro planeta. En cuanto a los elementos traza incompatibles, destacan los altos valores en tierras raras de los basaltos de tipo KREEP. Las concentraciones de elementos menores más para su utilización in situ son las del fósforo, cromo y manganeso. El cromo muestra una mayor abundancia en las rocas lunares que en sus homólogas terrestres. El manganeso en las rocas lunares llega al 0,25%.

Lo único cierto es que, lo mismo que le pasó a Harold Urey que estudió muy a fondo el problema, nadie ha sabido hasta el momento dar una explicación creíble del origen de la Luna que, está muy de nosotros pero, sin embargo, no conocemos de dónde vino o cómo pudo llegar aquí. De todo lo demás sobre ella, hemos aprendido con el tiempo y, de la misma manera, esperémos que, algún día, alguien nos diga ¡y nos demuestre! su origen.

Claro que satélites naturales en nuestro propio sistema solar son muchos y, algunos, son fascinantes por lo que en ellos podríamos encontrar.

                                                    Titán en color natural (sonda Cassini-Huygens 2005)

                    Océanos de metano que harían las delicias de las compañías petrolíferas

Titán es el mayor de los satélites de Saturno, siendo el único del Sistema Solar que posee una atmósfera importante. Según los disponibles su atmósfera podría estar compuesta principalmente de nitrógeno, pero hasta un 6% puede ser metano y compuestos complejos de hidrocarburos. En el año 2005, la sonda espacial Cassini-Huygens descendió en paracaídas por la atmósfera de Titán y aterrizó en su helada superficie para algunos de sus secretos.

¡Sigamos soñando con la realidad! En este presente que ya es futuro.

Las sondas espaciales Cassini-Huygens nos han posibilitado para contemplar imágenes del espacio exterior que nunca habríamos imaginado ver. Fijaos en el lejano Sol que alumbra el océano de metano de la Luna Titan de Saturno, mientras que el planeta, contempla asombrado tanto belleza.

emilio silvera

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