Breve historia de los elementos químicos

El universo, por convención es dulce y amargo, caliente y frío,

por convención es el color; realmente solo son átomos y el vacío

Demócrito

 

Desde las primeras civilizaciones se creía que la vida se componía de  4 elementos fundamentales: agua, tierra, aire y fuego los cuales al ser mezclados en diferentes proporciones, formaban todo lo que se conoce como universo y por tanto eran la base de la vida misma, este era en aquel entonces la idea más lógica sobre el funcionamiento del entorno, pues no había  suficiente conocimiento científico para encontrar respuestas alternativas;  a medida en  que el hombre fue siendo un ser más social y por ende empezó a divulgar sus razonamientos y pensamientos más íntimos, se fue forjando en la sociedad un conocimiento científico más avanzado y lógico, que tenía fuertes bases,  podía ser demostrado  y por ende se reafirmaba su veracidad. Desde hace algunos siglos conocemos que todo lo que compone el universo son átomos, considerados como la mínima  cantidad  de un elemento químico que tiene existencia propia y es indivisible, estos  han interactuado  con la fuerzas fundamentales que rigen el cosmos desde el tiempo 0 (periodo inflacionario),  y gracias a ello eventualmente a causa de la entropía, estas interacciones energéticas le otorgaron las características, la funcionalidad y el comportamiento a todo lo  existente.

Muchos de los  átomos que se conocen actualmente se encuentran de forma natural en nuestro planeta, otros son muy poco comunes ya que tienen un tiempo de vida útil muy corto dada su poca estabilidad y algunos otros se pueden obtener de forma sintética en laboratorios, estos a su vez están conformados por sub- partículas llamadas quarks, las cuales han sido un aporte fundamental para entender el origen de los átomos mismos, y por ende de todas las formas de materia que se conocen actualmente; a continuación haremos un breve repaso de cómo algo tan pequeño como una partícula puede llegar a transformarse de tal manera, que  es el origen de este universo tan maravilloso e infinito que aun no logramos divisar a cabalidad.

Gracias las galaxias

Con la ayuda de las investigaciones de Edwin Hubble (1889-1953), se demostró que las galaxias se alejan unas de otras a través del tiempo, esto sirvió para teorizar acerca del origen del universo mismo, ya que al estar Hubble en lo correcto toda la energía del universo debía haber estado concentrada en un campo energético simétrico y equilibrado (vació), a  altísimas temperaturas y una densidad prácticamente infinitas, esto explica porque no era posible la interacción de partículas; de algún modo, esta energía se alteró, aún no se ha identificado, ¿qué provocó el cambio en el campo energético?,  pero una vez inició,  la energía empezó a dispersarse y expandirse (demostrado por medio de la radiación cósmica de fondo), lo que permitió que la temperatura y densidad disminuyeran y poco a poco las condiciones fueron haciéndose optimas para que las primeras partículas conocidas Quarks, interactuaran con las 4 fuerzas fundamentales que rigen el universo.

Un poco de las partículas elementales

Para poder entender el funcionamiento de la materia y su interacción, se debe comprender un poco cada una de las partículas que la componen, estas forman parte de una familia llamada fermiones y que se catalogan en 3 generaciones

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Modelo estándar de la física de particulas. Wikipedia.org

  • La primera familia, está constituida por los quarks up (u) y down (d) y los electrones; (los quarks son las únicas partículas que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales, poseen espín ½ (lo cual es importante para determinar qué estado cuántico ocupan) y son fermiones de Dirac por lo que sus correspondientes antipartículas existen)
  • En la segunda familia, se encuentran el quark charm (c) y el strange (s), que son iguales al up y el down, pero tienen más masa, y el leptón muón, que es idéntico al electrón en propiedades pero más masivo.
  • En la tercera familia, al quark top y el quark bottom,  y por parte de los leptones tenemos al tauón

Pero el átomo aún no era posible, pues la temperatura no había descendido lo suficiente como para que las partículas se agruparan, pero ya las  fuerzas fundamentales empezarían a influir para crear partículas y antipartículas de neutrones y protones, que se aniquilaban entre sí, dadas sus cargas eléctricas opuestas, a continuación se detalla cuales son las fuerzas fundamentales

  • Fuerza nuclear fuerte: La cual mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, protones y neutrones.
  • Fuerza nuclear débil: Que es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; estos son sensibles únicamente a este tipo de interacción.
  • Fuerza gravitatoria: Es la fuerza de atracción que un trozo de materia ejerce sobre otro, y afecta a todos los cuerpos; la gravedad es una fuerza muy débil y de un sólo sentido, pero de alcance infinito.
  • Fuerza electromagnética: La cual afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y se involucra en las transformaciones físicas y químicas de los átomos y moléculas; tiene dos sentido, positivo y negativo, y su alcance es infinito.

De partículas elementales a los átomos

Y así continúa la batalla entre partículas y antipartículas, hasta que la energía perdió simetría, empezó a distinguirse más materia que antimateria y la temperatura descendió lo suficiente para que las partículas se agruparan hasta convertirse en algo más grande y con masa, el átomo, los primeros átomos que compusieron el universo fueron el deuterioH(neutrón + protón)  y el Helio,  He(2 neutrones + 2 Protones).

Imagen relacionada

Fuente: Physical Review Letters

En la imagen podemos observar la composición básica del átomo, en 2 partes diferenciables la primera es el núcleo (centro) que se conforma  de neutrones, formado por  3 quarks (ddu) y los protones, formado por 3 quarks (uud). En el exterior, se encuentran los electrones (que hacen parte de los leptones), y que forman nubes energéticas alrededor del núcleo,

 

Aproximadamente 8 minutos después del tiempo (0) gracias a la energía y temperatura presentes en aquel momento los isótopos de deuterio, se transformaban en átomos estables de Hidrógeno, (se estima que para dicho periodo el universo se componía de un 88% de este), y este último se seguía fusionando hasta convertirse en  átomos  de Helio, los cuales son más estables:

Núcleo síntesis Estelar

Fase 1) protón + neutrón   ⇒ deuterio + ϒ  ;  deuterio + protón  helio-3 + ϒ ; helio-3 +neutrón   helio + ϒ

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ANTARES. Nucleosíntesis Estelar

Fase 2) Deuterio + neutrón  ⇒ tritio + ϒ  ; tritio + protón ⇒ helio + ϒ ; helio-3 +neutrón ⇒  helio +ϒ

El helio llegó a ser 10 veces más abundante que el hidrógeno, y esta reacción en cadena mas la energía liberada empezaron a producir grandes cúmulos de gases y nubes electrónicas, lo que estimuló el nacimiento de las primeras estrellas.

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AstroMía. Clasificación de las Estrellas

Las estrellas son esferas de gas con un núcleo de hidrógeno, que por medio de la fusión nuclear se va convirtiendo en helio, la vida de una estrella está dada por la relación entre su presión interna y la gravedad; a medida que  se fusiona el núcleo estelar la temperatura incrementa por la liberación de energía y la gravedad externa hace que esta se vaya contrayendo, una vez se acaba el hidrógeno, la reacción consume el helio y este a su vez  produce átomos de carbono y oxígeno.  Las estrellas más pesadas pueden llegar a reaccionar en cadena hasta producir átomos de hierro, es allí donde se alcanza la mayor estabilidad en este punto la estrella se va colisionando hacia su centro, y se produce una explosión  llamada “Supernova”, esta explosión genera grandes cantidades de núcleos que atrapan los neutrones de la atmósfera, y forman isótopos de los demás elementos químicos (es de esta forma como surgen); pero, como la mayoría de los isótopos son muy inestables, se desintegran emitiendo radiactividad hasta convertirse en átomos estables, la radiación de los isótopos puede darse en 3 formas diferentes:

  • Partículas alfa: Este tipo de radiación la emiten núcleos de elementos pesados situados al final de la tabla periódica (masa A >100). Estos núcleos tienen muchos protones y la repulsión eléctrica es muy fuerte, por lo que tienden a obtener N aproximadamente igual a Z (número atómico), y para ello se emite una partícula alfa. En el proceso se desprende mucha energía, que se convierte en la energía cinética de la partícula alfa, por lo que estas partículas salen con velocidades muy altas.
  • Desintegración Beta: cuando un átomo expulsa una partícula beta, su número atómico aumenta o disminuye una unidad (debido al protón ganado o perdido). Existen tres tipos de radiación beta: la radiación beta-, que consiste en la emisión espontánea de electrones por parte de los núcleos; la radiación beta+, en la que un protón del núcleo se desintegra y da lugar a un neutrón, un positrón y un neutrino; y por último la captura electrónica que se da en núcleos con exceso de protones, en la cual el núcleo captura un electrón de la corteza electrónica, que se unirá a un protón del núcleo para dar un neutrón.
  • Radiación gamma: Es el tipo más penetrante de radiación, al tratarse de ondas electromagnéticas de longitud corta, tienen mayor penetración; en este tipo de radiación el núcleo no pierde su identidad, sino que se desprende de la energía que le sobra para pasar a otro estado de energía más bajo emitiendo rayos gamma, o sea fotones muy energéticos. Este tipo de emisión acompaña a las radiaciones alfa y beta. Por ser tan penetrante y tan energética, éste es el tipo más peligroso de radiación.

De los 118 elementos de la tabla periódica actualmente reconocidos, solo los elementos hasta (Z=83), se comportan de manera estable, el resto tienen periodos de vida útil muy cortos ya que son muy inestables (radiactivos) por lo que se desintegran rápidamente en 2 o varios elementos que si sean, es así como se llega al final de esta bella historia de los elementos químicos y su maravilloso proceso de creación.

Referencias Bibliográficas 

  • Origen del Universo. (2018). [Blog] Astronomía para todos. Available at: https://classroom.google.com/c/MTg2NDU1NzI3OTNa [Accessed 11 Apr. 2019].
  • Martinez Avilez, (2019). ¿Cómo se forman los elementos quimicos. EBOOK
  • Textos científicos (2019), Origen de los elementos 
  • SPAGNOLO, L (2017), El primer minuto luego del Bin-Bang
  • RADIACTIVIDAD. (2010). Presentation, UCM.

Imagen 1- Asociación Nacional de Estudiantes Universitarios de Ciencias Físicas (2018). Las fuerzas fundamentales. [image] Available at: https://nusgrem.es/las-fuerzas-fundamentales-y-el-modelo-estandar/ [Accessed 20 Abril. 2018].

Imagen 2- RPP NOTICIAS (2018). Imágen referencial de la primera imagen real del orbital de un electrón de un átomo. Recuperado de: https://rpp.pe/ciencia/quimica/quimica-fantasmal-fisicos-muestran-como-enlazar-un-atomo-de-hidrogeno-con-la-nada-noticia-1150198 [Acceso 24 Apr. 2019].

Imagen 3-  ANTARES. Nucleosíntesis Estelar [Image]. Recuperado de : http://atenea.pntic.mec.es/Antares/modulo8/m8_u110.html

Imagen 4- AstroMía. Clasificación de las Estrellas [Imagen]. Recuperado de https://www.astromia.com/universo/clasestrellas.htm

 

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