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U na de las preguntas que pretende resolver la física de partículas es el modelo atómico (del cual hablaré de forma monográfica en breve). La manera en que la naturaleza estructura las piezas que componen la materia: los átomos*. La clasificación de los átomos en orden creciente de número de protones (recordemos que los átomos están formados por un núcleo de protones y neutrones, y los electrones orbitan alrededor del núcleo) se conoce como Tabla periódica de los elementos. En la naturaleza existen 92 átomos estables existen átomos estables con hasta 92** protones, desde el Hidrógeno hasta el Uranio son elementos que existen en la naturaleza. El resto, han sido hallados en el laboratorio, mediante distintos tipos de reacciones nucleares. Es decir, los primeros átomos hasta el Uranio (salvo excepciones puntuales) han sido creados por la naturaleza mediante explosiones de supernova en su mayoría. Recordemos que las estrellas funcionan a modo de reactores nucleares, que van fusionando átomos muy simples en otros más complejos. En el momento en que la reacción no es lo bastante eficiente como para impedir que la estrella se derrumbe sobre sí misma, entonces se puede producir una enorme explosión en forma de supernova, que siembra el universo de nuevos materiales.
¿Por qué 92? La razón por la que el límite está en número atómico 92 (número atómico es el número de protones) es porque en el núcleo hay dos fuerzas luchando entre sí por conseguir dos fines bien distintos. Podemos ignorar en esta discusión a los electrones, ya que el problema es el núcleo y los electrones orbitan a su alrededor, de manera que no influyen en este problema. Por un lado, está la interacción nuclear fuerte. Esta interacción es la que permite que los núcleos permanezcan unidos, y es un residuo de la interacción fuerte, que es la fuerza con la que interaccionan los quarks y que hace que los protones y neutrones permanezcan unidos. Por otro lado, está la fuerza electromagnética. Recordemos que los protones son partículas de carga positiva, y los neutrones no tienen carga. Por lo tanto, hay una fuerza de repulsión que intenta separar a los protones entre sí.
Es decir, la interacción fuerte residual actúa como un pegamento. Los protones intentan, al repelerse entre sí, romper la cohesión de la interacción fuerte residual. La situación es completamente análoga a si rompemos un imán por la mitad, entonces, en cada trozo hay polo norte y polo sur. Si queremos volverlo a pegar, nos va a costar un esfuerzo enorme juntarlos. Pero si contamos con un pegamento muy fuerte y lo atamos hasta que se seque, a lo mejor conseguimos que se quede unido. Todo depende de lo fuerte que sea el pegamento o de lo débil que sea la repulsión.
Lo que sucede es que cuando el número de cargas positivas (protones) que hay en el núcleo se va haciendo cada vez más grande, a la interacción fuerte residual le cuesta mucho más retenerlos y llega un momento en que ya no es capaz y el átomo se rompe en otros más sencillos. Esto sucede justamente cuando el número de protones es 92. A partir de ahí, la interacción nuclear fuerte residual ya no es capaz de mantener una cohesión efectiva en el núcleo y éste se rompe.
Claro que, en los reactores nucleares podemos, mediante colisiones, construir átomos con un mayor número de protones. Lo que ocurre es que ya no son estables, y pasará un tiempo muy breve (aunque lo bastante grande para formar el núcleo) hasta que se rompan.
¿Qué pintan los neutrones en esta historia? Lo cierto es que los neutrones son muy importantes, son un requisito de la interacción nuclear fuerte. Para conseguir más masa, como los protones deben compensar exactamente a los electrones para que el átomo no tenga carga eléctrica neta, se pueden meter neutrones en el núcleo. Digo que es un requisito de la interacción nuclear fuerte porque resulta que la pareja neutrón-protón es más estable en el sentido de que consigue una situación energética mínima, lo cual es más favorable porque la naturaleza tiende al ahorro energético. Así, el par protón-neutrón es más conveniente que las parejas neutrón-neutrón o protón-protón.
Por eso, en la primera parte de la tabla periódica hay casi el mismo número de protones que de neutrones. A medida que aumenta el número de protones, esta tendencia se va perdiendo y comienza a hacer falta poner más neutrones que protones para que el conjunto siga siendo estable. Es por eso por lo que los átomos estables de mayor número atómico tienen bastantes más neutrones que protones en el núcleo. Por ejemplo, el Uranio235 tiene 92 protones y 143 neutrones.
Ahora ya sabemos el motivo por el cual no hay átomos con cualquier número atómico. Podríamos plantearnos si más allá de este límite existe, en el grupo de los átomos super pesados, una especie de isla de estabilidad, donde existan átomos estables super pesados.
En la imagen se ve una representación entre el número de protones y el número de neutrones. Podemos apreciar como efectivamente en la primera parte, donde hay pocos neutrones y protones, la tendencia es que sean un número muy similar mientras que al crecer, se va decantando a favor de los neutrones. Las zonas en azul son zonas donde no pueden existir núcleos con esas características, debido a que se produce la fisión (es decir, la ruptura de los mismos) de forma espontánea. Podemos ver cómo en la imagen se predice la existencia de esa isla de estabilidad para átomos super pesados.
Pues bien. En Science Daily publican que en la 235 reunión de la American Chemical Society, una de las presentaciones versó sobre encontrar esta isla de la estabilidad en la tabla periódica. En palabras de Yuri Oganessian, del departamento de Física de la Joint Institute for Nuclear Research en Dubna (Rusia):
Ahora que hemos visto que la "isla de estabilidad" existe, sería interesante encontrar nuevas islas de este tipo.
El descubrimiento de elementos super pesados a principios de este siglo por el grupo de Oganessian confirmó además la existencia de la isla de la estabilidad antes mencionada. La razón de llamarla isla es porque en la imagen, podemos considerar un mar la zona de inestabilidad y un continente la zona estable de los átomos naturales. Por alguna razón, los "habitantes" de esta isla son más estables que sus vecinos aledaños.
El grupo de Oganessian en conjunto con el Lawrence Livermore Laboratory de California sintetizó cinco nuevos elementos (113, 114, 115, 116 y 118) en los últimos seis años. Estos elementos super pesados no existen en la naturaleza y únicamente es posible crearlos haciendo colisionar elementos más ligeros a velocidades inmensas, obtenidas gracias a enormes y sofisticados aceleradores de partículas.
La siguiente isla debe estar lejos de la primera. No sabemos dónde a ciencia cierta.
Algunos teóricos especulan con que podría rondar el número atómico 164, lo cual es muy lejos aún, comparado con el número 120 que es donde se trabaja en la actualidad. Pero alcanzar las orillas de la nueva isla requerirá un conocimiento mucho más profundo de los procesos de formación de los elementos y nuevos y más grandes aceleradores de partículas.
Para este propósito, necesitamos aumentar la intensidad del rayo, lo cual implica crear un nuevo acelerador.
Es difícil saber qué uso práctico podría tener la búsqueda de elementos super pesados. Por ahora, se centran en el descubrimiento, no en la aplicación inmediata. Pese a todo, algunos elementos sintetizados previamente han tenido un beneficio social enorme. Por ejemplo, el Americio (de número atómico 95), sintetizado en 1944 es utilizado en detectores de humo y en radiografía médica e industrial.
Oganessian no desea especular sobre usos potenciales de elementos super pesados, pero asegura que será el camino a una nueva y revolucionaria tecnología que permitirá producir cantidades lo suficientemente grandes de esos elementos como para darles uso práctico. Por ahora es difícil de imaginar.
No quiero fantasear, pero estoy seguro de que si se logra un medio para su producción masiva, se encontrará uso práctico para estos elementos.
(*) En realidad, pese a que existen otras partículas más complejas que componen los protones y neutrones de los átomos, a la escala de energías en la que el problema del modelo atómico tiene interés, sus efectos son muy pequeños y se puede considerar el problema como si de hecho, los protones y neutrones fueran partículas elementales. Esto es algo muy frecuente en Física: pese a que la materia puede estar subdividida en entidades más simples, a veces la energía no es suficiente para verlo. Por ejemplo, podemos tratar una mesa como si fuera un continuo pese a que sabemos que está compuesta por una cantidad enorme de moléculas. Sin embargo, en todos los lugares donde tiene sentido el concepto "mesa" se puede obviar su composición y tratarlo a todos los efectos como si fuera un continuo. Con el modelo atómico ocurre lo mismo, dependiendo de la escala de energías en la que nos encontremos, podemos tratar como si fueran fundamentales a los protones y neutrones, aunque existan efectos residuales de los quarks que los componen.
(**) Hay elementos inestables y/o sintéticos con menos de 92 protones, sin embargo, 92 es el valor máximo experimental que sabemos que puede tener un átomo para ser estable según los modelos nucleares actuales.
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