sábado, 8 de junio de 2013

El feynmanio y el último elemento


Bacterias y ballenas, rocas y planetas están hechos de átomos. ¿Cuántos átomos diferentes hay en la naturaleza? Debo hacer alguna aclaración antes de contestar a la pregunta. Cada átomo se identifica con un número: el número de protones que contiene su núcleo, o lo que es sinónimo, su carga eléctrica. El número uno, el hidrógeno, constituye la cota inferior, porque no pueden existir menos protones que uno; voy al otro extremo, a la cota superior. Fijémonos en la naturaleza y observemos qué hallamos en ella: los científicos conocen unos dos mil núcleos diferentes, trescientos cuarenta naturales y el resto artificiales; de ellos sólo permanecen estables (o lo que es lo mismo, no son radiactivos) doscientos setenta y cuatro; y ninguno de éstos tiene un número identificativo superior al ochenta y dos del plomo. El uranio, identificado con el número noventa y dos, es el mayor de los átomos radiactivos naturales; no me consta que existan átomos artificiales cuyo número identificativo supere a ciento dieciocho.

Sintetizar átomos más grandes que el uranio parece una tarea fácil para un físico teórico: chóquense dos átomos pesados, y ya está; aunque los físicos experimentales no opinan lo mismo sobre tal facilidad, la idea de los impactos resultó fructífera ya que así se fabricaron muchos átomos. Hágase la operación –entonces- con dos plomos (ochenta y dos protones) o dos uranios, para obtener átomos con cerca de doscientos protones: el experimento fracasará, y no por fallos del experimentador, sino porque no pueden existir tales átomos. Richard Feynman calculó que no puede haber átomos con más de ciento treinta y siete protones (con posterioridad se han hecho cálculos más exactos que ponen la cota en ciento setenta y tres). Para que el sorprendido lector se percate de la lógica del límite haré dos consideraciones: cuanto mayor es la carga de un núcleo atómico más rápido giran los electrones más internos, pero la teoría de la relatividad prohíbe que se muevan a una velocidad superior a la de la luz; la segunda reflexión, emanada de la mecánica cuántica, resulta casi increíble: cuando la energía eléctrica del núcleo alcanza un valor extremo, rompe el vacío que le rodea produciendo un positrón y un electrón (que se une al núcleo y rebaja su carga).

No existe todavía, pero los físicos, que nunca dudan en loar a sus colegas, ya han bautizado como feynmanio al elemento identificado con el número ciento treinta y siete.

30 comentarios:

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

Por lo que yo sé, el elemento más pesado sintetizado hasta ahora es el 118, nombrado por la IUPAC oganesón.

Saludos cordiales
Epi

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

1º Si bien todos los elementos más pesados que el plomo (dicho con más corrección cuyo número atómico sea superior al del plomo) son radiactivos; no todos los elementos más ligeros son estables: el tecnecio, por ejemplo no lo es.

2º Tienes razón los neutrones aislados son inestables, en unos pocos minutos se convierten en protones, pero si los neutrones se encuentran en los núcleos atómicos no sucede así: son perfectamente estables a bajas temperaturas.

Saludos
Epi

C. Armesto dijo...

Tal vez no lo he expresado bien. A bajas temperaturas son estables los núcleos atómicos y por ello también los neutrones que los componen. A temperaturas extremadamente altas los núcleos fisionan y los neutrones libres se desintegran.

Saludos cordiales.
Epi

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

El bismuto, si bien tiene un número atómico mayor que el plomo, es un elemento radiactivo; su radiactividad es mínima y, ciertamente, puede considerarse a todos los efectos prácticos como no radiactivo.
Para que te des idea de su escasa radiactividad te indicaré que la mitad de una muestra de bismuto cualquiera tarda en descomponerse diecinueve trillones de años, mucho más que la edad del universo.

Saludos de Epi

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

Sólo dos elementos menos pesados que el plomo, el tecnecio y prometio, existen únicamente como isótopos radiactivos: no existe átomos estables del tecnecio y el prometio; sí de todos los demás elementos menos pesados que el plomo.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

1º Como normal general considera que, a partir del plomo, cuanto más pesado es el elemento más inestable es (su vida media es más pequeña). Concretaré un par de datos para que puedas apreciarlo: la vida media del elemento 105 se mide en horas y la del elemento 118 es un escaso milisegundo.

2º La isla de estabilidad que mencionas se refiere a algunos elementos pesados (elemento 114 o superiores) que son más estables de lo esperado; aún así, su vida media pronosticada alcanza unos cuantos segundos, quizá algo más. Muy alejada de la vida media del isótopo fisible del uranio (el 235), que llega a los setecientos millones de años.

3º Es distinto un átomo radiactivo: emite radiaciones alfa, beta o gamma, de un átomo fisible: se rompe en trozos. En ambos casos el elemento original se transforma, pero lo hace de distinta manera en uno u otro caso.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

En estos momentos (año 2020) el último elemento sintetizado es el 118, el oganesón, que pertenece al grupo de los gases nobles (helio…). Me consta que se está intentando sintetizar el elemento 119, pero por ahora no se ha conseguido obtenerlo.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

1º En la naturaleza sólo existe un átomo fisible, el isótopo 235 del uranio; existen otros átomos fisibles que son sintéticos, como el isótopo 239 del plutonio, que puede emplearse, como el anterior, en los reactores nucleares.

2º No te olvides que fisible quiere decir que el átomo se rompe, por el choque con un neutrón libre, en dos trozos más o menos grandes y algunos más pequeños.

3º Los átomos de torio no son fisibles, pero si se les hace reaccionar con un neutrón se convierten en los isótopos 233 del uranio, que sí son fisibles.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

1º El plutonio 239 se produce espontáneamente en los reactores nucleares de fisión. Concretamente, por la reacción del isótopo 238 del uranio con un neutrón. Sí, pueden hacerse bombas atómicas tanto con plutonio como con uranio.

2º Aunque este isótopo del plutonio se desintegra relativamente rápido, y por eso no se observa en la naturaleza, su vida media, veinticuatro mil años, es muy grande, comparada con la vida humana.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

En estos momentos los científicos han sintetizado los elementos de las siete primeras filas de la tabla periódica (118). Los químicos sospechan que debe existir una octava fila que contiene 50 elementos, de los cuales ninguno se ha sintetizado (tampoco existen en la naturaleza). Si existen todos (el condicional es obligado), la mayoría tendrán vidas medias muy inferiores al segundo. Puedes concluir que queda mucha investigación por hacer.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

1º El hierro y los elementos más ligeros se forman por fusión de hidrógeno en el interior de las estrellas durante su vida.

2º Los elementos pesados, oro y uranio, por ejemplo, se forman durante las explosiones supernovas: los núcleos ligeros absorben neutrones convirtiéndose en núcleos pesados (algunos neutrones se desintegran a protones).

3º Todos los núcleos formados en las estrellas se unen con electrones y forman átomos que quedan en las galaxias formando las gigantescas nubes moleculares; nubes que, cuando colapsen por acción de la gravedad, formarán nuevas estrellas y planetas rocosos que contendrán elementos exactamente iguales a los que te forman a ti.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

1º Uranio HEU se refiere a uranio altamente enriquecido y uranio LEU a bajo enriquecimiento; y eso significa que la cantidad del isótopo 235 del uranio que contiene el uranio es, respectivamente, superior o inferior al veinte por ciento.

2º En las centrales nucleares se usa uranio (LEU), enriquecido entre el tres y el cinco por ciento; en las bombas atómicas se usa uranio (HEU) cuyo enriquecimiento ronda el noventa por ciento.

3º Al acabar la guerra fría, el desmantelamiento parcial de los arsenales rusos y estadounidenses produjo un excedente de más de mil quinientos toneladas de uranio altamente enriquecido (HEU) y doscientas toneladas de plutonio. El uranio HEU se puede diluir con uranio natural (muy bajo enriquecimiento) obteniendo unas cuarenta mil toneladas de uranio LEU apto para utilizar en centrales nucleares productoras electricidad (podrían abastecerse a todas las centrales nucleares del mundo –más de cuatrocientos reactores- durante más de seis años).

4º Juzga tú las implicaciones de todo ello: en un blog sobre ciencia no tienen cabida los comentarios políticos.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

1º La masa de un átomo se determina conociendo cuántos protones y neutrones contiene su núcleo. Por ello, la masa del átomo más ligero, el hidrogeno, es una unidad de masa atómica (contiene sólo un protón) y la del más pesado, el oganesón, es 294 (aunque tiene 118 protones). Y así sucede con todos los átomos que se encuentran entre ambos.

2º Te sorprende que utilizando números enteros para contar el número de protones y neutrones de un átomo existan elementos cuya masa atómica es un número decimal. Se debe a que la masa de un elemento es la media aritmética ponderada entre los diferentes isótopos que contiene. Aclaro: la media de hijos de una población puede ser un número decimal, sin que ninguna mujer tenga medio hijo, sucede lo mismo con los distintos isótopos de un mismo elemento.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

1º El uranio enriquecido del 3 al 5 por ciento (en U-235) se usa, en los reactores comerciales de agua ligera, para la producción de energía eléctrica.
2º El uranio enriquecido hasta el 20 % se utiliza en reactores nucleares para investigación.
3º El uranio con un enriquecimiento superior (HEU) al 20 % se usa o para bombas o como combustible nuclear en buques y submarinos.
4º Por todo ello, el uso del uranio LEU siempre es pacífico; en cambio, el uso del uranio HEU puede que sea pacífico o puede que no.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

1º Te proporciono los números: me abstengo de opinar en un blog sobre ciencia.

2º Se estiman que existen entre 14000 y 15000 armas nucleares en el mundo (año 2018); algo más del noventa por ciento pertenecen a Rusia y Estados Unidos, el resto a China, Francia, Gran Bretaña, India, Pakistán, Israel y Corea del Norte.

3º Los datos son del Instituto Internacional de Estudios para la Paz de Estocolmo (SIPRI).

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

El elemento de Feynman (número atómico 137) pertenecería al bloque g, un grupo hipotético de elementos de la tabla periódica, no observado, que, probablemente, empezaría en el elemento 121 y acabaría en el elemento 138.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

Nada hay extraño en Oklo, te explico:

1º El uranio procedente de la mina de mineral de uranio en Oklo (Gabón), fisionó hace dos mil millones de años; o sea, se convirtió en un reactor natural de fisión.

2º Para que el fenómeno se haya producido de forma natural, debieron darse dos condiciones: contener una masa crítica de uranio 235 para iniciar la reacción y disponer de agua como moderador (que ralentizara los neutrones emitidos) para mantener la reacción en cadena controlada. Al darse ambas condiciones el uranio fisiona de una manera natural. ¡Nada más! Nada hay anormal.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

Depende de la energía que tenga el proyectil que induce la fisión así serán los núcleos resultantes de la rotura.

Un núcleo se fisiona en dos núcleos de masa muy diferente, cuando un neutrón lento provoca la fisión. En cambio si la fisión se hace con un proyectil muy energético el núcleo se rompe en otros dos de masa similar.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

No todos los átomos fisibles tienen la misma masa crítica: concretamente, la del uranio-235 es 50 kilogramos y la del plutonio-239 es 10 kilogramos.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

Los físicos están seguros que se produjo fisión nuclear espontánea en Oklo (Gabón, África), entre otras razones, porque en ese lugar encontraron muestras de uranio en las que el porcentaje del isótopo de uranio-235 era inferior a 0,720 por ciento, que se halla en la actualidad en la superficie terrestre y en los meteoritos.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

1º El polonio-210 (número atómico 84) es un elemento radiactivo muy tóxico: dosis de millonésimas de gramo pueden matar a una persona por síndrome agudo de radiación. También tiene un uso más pacífico: fuente de calor en vehículos espaciales como las sondas Voyager 1 y 2.

2º Está presente en la naturaleza en los minerales de uranio; también puede obtenerse por síntesis a partir del bismuto.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

Los intentos de sintetizar el elemento 119 y el elemento 120 han fracasado; sí se ha intentado, pero no han tenido éxito los experimentos; por ahora el último elemento que existe es el 118, el oganesón.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

Este no es un blog de historia, ni de diplomacia, ni de política, ni trata sobre las guerras.

A pesar de mis limitados conocimientos sobre el tema te diré que distingo las armas nucleares tácticas de las estratégicas en dos aspectos: el poder explosivo de aquéllas es menor que el de éstas; y su lugar de explosión, el campo de batalla aquéllas, el interior del bando enemigo, sus ciudades, industrias… éstas.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

El átomo más pesado hallado en la naturaleza es el isótopo de uranio-238; y sí, es radiactivo, aunque tarda en desintegrarse seis veces más tiempo que el isótopo de uranio-235.

Si por pesado te refieres a la densidad, el elemento más pesado es el osmio; 22,6 veces más denso que el agua; gana por centésimas al iridio; y no es radiactivo.

En cuanto al precio; creo que el rodio es el metal más caro; cuesta algo más que el doble del oro.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

Aunque en términos generales, los átomos radiactivos grandes -que tienen más protones- suelen tener una vida media menor que los que tienen menos protones (son mas inestables); no se trata de una regla estricta. Cito como ejemplo las vidas medias de los elementos 103, 104 y 105: 11 horas, 1 hora y 29 horas, respectivamente. Como comparación añado que las vidas medias de los elementos 115 a 118 se cuentan en milisegundos.

Ignoro las aplicaciones que pueden tener estos elementos con vida media tan corta.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

La densidad de los átomos es muy diferente a la densidad de los núcleos atómicos: la densidad de un núcleo atómico es, aproximadamente, cien billones de veces superior a la del agua.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

El helio sólido es el sólido formado por átomos más sencillo; el dihidrógeno sólido es el sólido formado por moléculas más sencillo.
La densidad del hidrógeno molecular sólido es 88 kg/m3; la densidad del helio atómico sólido es 214 kg/m3; si bien menores, ambas comparables con la densidad del agua (1000 kg/m3).

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

El aumento en el número de electrones de un átomo no influye desmesuradamente en el aumento de su tamaño.
Los siguientes datos te valdrán para comprobarlo. El átomo de hidrógeno tiene un único electrón, el de uranio tiene noventa y dos electrones, sin embargo el tamaño del átomo de uranio sólo es el triple del tamaño del átomo de hidrógeno.

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

Las montañas, al igual que los átomos, no pueden ser todo lo altas que se quiera. La máxima altura que podría tener una montaña terrestre de roca, antes de derrumbarse debido a su peso, se estima en algo más de once kilómetros (James Trefil, “El panorama inesperado”, capítulo 10).

Saludos

C. Armesto dijo...

Estimado amigo

Te hago un pequeñísimo resumen del origen de todos los átomos. Durante el Big-bang se sintetizaron los elementos hidrógeno y helio. En las estrellas se sintetizan los elementos ligeros hasta el hierro, excepto el litio, berilio y boro que los sintetizan los choques de los rayos cósmicos contra la materia. Durante las explosiones supernovas se produjeron los elementos más pesados que el hierro. Y eso es todo: nada hay de raro. La materia oscura no sabemos de qué esta hecha.

Saludos