La Tierra esta perdiendo Hidrógeno y Helio?

Nuestro planeta está rodeado de una fina y tenue capa de gas, que nos mantiene cálidos y permite que el clima exista y básicamente hace la vida en la Tierra posible.

Pero esa preciada atmósfera nuestra se está fugando, cada segundo, al espacio exterior.




Afortunadamente, es una fuga muy lenta, ya que para que cualquier objeto (sea una molécula de gas, un cohete, o un gato) rompa la atadura de la gravedad de la Tierra y escape, tiene que salir volando de aquí a 34 veces la velocidad del sonido.

Se requiere la energía de una tonelada métrica de TNT para impulsar a una persona a esa velocidad (en la práctica se requiere más energía debido a la resistencia del aire y la necesidad de un cohete para sobrevivir al lanzamiento), y menos energía para objetos más ligeros: una décima de eso para un gato, por ejemplo.

Salvo el impacto de un gran asteroide que pueda expulsar grandes franjas de la atmósfera hacia el espacio, los únicos gases que regularmente escapan de la atmósfera de la Tierra hoy en día son el hidrógeno y el helio (los elementos más ligeros del universo).




Hay varias formas en las que las moléculas de hidrógeno y helio pueden terminar en una misión sin retorno hacia el espacio. Algunas, cerca de la parte superior de la atmósfera, simplemente obtienen suficiente energía del calor del sol para escapar.

Otras son partículas muy rápidas y cargadas que usualmente no podrían escapar debido al campo magnético de la Tierra.

Ocasionalmente, sin embargo, estas rápidas partículas sin electrones chocan contra una molécula neutral con suficiente fuerza para aflojar, y robar, uno de sus electrones.

Ahora, siendo neutra, la rápida partícula es libre del campo magnético de la Tierra, y si la colisión resulta colocarla en dirección a las estrellas, hacia allá irá.

Finalmente, algunas de las líneas del campo magnético terrestre son debilitadas y empujadas fuera de la Tierra por el viento solar, una violenta corriente de plasma emanada por nuestro sol.

Las partículas cargadas guiadas por estos campos magnéticos pueden simplemente salir volando por los extremos débiles como las chispas de un cable vivo.

Pero si nuestro planeta no tuviera un campo magnético, las cosas podrían ser mucho peores.

Marte, por ejemplo, no tiene un campo magnético protector, así que la poca atmósfera que tiene es constantemente golpeada y arrancada por el viento solar. Incluso con su burbuja protectora, la Tierra está perdiendo suficiente hidrógeno para llenar un globo de un metro cúbico cada segundo.

No hay necesidad de preocuparse, tomará unos pocos miles de millones de años antes de que perdamos todo el hidrógeno de esta forma, pero quizá algún día en el distante futuro, alguien mirará a la Tierra y se preguntará, tal y como hacemos ahora con Marte: ¿Hubo alguna vez vida en este trozo errante de roca?

La energía nuclear como fuente energética

El Big Bang o Gran Explosión dio origen al universo hace unos 15 mil millones de años. Todo el universo conocido está formado de energía y de materia.

La materia no es otra cosa que una forma concentrada de energía.




La luz que nos llega de las galaxias y nebulosas, así como el calor producido por nuestro sol, son consecuencia de la interrelación entre la materia y la energía.

Todos los cuerpos del espacio, incluidos los planetas del sistema solar, están compuestos por la misma materia.

El planeta Tierra en el que vivimos, con sus nubes, océanos, montañas y rocas, así como el agua en sus diferentes estados, todo ello está formado por la misma materia básica.

el átomo y la energía nuclear

Esto incluye también a los seres vivos. La corteza de los árboles, la piel y los ojos de los animales, el plumaje de los pájaros, las flores y el resto de los seres vivos están formados por elementos o combinaciones de ellos.

También el hombre está compuesto por los mismos elementos.




Toda la materia está compuesta por unos 100 elementos que se combinan y forman la gran variedad de compuestos presentes en la naturaleza.

Estos elementos tienen características físicas y químicas que los distinguen entre sí, pero también tienen características comunes.

Pocas veces se encuentran en estado puro. Todos están compuestos por pequeños corpúsculos llamados átomos y cada uno de los 100 elementos tiene su propio tipo de átomos.

Unos minúsculos gránulos de azufre miden una décima de milímetro, sin embargo los átomos son todavía un millón de veces más pequeños.

Cada átomo tiene un núcleo y una envoltura electrónica. El núcleo está formado por protones y neutrones, y la envoltura está formada por las trayectorias de unas partículas llamadas electrones, que giran a gran velocidad alrededor del núcleo.

La energía eléctrica se produce entre los protones del núcleo (que tienen carga positiva) y los electrones que giran a su alrededor (que tienen carga negativa).

También hay fuerzas nucleares entre los protones y neutrones del núcleo del átomo. El hombre utiliza la energía que liberan las fuerzas nucleares desde hace relativamente poco tiempo, con fines tanto militares como civiles.

Energía nuclear

Los elementos se diferencian entre sí por el tamaño y la estructura de sus átomos, aunque todos están compuestos por las mismas partículas.

En el núcleo atómico se concentra el 99,9 % de la masa del átomo. Está compuesto por protones con carga eléctrica positiva y neutrones, que tienen casi la misma masa pero sin carga eléctrica alguna.

Alrededor del núcleo giran los electrones, que apenas tienen masa pero que están cargados negativamente.

El núcleo es muy pequeño respecto al átomo, y si consiguiéramos tener un núcleo de un centímetro de diámetro, el átomo entero tendría un diámetro como la longitud de un campo de fútbol.

El átomo es eléctricamente neutro, porque tiene igual número de protones y electrones. Este número igual de electrones y protones se conoce como número atómico, y es distinto para cada elemento.

Por ejemplo el Hidrógeno tiene un número atómico 1, porque sus átomos tienen un protón y un electrón.

El Oxígeno tiene 8 de número atómico, porque sus átomos tienen 8 electrones y 8 protones.

El Uranio, tan difícil de extraer de la naturaleza, tiene 92 de número atómico.

Los protones y los neutrones del núcleo están unidos por una fuerza que se llama fuerza nuclear. Se puede obtener energía dividiendo un núcleo pesado en dos más pequeños.

Este proceso se llama fisión nuclear. El físico Otto Hann cojan produjo la primera ficción de la historia.

Fisión Nuclear

La energía nuclear que se utiliza en la industria sigue el proceso de la fisión nuclear. En este proceso se toma un elemento pesado como el Uranio y se bombardea con neutrones.

Al ser bombardeado este núcleo, se divide en dos más pequeños desapareciendo parte de su masa, que se convierte en energía.

La relación entre masa y energía la enunció Albert Einstein en una de las fórmulas más famosas de la historia: E=mc²

Pero además de energía, en la fisión se liberan dos o tres neutrones que salen despedidos y que pueden golpear nuevos núcleos, provocando nuevas fisiones.

Este fenómeno se llama reacción en cadena. Cuando esto sucede de forma incontrolada, se produce una explosión nuclear.

Estas imágenes que tomaron semanas más tarde de la explosión de Hiroshima en 1945

Esta bomba era unas dos mil veces más potente que cualquier otra arma utilizada hasta entonces.

A pesar del enorme poder de una explosión de fisión, sólo se ha convertido en energía una milésima parte de la masa de uranio.

Para poder regular la energía que se produce en las reacciones de fisión nuclear se necesita un sistema de control del número de divisiones. Esto es lo que sucede en un reactor nuclear.

Reactor nuclear

Un reactor nuclear consiste básicamente en una vasija, en cuyo interior se encuentra el combustible nuclear, que suele ser uranio o plutonio.

Para controlar la reacción, se utilizan unas barras deslizantes de Cadmio, que absorben los neutrones y regulan el proceso.

También dentro del reactor hay un refrigerante, que absorbe el calor liberado por la fisión.

La energía que se libera en la fisión, calienta el líquido o gas refrigerante. Este refrigerante pasa hasta un generador, donde la energía calorífica se transforma en energía eléctrica, que se puede utilizar para el consumo.

El mayor problema que plantea este tipo de proceso, es que los productos de desecho que se producen son radiactivos, y su eliminación es muy complicada.

Es necesario enterrarlos y aislarlos de la forma más hermética y duradera posible, porque muchos de ellos siguen siendo peligrosos incluso después de cientos de años.

la fusión nuclear

Fusión nuclear

Una reacción de fusión nuclear consiste en unir dos núcleos ligeros, como los del Hidrógeno, para formar uno más pesado, como el del Helio. Para ello hay que vencer las fuerzas eléctricas que repelen a los protones.

En esta reacción se libera mucha más energía que en la ficción.

En 1952 se utilizó este proceso con fines militares, y se consiguió la bomba atómica de fusión o Bomba H, que es mucho más destructiva que la bomba de fisión.

Para que comience la fusión nuclear, es necesario calentar el Hidrógeno a enormes temperaturas. Llega un momento en que los átomos de Hidrógeno pierden su electrón. En estas circunstancias los núcleos chocan entre sí, y se produce la fusión.

Esto es lo que ocurre en el núcleo del sol, que actúa como una gigantesca central de fusión.

Allí, el hidrógeno es continuamente transformado en helio y se liberan inmensas cantidades de energía. Esa energía es la que luego llega a nosotros en forma de luz y calor, y crea las condiciones necesarias para el desarrollo de la vida en nuestro planeta.

A pesar de los éxitos europeos, la fusión nuclear plantea serios problemas de explotación, ya que precisa temperaturas de más de 200 millones de grados centígrados.

Las centrales de fusión no serán operativas antes del 2030.

La fusión tendría ventajas decisivas frente a la fisión nuclear, ya que permitiría una mayor producción de energía, y ello con disponibilidad ilimitada de combustible que es el hidrógeno, fácilmente extraíble del agua.

Por otra parte, se eliminaría el grave problema de los desechos radiactivos, que son mucho menores en el proceso de fusión.

cuáles son los diferentes modelos atómicos que existen

El universo es infinitamente extenso y fascinante, un cosmos lleno de enigmas que desde hace siglos cautiva a la humanidad. Generaciones de científicos han intentado explicar lo inconcebible.

Cuáles son los diferentes modelos atómicos que existen? En busca del origen de la materia, se funden las barreras entre el saber científico y los modelos de pensamiento filosófico. Hace más de 2000 años los filósofos de la antigua Grecia intentaron indagar en los misterios de la naturaleza, y acuñaron un término que habría de cambiar el mundo: el átomo, lo invisible. La unidad más pequeña posible indivisible de la naturaleza.

Aunque nunca demostraron su existencia. Dos mil años después, la observación meticulosa de la naturaleza descubrió la existencia de irregularidades. Los fenómenos naturales podían explicarse, describirse, y en ocasiones preverse. Aún se dio un paso más: se idearon experimentos. La naturaleza se resumió en cifras. El método científico había nacido.

Dalton

John Dalton, usando estos métodos confirió a la idea de átomo un significado científico. A diferencia de los creadores griegos del concepto, no se conformó con suposiciones. Sirviéndose de una báscula, intentó descubrir las regularidades en reacciones químicas. Dalton definió los elementos químicos como materias que poseen un valor atómico propio, de átomos igual de grandes e igual de pesados. Dalton representó los átomos mediante círculos.

Los átomos no cambian. Cuando se produce una reacción química, sólo se reordenan. Cómo están unidos unos átomos con otros, Dalton sólo podía especular porque nunca pudo verlos. A partir del espesor de una película de aceite, se determinó ya entonces el tamaño de un átomo. Su tamaño era inferior a 1 millonésima de un centímetro. Microscópico por tanto.

El siglo diecinueve simboliza una época de progreso técnico y científico. El hombre comprendió que podía beneficiarse de los conocimientos que había adquirido sobre la naturaleza. Se apoderó de los tesoros de la Tierra y alumbró la oscuridad. Hacia finales de siglo uso para ello la corriente eléctrica. El progreso ya no podía detenerse.

Pero en el siglo 19 aún quedaba por demostrar la existencia de los átomos. Por eso, algunos científicos dudaban que existiera de verdad, y aquellos que creían en el átomo tuvieron que conformarse con las deficiencias de una teoría atómica basada en bolas de masa pura. Había algunas observaciones que sencillamente no tenían explicación. Qué determina la estructura de los cristales? cómo se realizan los enlaces químicos? Qué da color a las cosas? Estas y otras preguntas quedaban sin responder.

Thomson

Al final, todo indicaba que los átomos a pesar de su significado inicial, sí que eran divisibles, y que están formados por partículas aún más pequeñas. En 1897 Joseph Thomson descubrió el electrón, una partícula única, más pequeña y ligera que el atomo más pequeño. En 1904 Thomson desarrolló un modelo atómico que establecía el electrón como un elemento constitutivo fundamental. Según este modelo, los electrones cargados negativamente están rodeados de una masa de materia cargada positivamente, similar a las pasas en la masa de un pastel.

El valor científico de este modelo del pastel de pasas fue más bien insignificante, pero sirvió para tentar a los físicos a estudiar a fondo la estructura del átomo. En efecto, Joseph Thompson atrajo a muchos jóvenes científicos interesados en trabajar en su laboratorio de Cambridge. Entre ellos, el neozelandés Ernest Rutherford.

Rutherford

En 1911 Rutherford usó radiación radioactiva para analizar el átomo en toda regla. Bombardeó con partículas alfa cargadas positivamente una finísima lamina de oro, que a su vez estaba formada de unos cientos de capas de átomos. Sorprendentemente, sólo unas pocas radiaciones sufrieron desviaciones. La mayoría atravesaron la lámina sin trabas. De este experimento, Rutherford dedujo que los átomos no podían ser una bola de masa, sino que la mayor parte de un átomo era espacio vacío. Sólo en casos muy aislados en los que los rayos rebotaban, parecían chocar con algo.

A partir de estas observaciones, Rutherford desarrolló su modelo atómico. Así pues, casi toda la masa del átomo se concentra en un minúsculo núcleo de carga positiva, que está rodeado de electrones. Para que el núcleo no atraiga a los electrones de carga negativa, estos se desplazan en una órbita semejante a los planetas alrededor del sol. No obstante, el modelo de Rutherford presentó un fallo determinante. De acuerdo con las leyes del electromagnetismo, los electrones alrededor del núcleo debían emitir energía constantemente, y en consecuencia precipitarse contra el núcleo. Si fuera así, los átomos no existirían Pero considerando que vivimos en un mundo comparativamente muy estable, el modelo de Rutherford debía ser falso. La idea decisiva para resolver este problema la tuvo en 1913 el físico danés y alumno de Rutherford, Niels Bohr.

Bohr

Un modelo acertado no solamente debía ser capaz de explicar la evidente estabilidad de los átomos. También debía poder describir cómo emitían luces los átomos. Por tanto, debía poder esclarecer por ejemplo, cómo tenían lugar las líneas del espectro de hidrógeno. Este fue el punto de partida de Bohr. Clasificó dos órbitas de electrones según su energía. Un radio mayor significaba más energía, y uno más pequeño, menos energía. Cuando un electrón cae desde una órbita exterior a una interior, pierde energía, que desprende en forma de fotón. Con una energía específica, lo que se plasma con una línea clara en el espectro.

El modelo de Bohr únicamente permite que los electrones se sitúan en las órbitas más cercanas al núcleo, donde por tanto, no emiten energía. Que Bohr no pudiera fundamentar mejor estas hipótesis más o menos arbitrarias, le provocó una gran desazón. Sólo podía defender su modelo atómico en la medida en que coincidía con las observaciones de los físicos, y pudo explicar al menos el más sencillo de todos los átomos: el átomo de Hidrógeno.

Sommerfeld

En los años 1915 y 1916, el físico muniqués Arnold Sommerfeld amplió el modelo de Bohr definiendo las órbitas de los electrones como elípticas. El conocimiento adquirido sobre la estructura del átomo, permitió entender la base física de los sistemas periódicos en los elementos químicos. A partir del hidrógeno se podía inferir el resto de elementos químicos, completando con electrones las capas de la serie. La tabla periódica de los elementos se explicaba pues con la ordenación de los electrones.

El cambio político y social radical causado por el régimen de terror de los nacionalsocialistas, forzó a muchos físicos atómicos a abandonar Europa. La mayoría de científicos, frecuentemente judíos, huyó a Estados Unidos. En el curso de la segunda guerra mundial, la física nuclear comenzó a perder su inocencia. Fue Niels Bohr, defensor de las fuerzas angloamericanas, quien tomó la delantera a los alemanes en la construcción de la bomba nuclear. Del átomo, pasaron a ser físicos nucleares.

En una operación hercúlea, 180 mil hombres trabajaron en la construcción de la bomba atómica americana. engendraron el arma más terrible de todos los tiempos. En 1954, cerca de Ginebra se fundó la Organización Europea para la Investigación Nuclear. En ella se reúnen 13 naciones para estudiar conjuntamente los misterios de la materia.

Es asombroso, cuanto más pequeña es la materia estudiada más caros y colosales son los experimentos. Mientras tanto, se había identificado que el núcleo del átomo también está compuesto de partículas diminutas, de protones y neutrones. Ahora todos los esfuerzos se concentraban en buscar partículas aún más pequeñas, los últimos elementos constitutivos de la materia.

En aceleradores nucleares, enormes partículas cargadas eléctricamente (electrones, protones o pequeños núcleos atómicos) se aceleran a altas velocidades. A veces alcanzan casi la velocidad de la luz. Imanes gigantes mantienen las partículas en su órbita. Unas instalaciones especiales enfardan las radiaciones emitidas. Al chocar con otras partículas, permiten extraer conclusiones sobre su estructura.

Cada vez con más frecuencia se plantea la pregunta del sentido y el objetivo de unos esfuerzos tan monstruosos. Calmar la curiosidad del ser humano, el afán por descifrar hasta el último misterio de la naturaleza, es un motivo, pero no el único. Por supuesto, también los usos prácticos nos empujan a realizar este tipo de investigaciones básicas. La superconductividad, el fenómeno de transmisión de energía eléctrica sin resistencia, tiene una aplicación médica: Imanes superconductores se usan en la resonancia magnética nuclear. Los rayos láser hace tiempo que salieron de los laboratorios y se instalaron en nuestra vida cotidiana. Los rayos laser emanan cuando se fuerza a los átomos a emitir su luz sincronizadamente.

Quien quiera entender el fenómeno laser, no tienen otro remedio que estudiar cómo Niels Bohr los contenidos energéticos de los electrones en el átomo. De la fusión líquida, un cristal puro del elemento silicio. Conocemos sus propiedades eléctricas y las podemos modificar contaminando con los llamados materiales de dopaje. Así se pueden conseguir pequeñas áreas con propiedades eléctricas definidas. De este modo, podemos poner varios millones de transistores sobre una superficie muy pequeña. Una tecnología que ha cambiado nuestras vidas y cuyos progresos futuros son imprevisibles.

Las estructuras son cada vez más finas y más complejas. Simultáneamente, los aparatos son cada vez más precisos y refinados. Con agujas cuyas puntas están compuestas de un único átomo, podemos leer superficies. Con el microscopio reticulado podemos ser espectadores de la formación de cristales. Átomo a átomo, vemos crecer el cristal. Con el mismo método incluso podemos ver los átomos. Cada una de estas elevaciones es un átomo. Que tengamos tanta confianza en los átomos, hemos de agradecérselo por último al precursor de la teoría atómica moderna, Niels Bohr.