Hola chicoooooos! (???), bienvenidos a la 6 parte de "101 preguntas sobre ciencia y sus respuestas", acá van a estar la preguntas desde la 55 hasta la 65.
56)¿Por qué están encontrando los científicos tantas partículas subatómicas nuevas y cuál es su significado?
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57)¿Qué es un quark?
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58)Se ha dicho que los protones están constituidos por combinaciones de tres quarks P y también que un quark es treinta veces más pesado que un protón. ¿Cómo pueden ser ciertas ambas cosas a la vez?
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59)En la bomba atómica se convierte materia en energía. ¿Es posible hacer lo contrario y convertir energía en materia?
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60)Las antipartículas ¿producen antienergía?
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61)¿En qué difieren las propiedades de los rayos cósmicos de las de los neutrinos?
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62)¿Qué peligro encierran los rayos cósmicos para los hombres en el espacio?
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63)Los neutrinos ¿son materia o energía?
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64)¿Cómo funciona una cámara de burbujas?
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65)¿Qué es un reactor generador?
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66)¿Cuánto y durante cuánto tiempo hay que calentar el hidrógeno para mantener una reacción de fusión?
56.- ¿Por qué están encontrando los científicos tantas partículas subatómicasnuevas y cuál es su significado?
La clave de la respuesta puede resumirse en una sola frase: "más energía".
Y los físicos estudian la estructura interna del núcleo atómico de una manera muy bruta. Lo bombardean con todas sus fuerzas con partículas subatómicas, destrozan el núcleo en fragmentos y estudian luego los trozos.
Lo que ha cambiado en los últimos treinta años ha sido la energía con que esos "proyectiles" subatómicos irrumpen en el núcleo atómico. En los años treinta tenían energías de millones de electronvoltios; en los cuarenta, de cientos de millones; en los cincuenta, de miles de millones; en los sesenta, de docenas de miles de millones. Y a lo que se ve, en la presente década llegaremos a cientos de miles de millones de electronvoltios
Cuanto mayor es la energía con que se irrumpe en el núcleo, mayor es el número de partículas que salen y mayor es también su inestabilidad. Y sería lógico pensar que a medida que crece la fuerza del impacto, menores deberían ser las partículas resultantes. (Al fin y al cabo, un golpe fuerte parte una roca en dos mitades, pero uno más fuerte aún la dividirá en una docena de trozos pequeños.) En el caso de los núcleos no es así. Las partículas que se obtienen suelen ser bastante pesadas.
Y es que no hay que olvidar que la energía se puede convertir en masa. Las partículas subatómicas que aparecen en un proceso de ruptura de un núcleo no salen de allí como si hubiesen estado alojadas en él desde el principio. Se forman en el momento del impacto a partir de la energía de las partículas que intervienen en el choque. Cuanto mayor es la energía de la partícula entrante, mayor es la masa que podrá tener la partícula formada y mayor será también, por lo general, su inestabilidad.
En cierto modo cabría decir que las partículas subatómicas salen del núcleo destrozado de la misma manera que las chispas salen del acero al golpearlo con un pedernal. Las chispas no estaban desde el principio en el acero, sino que se forman a partir de la energía del golpe.
Pero entonces, ¿tienen algún significado todas estas partículas subatómicas nuevas? ¿No serán meros productos fortuitos de la energía, como las chispas?
Los físicos piensan que no, porque el orden que impera entre ellas es muy grande. Las partículas formadas tienen ciertas propiedades que obedecen determinadas reglas, bastante complicadas. Es decir, las diversas partículas pueden ser representadas mediante números, que a su vez son identificados por nombres como los de "spin isotópico", "rareza", "paridad", etc., y la naturaleza de dichos números viene dictada por limitaciones muy rígidas.
Detrás de estas limitaciones tiene que haber algo, indudablemente.
El físico americano Murray Gell-Mann ha ideado un sistema de ordenar las distintas partículas subatómicas de acuerdo con dichos números en una progresión regular, y gracias a ello ha logrado predecir partículas nuevas, hasta ahora desconocidas. En concreto predijo la existencia de una partícula omega negativa que poseía propiedades bastante improbables; pero después de investigar se comprobó que efectivamente existía y que poseía además dichas propiedades.
Gell-Mann sugiere también que los cientos de partículas que hoy se conocen quedarían ordenadas de modo muy natural de la manera que él ha demostrado, sólo con que estuviesen compuestas de unos cuantos tipos de partículas más elementales llamadas "quarks". Los físicos buscan hoy día con ahínco esos quarks. De encontrarlos, podrían ofrecernos una visión completamente nueva, y quizá muy útil, de la naturaleza fundamental de la materia.
Murray Gell-Mann (1929-) es un físico estadounidense. Estudió en la Universidad de Yale y en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. Profesor desde 1955 en la Universidad de California (Pasadena), donde desempeñó desde 1967 la cátedra de Física Teórica, fue miembro de la NASA desde 1964.
Se le otorgó el Premio Nóbel de Física en 1969 por sus descubrimientos sobre partículas elementales. La teoría de Gell-Mann aportó orden al caos al descubrir cerca de 100 partículas en el interior del núcleo atómico. Esas partículas, además de los protones y neutrones, estaban formadas por otras partículas elementales llamadas quarks. Estos quarks se mantienen unidos gracias al intercambio de gluones. Junto con otros investigadores construyó la teoría cuántica de quarks y gluones, llamada cromodinámica cuántica.
Además de la ciencia, al profesor Gell-Mann le interesan otros campos como la literatura, la historia natural, la lingüística histórica, arqueología, historia, psicología,... así como aprender y pensar.
Murray Gell-Mann es el autor de The Quark and the jaguar, Adventures in the simplex and the complex, un ensayo de divulgación científica con carácter autobiográfico.
57.- ¿Qué es un quark?
La noción de los quarks tuvo su origen en el hecho que en el último cuarto de siglo se han descubierto un centenar corrido de diferentes tipos de partículas subatómicas. Hay que decir que muy pocas de ellas viven más de una milmillonésima de segundo antes de desintegrarse, pero el mero hecho de su existencia basta para que los físicos anden de cabeza.
¿Por qué hay tantas y todas ellas diferentes? ¿No podrán agruparse en varias familias? Dentro de cada familia, las distintas partículas podrían diferir unas de otras de un modo perfectamente regular. Y entonces no sería necesario explicar la existencia de todas y cada una de las partículas, sino sólo de unas cuantas familias, poniendo así un poco de orden en lo que de otro modo parece una "jungla" subatómica.
El físico americano Murray Gell-Mann y el físico israelita Yuval Ne'emen idearon en 1961, cada uno por su lado, un sistema de organizar las partículas en tales familias. Gell-Mann llegó incluso a presentar una familia que incluía la partícula que él llamó omega negativa, que poseía propiedades muy raras y que jamás había sido observada. Sabiendo qué propiedades debía tener, los físicos sabían también dónde y cómo buscarla. En 1964 la encontraron, descubriendo que era exactamente como Gell-Mann la había descrito.
Estudiando sus familias, Gell-Mann pensó que las distintas partículas subatómicas quizá podrían estar constituidas por combinaciones de unas cuantas partículas aún más elementales, lo cual simplificaría mucho la visión del universo. Según él, postulando tres partículas subatómicas con determinadas propiedades sería posible disponerlas de diferentes modos y obtener así todas las partículas subatómicas conocidas.
La necesidad de combinar tres de estas hipotéticas partículas para construir todas las partículas conocidas le recordó a Gell-Mann un pasaje de la obra Finnegans Wake de James Joyce (libro en que el autor retuerce y distorsiona palabras con fines literarios) que dice: "Three quarks for Musther Mark."
Y así fue como Gell-Mann llamó "quarks" a esas partículas hipotéticas.
Lo curioso del caso es que los quarks tendrían que tener cargas eléctricas fraccionarias. Todas las cargas conocidas son iguales o a la de un electrón (- 1), o a la de un protón (+ 1) o a un múltiplo exacto de estas dos. La carga del quark p, sin embargo, sería + 2/3, y las del quark n y quark lambda - 1/3, Un protón, por ejemplo, estaría constituido por un quark n y dos quarks p, un neutrón por dos quarks n y un quark p, etc.
Pero el quark ¿existe realmente o es pura ficción matemática?
Para aclarar la pregunta, consideremos un billete de un dólar. Un billete de un dólar podemos considerarlo igual a diez monedas de diez centavos, pero ¿se trata sólo de una ecuación matemática o es realmente posible que al romper el billete en diez trozos comprobemos que cada uno de éstos es una moneda metálica de diez centavos?
Desde que Gell-Mann propuso la existencia de los quarks, los físicos han intentado localizar indicios de su presencia, pero en vano. En 1969, ciertos informes de Australia hablaron que entre la lluvia de partículas producida por choques de rayos cósmicos se habían detectado rastros de partículas con carga eléctrica fraccionaria. Pero las pruebas eran sumamente marginales, y la mayoría de los físicos se mostraron muy escépticos hacía el informe.
58.- Se ha dicho que los protones están constituidos por combinaciones de tres quarks p y también que un quark es treinta veces más pesado que un protón.¿Cómo pueden ser ciertas ambas cosas a la vez?
Ambos enunciados pueden ser ciertos. Por lo menos, no tienen por qué ser contradictorios. La clave de esta aparente contradicción está en que la masa es un aspecto de la energía.
Se puede decir que cualquier objeto posee energía cinética respecto a algún sistema de referencia apropiado. La energía cinética es igual a la mitad del producto de la masa del objeto por el cuadrado de su velocidad.
Cuando aumenta su energía aumentan también la masa y la velocidad (la segunda principalmente a bajas energías, y la primera sobre todo a energías muy altas).
Señalemos a continuación que cuantos más pequeños son los objetos y más íntimamente unidos están, más fuertes son (por lo general) las fuerzas que los mantienen unidos. Los cuerpos de tamaño verdaderamente grande, como el Sol o la Tierra, mantienen su integridad gracias al campo gravitatorio, que es con mucho la fuerza más débil de las que se conocen.
Los átomos y las moléculas se mantienen unidos por el campo electromagnético, que es mucho más fuerte. Gracias a él mantienen firmemente algunas moléculas su estructura; más firmemente aún los átomos de una molécula; y todavía más, los electrones y núcleos dentro de un átomo.
Las partículas dentro de un núcleo atómico se mantienen juntas gracias a un campo nuclear que es unas cien veces más intenso que el campo electromagnético y de hecho la fuerza más intensa que se conoce. (Por eso son mucho más violentas las explosiones nucleares que las químicas.)
Si los protones (y neutrones) que se encuentran dentro del núcleo están compuestos a su vez por partículas aún más fundamentales, los quarks, las ligaduras que mantienen unidos a los quarks tendrán que ser mucho más fuertes que las que sujetan a los protones y neutrones. Y en ese sentido puede ser que exista un nuevo campo, mucho más intenso que los que hasta ahora se conocen.
Para romper un protón o un neutrón y descomponerlo en quarks hará falta invertir energías enormes, mucho mayores que las que hacen falta para romper el conglomerado de protones y neutrones que forman el núcleo atómico.
Al desintegrarse el protón o el neutrón, los quarks que aparecen recogen la energía previamente invertida. Parte de ella se manifestaría en la forma de velocidades muy grandes, y otra parte en la forma de una gran masa. En resumen, gracias al empleo de enormes energías, el quark, que dentro del protón sólo tenía un tercio de la masa del protón, se convierte en una partícula mucho más masiva que él.
Los quarks en libertad tendrían una tendencia muy grande a volverse a unir, debido a la insólita intensidad del campo, que les hace experimentar esa atracción mutua. La reunificación liberaría grandes cantidades de energía, y la pérdida de ésta se traduciría en una pérdida de masa. La masa de los quarks se reduciría entonces lo suficiente como para hacer que la combinación de tres de ellos no tuviera una masa mayor que la de un protón.
Hoy día los físicos no disponen de la energía necesaria para dividir las partículas subatómicas en quarks, por lo cual no es fácil comprobar si la hipótesis es buena o no. Pero hay algunas partículas de los rayos cósmicos que sí tienen tales energías, y en la actualidad se están buscando los quarks en las lluvias de partículas que aquéllas producen al chocar con átomos.
Sí que es posible convertir energía en materia, pero hacerlo en grandes cantidades resulta poco práctico. Veamos por qué.
Según la teoría especial de la relatividad de Einstein, tenemos que
e = mc2
donde e representa la energía, medida en ergios, m representa la masa en gramos y c es la velocidad de la luz en centímetros por segundo.
La luz se propaga en el vacío a una velocidad muy próxima a los 30.000 millones (3 ( 1010) de centímetros por segundo. La cantidad c2 representa el producto c x c, es decir, 3 x 1010 x 3 x 1010 ó 9 x 1020. Por tanto, c2 es igual a
900.000.000.000.000.000.000.
Así pues, una masa de un gramo puede convertirse, en teoría en 9 x 1020 ergios de energía.
El ergio es una unidad muy pequeña de energía. La kilocaloría, de nombre quizá mucho más conocido, es igual a unos 42.000 millones de ergios. Un gramo de materia, convertido a energía, daría 2,2 x 1010 (22.000 millones) de kilocalorías. Una persona puede sobrevivir cómodamente con 2.500 kilocalorías al día, obtenidas de los alimentos ingeridos. Con la energía que representa un solo gramo de materia tendríamos reservas para unos 24.110 años, que no es poco para la vida de un hombre.
O expresémoslo de otro modo: si fuese posible convertir en energía eléctrica la energía representada por un solo gramo de materia bastaría para tener luciendo continuamente una bombilla de 100 vatios durante unos 28.200 años.
O bien: la energía que representa un solo gramo de materia equivale a la que se obtendría de quemar unos 32 millones de litros de gasolina.
Nada tiene de extraño, por tanto, que las bombas nucleares, donde se convierten en energía cantidades apreciables de materia, desaten tanta destrucción.
La conversión opera en ambos sentidos. La materia se puede convertir en energía, y la energía en materia. Esto último puede hacerse en cualquier momento en el laboratorio. Una partícula muy energética, un fotón de rayos gamma, puede convertirse en un electrón y un positrón sin grandes dificultades. Con ello se invierte el proceso, convirtiéndose energía en materia.
Ahora bien la materia formada se reduce a dos partículas ligerísimas, de masa casi despreciable. ¿Podrá utilizarse el mismo principio para formar una cantidad mayor de materia, lo suficiente para que resulte visible?
¡Ah! Pero la aritmética es implacable. Si un gramo de materia puede convertirse en una cantidad de energía igual a la que produce la combustión de 32 millones de litros de gasolina, entonces hará falta toda esa energía para fabricar un solo gramo de materia.
Aun cuando alguien estuviese dispuesto a hacer el experimento y correr con el gasto de reunir toda esa energía (y quizás varias veces más, a fin de cubrir pérdidas inevitables) para formar un gramo de materia, no lo conseguiría. Sería imposible producir y concentrar toda esa energía en un volumen suficientemente pequeño para producir de golpe un gramo de materia.
Así pues, la conversión es posible en teoría, pero completamente inviable en la práctica. En cuanto a la materia del universo, se supone, desde luego, que se produjo a partir de energía, pero en unas condiciones que sería imposible reproducir hoy día en el laboratorio.
60.- Las antipartículas ¿producen antienergía?
A principios del siglo XX los físicos empezaron a comprender que toda la materia consistía en determinadas clases de partículas. El físico inglés Paul Dirac
, que trabajaba en la teoría de esas partículas, llegó en 1930 a la conclusión que cada clase tenía que tener su opuesta.
El electrón, por ejemplo, tiene una carga eléctrica negativa y el protón una carga eléctrica positiva exactamente igual, pero las dos partículas no son opuestas, porque la masa del protón es mucho mayor que la del electrón.
Según Dirac, tenía que haber una partícula con la misma masa que el electrón pero con carga eléctrica positiva, y otra con la misma masa que el protón pero con carga eléctrica negativa. Ambas fueron descubiertas en su día, de modo que hoy conocemos el "antielectrón" (o "positrón" y el "antiprotón".
El neutrón no tiene carga eléctrica, pero en cambio posee un campo magnético que apunta en una determinada dirección. Y existe el "antineutrón", que tampoco tiene carga eléctrica pero cuyo campo magnético apunta en la dirección opuesta.
Pues bien, lo siguiente es al parecer una ley de la naturaleza: una partícula puede convertirse en otra, pero siempre que se forma una partícula sin la existencia previa de otra, tiene que formarse simultáneamente una antipartícula.
He aquí un ejemplo. Un neutrón puede convertirse en un protón, lo cual es perfectamente admisible, porque lo único que ha sucedido es que una partícula se ha convertido en otra. Pero en esa conversión se forma también un electrón. Es decir, una partícula se ha convertido en dos. Para contrarrestar esa segunda partícula se forma una diminuta antipartícula llamada "antineutrino".
Una partícula (el neutrón) se ha convertido en otra (el protón) más un par partícula / antipartícula (el electrón y el antineutrino).
A partir de energía se pueden formar pares partícula / antipartícula, que a su vez pueden volver a convertirse en energía en cualquier número. De energía no podemos sacar una partícula sola, ni una única antipartícula, pero sí un par.
Como la propia energía está formada de "fotones", se plantea entonces el problema de si el fotón es una partícula o una antipartícula. No parece que haya ningún modo de convertir un fotón en un electrón, por lo cual no puede ser una partícula; ni tampoco de convertirlo en un antielectrón, por lo cual tampoco puede ser una antipartícula.
Sin embargo, un fotón de rayos gamma suficientemente energético sí puede convertirse en un par electrón / antielectrón. Parece, pues, que el fotón no es ni una partícula ni una antipartícula, sino un par partícula / antipartícula.
Todo fotón es a la vez un antifotón, o digámoslo así, un fotón es su propio opuesto.
También podríamos mirarlo del siguiente modo. Doblemos una hoja de papel por la mitad y escribamos los nombres de todas las partículas en un lado y los de las antipartículas en el otro. ¿Dónde pondríamos al fotón? Pues justo en el doblez.
Por eso la energía producida por un mundo de partículas consiste en fotones, igual que la producida por un mundo de antipartículas. La energía es la misma en ambos casos y, por lo que sabemos hoy día, no hay nada que podamos llamar antienergía.
61.- ¿En qué difieren las propiedades de los rayos cósmicos de las de los neutrinos?
Los rayos cósmicos son partículas subatómicas muy rápidas, de gran masa y cargadas positivamente. Aproximadamente el 90% de las partículas son protones (núcleos de hidrógeno) y el 9%, partículas alfa (núcleos de helio). El 1% restante son núcleos de átomos más complejos. Hasta se han detectado núcleos de átomos tan complejos como el hierro, cuya masa es 56 veces mayor que la del protón.
Las partículas de los rayos cósmicos, por tener tanta masa y moverse con velocidades tan grandes (casi la velocidad de la luz), son muy energéticas. De hecho son las partículas más energéticas que conocemos, algunas de ellas miles de millones de veces más que las que se pueden producir en los mayores aceleradores.
Las partículas de los rayos cósmicos, al estrellarse contra la atmósfera terrestre, rompen todos los átomos que encuentran a su paso y producen una lluvia de "radiación secundaria" que, entre otras cosas, incluye mesones y positrones. La radiación se estrella finalmente contra la Tierra propiamente dicha, penetrando parte de ella varios metros en el suelo antes de ser absorbida.
Tales partículas pueden originar cambios en los átomos que encuentran, sin excluir los del cuerpo humano. Y es posible que dichos cambios ocasionen enfermedades como la leucemia e induzcan mutaciones. Pero la probabilidad que un individuo dado sufra una desgracia de este tipo es pequeña, porque la mayoría de las partículas de rayos cósmicos que chocan contra una persona pasan de largo sin ocasionar ningún daño.
La fuente exacta de las partículas de los rayos cósmicos y la manera en que adquieren energías tan enormes son dos temas aún debatidos.
En cualquier reacción nuclear que produzca electrones, positrones o muones se producen también neutrinos. Las reacciones nucleares que se desarrollan en el Sol, por ejemplo, producen grandes cantidades de positrones y, por tanto, también de neutrinos.
Los neutrinos, que se mueven a la velocidad de la luz, son aún más rápidos que las partículas de los rayos cósmicos pero mucho menos energéticos, porque carecen de carga eléctrica y de masa. Los neutrinos no son absorbidos por la materia a menos que choquen frontalmente contra un núcleo atómico, y este suceso es tan raro que por término medio pueden atravesar billones de kilómetros de plomo sin ser absorbidos.
Los billones de neutrinos que produce el Sol cada segundo se esparcen en todas direcciones. Los que, por casualidad, salen en dirección a la Tierra llegan hasta nosotros y pasan a través del planeta como si no estuviera allí. Los neutrinos nos bombardean día y noche durante toda nuestra vida. Pero como nos atraviesan sin ser absorbidos, no nos afectan para nada.
Claro está que, por un golpe de suerte, puede ser que un neutrino choque frontalmente contra un núcleo atómico muy cerca de nosotros. En ese caso puede ser detectado. Durante los años cincuenta, los físicos aprendieron a aprovechar estos rarísimos casos. Los neutrinos pueden servir, para proporcionarnos información acerca del interior de las estrellas (donde se forman), que de otro modo no podríamos conocer. modo no podríamos conocer.
62.- ¿Qué peligro encierran los rayos cósmicos para los hombres en el espacio?
Allá por el año 1911, el físico austriaco Víctor F. Hess descubrió que la Tierra estaba siendo bombardeada por una radiación muy penetrante que venía del espacio exterior. En 1925, el físico americano Robert A. Millikan le puso el nombre de "rayos cósmicos", dado que venían del "cosmos", del universo.
Más tarde se descubrió que los rayos cósmicos consistían en núcleos atómicos de velocidad muy alta, dotados de una carga eléctrica positiva. Un 90% de ellos eran protones (núcleos de átomos de hidrógeno) y el 9% partículas alfa (núcleos de átomos de helio). El 1% restante son núcleos más complicados y de mayor masa, algunos tan grandes como el de hierro, que es 56 veces más pesado que el protón.
Los veloces núcleos que chocan contra la atmósfera exterior de la Tierra constituyen la "radiación primaria". Chocan con las moléculas de aire, las desintegran y producen una serie de partículas casi tan energéticas como la radiación primaria. Estas nuevas partículas, extraídas violentamente de las moléculas de aire, constituyen la "radiación secundaria".
Parte de la radiación llega hasta la superficie de la Tierra y penetra varios pies en la corteza. Algo de ella atraviesa también los cuerpos humanos, pudiendo ocasionar daños en las células: tal puede ser uno de los factores que producen mutaciones en los genes. Una cantidad suficiente de esta radiación podría dañar células bastantes para matar a una persona, pero lo cierto es que aquí abajo, en la parte inferior de la atmósfera, no llega tanta radiación como para eso. Las criaturas vivientes han sobrevivido miles de millones de años al bombardeo de los rayos cósmicos.
El origen de los rayos cósmicos es un tema muy debatido, pero se sabe que por lo menos parte de ellos se forman en las estrellas ordinarias. En 1942 se descubrió que el Sol produce rayos cósmicos benignos cuando una erupción solar abate su superficie.
La atmósfera superior absorbe gran parte del impacto de las partículas de los rayos cósmicos normales, mientras que la radiación secundaria es absorbida en parte más abajo. De la energía inicial de radiación, sólo sobrevive y llega hasta la superficie terrestre una pequeña fracción.
Pero allá fuera, en el espacio, tienen que contar con la posibilidad de enfrentarse con la furia desatada de la radiación primaria. Y aquí no sirve de nada un blindaje. Las partículas de los rayos cósmicos, al chocar con los átomos del blindaje, provocarían una radiación secundaria que saldría disparada en todas direcciones como metralla. Una elección equivocada del material de blindaje empeoraría incluso aún más las cosas.
La magnitud del peligro depende de la actividad de rayos cósmicos que haya en el espacio exterior, sobre todo del número de partículas de gran masa, que serían las más nocivas. Los Estados Unidos y la Unión Soviética han enviado numerosos satélites al espacio para comprobar las cantidades de rayos cósmicos, y parece ser que en condiciones normales son suficientemente bajas como para que haya una relativa seguridad.
La fuente más probable de peligro son los rayos cósmicos débiles del Sol. La atmósfera terrestre los detiene casi por completo, pero en el caso de los astronautas no hay nada que les preste ese servicio. Y aunque son débiles, en cantidad suficiente pueden ser peligrosos. Los rayos cósmicos del Sol sólo se presentan en abundancia cuando se produce una erupción solar. Las erupciones solares no son, por suerte, muy frecuentes, pero por desgracia es imposible predecirlas.
Así pues, lo único que podemos hacer mientras los astronautas se encuentran en la Luna es esperar que durante esa semana o par de semanas no se produzca ninguna gran erupción que lance sobre ellos partículas de rayos cósmicos.
Los neutrinos ¿son materia o energía?
Los físicos del siglo XIX creían que la materia y la energía eran dos cosas completamente diferentes. Materia era todo aquello que ocupaba un espacio y que poseía masa. Y al tener masa, tenía también inercia y respondía al campo gravitatorio. La energía, en cambio, no ocupaba espacio ni tenía masa, pero podía efectuar trabajo. Además se pensaba que la materia consistía en partículas (átomos), mientras que la energía se componía de ondas.
Por otro lado, los físicos del siglo XIX creían que ni la materia ni la energía, cada una por su parte, podía ser creada ni destruida. La cantidad total de materia del universo era constante, igual que la cantidad total de energía. Había, pues, una ley de conservación de la energía y una ley de conservación de la materia.
Albert Einstein demostró más tarde, en 1905, que la masa es una forma muy concentrada de energía. La masa podía convertirse en energía y viceversa. Lo único que había que tener en cuenta era la ley de conservación de la energía. En ella iba incluida la materia.
Hacia los años veinte se vio además que no se podía hablar de partículas y ondas como si fuesen dos cosas diferentes. Lo que solemos considerar partículas actúa en ciertos aspectos como ondas. Y lo que normalmente consideramos como ondas, actúa en ciertos aspectos como partículas. Así pues, podemos hablar de "ondas del electrón", por ejemplo; y también de "partículas de luz", o "fotones".
Una diferencia sí que sigue habiendo. Las partículas de materia pueden hallarse en reposo respecto a un observador. Aun estando en reposo, poseen masa. Poseen una "masa en reposo", mayor que cero.
Las partículas como los fotones, por el contrario, tienen una masa en reposo nula. Estando en reposo respecto a nosotros, no podríamos medir masa alguna. Pero eso es pura teoría, porque las partículas que tienen una masa en reposo nula jamás pueden estar paradas respecto a ningún observador. Esas partículas se mueven siempre a una velocidad de 299.793 kilómetros por segundo a través del vacío. Tan pronto como nacen, empiezan a moverse a esa velocidad.
Precisamente porque los fotones se mueven siempre a 299.793 kilómetros por segundo (en el vacío) y porque la luz está compuesta de fotones, llamamos a esta velocidad la "velocidad de la luz".
¿Y los neutrinos? Los neutrinos se forman en ciertas reacciones nucleares y ningún físico atómico ha sido hasta ahora capaz de medir su masa. Es muy probable que los neutrinos, como los fotones, tengan una masa en reposo nula.
En ese caso, los neutrinos viajan siempre a 299.793 kilómetros por segundo y adquieren esa velocidad en el instante en que se forman.
Pero los neutrinos no son fotones, porque ambos tienen propiedades muy distintas. Los fotones interaccionan fácilmente con las partículas de materia, y son retardados y absorbidos (a veces muy rápidamente) al pasar por la materia. Los neutrinos, por el contrario, apenas interaccionan con las partículas de materia y pueden atravesar un espesor de años-luz de plomo sin verse afectados.
Parece claro, por tanto, que si los neutrinos tienen una masa en reposo nula, no son materia. Por otro lado, hace falta energía para formarlos, y al alejarse se llevan algo de ella consigo, de modo que son una forma de energía.
Sin embargo, atraviesan cualquier espesor de materia sin interaccionar apenas, de modo que prácticamente no efectúan trabajo. Lo cual les distingue de cualquier otra forma de energía. Lo mejor quizá sea llamarlos simplemente... neutrinos.
64.- ¿Cómo funciona una cámara de burbujas?
La cámara de burbujas es un dispositivo para detectar partículas subatómicas. Fue inventada en 1952 por el físico americano Donald A. Glaser, quien en 1960, recibió por ello el Premio Nóbel de Física.
En esencia es un depósito de líquido a una temperatura superior a su punto de ebullición. El líquido se halla bajo presión, con lo cual se impide que hierva. Pero si se disminuye la presión, el líquido entra en ebullición y aparecen en él burbujas de vapor.
Imaginemos que una partícula subatómica, un protón o un mesón, por ejemplo, se zambulle en el líquido de una cámara de burbujas. Choca contra las moléculas y átomos del líquido y les transfiere una parte de su energía, formándose así una línea de átomos y moléculas de temperatura superior al resto. Si se retira la presión que actúa sobre el líquido, las burbujas de vapor se forman en primer lugar a lo largo de la línea de energía que ha dejado atrás la partícula subatómica. El paso de las partículas queda así marcado por un trazo visible de burbujas que se puede fotografiar fácilmente.
Este rastro visible revela a los físicos muchas cosas, sobre todo si la cámara de burbujas está colocada entre los polos de un potente imán. Las partículas capaces de dejar un rastro de burbujas poseen siempre una carga eléctrica, o positiva o negativa. Si la carga es positiva, la trayectoria de la partícula se curva en una determinada dirección bajo la influencia del imán; si es negativa, se curva en la dirección contraria. Por la curvatura de la curva puede determinar el físico la velocidad de la partícula. Con esto, con el espesor de la traza y otros datos, puede determinar también la masa de la partícula.
Cuando una partícula se desintegra en dos o más partículas, la traza se ramifica. También aparecen ramales en el caso de una colisión. En las fotografías de una cámara de burbujas aparecen normalmente numerosos trazos que convergen, se separan y se ramifican. Hay veces que entre dos porciones del conjunto de trazas se observa un hueco. Lo que hay que hacer entonces es llenar ese hueco con alguna partícula sin carga; pues las partículas que carecen de carga no dejan traza alguna al pasar por una cámara de burbujas.
Para el físico nuclear, la compleja trama de trazos de una fotografía tomada en una cámara de burbujas es tan significativa como los rastros en la nieve para un cazador ducho. De la naturaleza de las trazas puede deducir el físico qué clase de partículas han intervenido o si ha encontrado un nuevo tipo de partícula.
La primera cámara de burbujas que construyó Glaser tenía sólo unas cuantas pulgadas de diámetro. Hoy día, en cambio, se construyen cámaras enormes de muchos pies de diámetro, que contienen cientos de litros de líquido.
Los líquidos que se usan en las cámaras de burbujas pueden ser de varios tipos. Algunos contienen gases nobles licuados, como el xenón o el helio. Otros, gases orgánicos licuados.
Pero el líquido más útil para las cámaras de burbujas es el hidrógeno líquido. El hidrógeno está compuesto por los átomos más elementales que se conocen. Cada átomo de hidrógeno consiste en un núcleo constituido por un único protón, alrededor del cual gira un solo electrón. Es decir, el hidrógeno líquido está formado sólo por protones y electrones aislados. Los núcleos atómicos de todos los demás líquidos son conglomerados de varios protones y neutrones.
Como consecuencia de lo anterior, los sucesos subatómicos que tienen lugar en el seno del hidrógeno líquido son especialmente simples y tanto más fáciles de deducir a partir de las trazas de burbujas. deducir a partir de las trazas de burbujas.
65.- ¿Qué es un reactor generador?
El uranio 235 es un combustible práctico. Es decir, los neutrones lentos son capaces de hacer que el uranio 235 se fisione (se rompa en dos), produciendo más neutrones lentos, que a su vez inducen otras fisiones atómicas, etc. El uranio 233 y el plutonio 239 son también combustibles nucleares prácticos por las mismas razones.
Por desgracia, el uranio 233 y el plutonio 239 no existen en estado natural sino en trazas mínimas, y el uranio 235, aunque existe en cantidades apreciables, no deja de ser raro. En cualquier muestra de uranio natural, sólo siete de cada mil átomos son uranio 235. El resto es uranio 238.
El uranio 238, la variedad común de uranio, no es un combustible nuclear práctico. Puede conseguirse que se fisione, pero sólo con neutrones rápidos. Los átomos de uranio 238 que se rompen en dos producen neutrones lentos, que no bastan para inducir nuevas fisiones. El uranio 238 cabría compararlo a la madera húmeda: es posible hacer que arda, pero acabará por apagarse.
Supongamos, sin embargo, que se separa el uranio 235 del uranio 238 (trabajo más bien difícil) y que se utiliza aquél para hacer funcionar un reactor nuclear. Los átomos de uranio 235 que forman el combustible del reactor se fisionan y esparcen miríadas de neutrones lentos en todas las direcciones. Si el reactor está rodeado por una capa de uranio ordinario (que en su mayor parte es uranio 238), los neutrones que van a parar allí son absorbidos por el uranio 238. Dichos neutrones no pueden hacer que el uranio 238 se fisione, pero provocarán otros cambios que, al final, producirán plutonio 239. Separando este plutonio 239 del uranio (trabajo bastante fácil), puede utilizarse como combustible nuclear práctico.
Un reactor nuclear que genera así nuevo combustible para reponer el usado es un "reactor generador". Un reactor generador de diseño adecuado produce más plutonio 239 que el uranio 235 consumido. De este modo, las reservas totales de uranio de la Tierra (y no sólo las de uranio 235) se convierten en potenciales depósitos de combustible.
El torio, tal como se da en la naturaleza, consiste todo él en torio 232, que, al igual que el uranio 238, no es un combustible nuclear práctico, porque requiere neutrones rápidos para fisionarse. Pero si se coloca torio 232 alrededor de un reactor nuclear sus átomos reabsorberán, los neutrones y, sin experimentar fisión alguna se convertirán en átomos de uranio 233. Como el uranio 233 es un combustible práctico que se puede separar fácilmente del torio, el resultado es otra variedad de reactor generador, en este caso un reactor que convierte las reservas de torio en un combustible nuclear potencial.
La cantidad total de uranio y de torio que hay en la Tierra es unas 800 veces mayor que las reservas de uranio 235, lo cual significa que el buen uso de los reactores generadores podría multiplicar por 800 la oferta potencial de energía a través de plantas de fisión nuclear. a través de plantas de fisión nuclear.
66.- ¿Cuánto y durante cuánto tiempo hay que calentar el hidrógeno para mantener una reacción de fusión?
Al calentar el hidrógeno a temperaturas cada vez más altas, pierde energía por radiación a una velocidad cada vez mayor, Si la temperatura sigue aumentando, los átomos de hidrógeno pierden sus electrones, dejando que los núcleos desnudos choquen unos contra otros y se fundan. Esta fusión produce energía, Si la temperatura sigue subiendo, la cantidad de energía producida por fusión es cada vez mayor.
La cantidad de energía producida por la fusión aumenta más deprisa con la temperatura que la pérdida de energía por radiación. Al alcanzar cierta temperatura crítica, la energía producida por la fusión llega a ser igual a la perdida por radiación. En ese momento la temperatura se estabiliza y la reacción de fusión se automantiene. Con tal de suministrar hidrógeno al sistema, éste producirá energía a un ritmo constante.
La temperatura requerida varía con el tipo de hidrógeno. El tipo más común es el hidrógeno (H) con un núcleo compuesto por un solo protón. Después está el hidrógeno pesado, o deuterio (D), con un núcleo compuesto por un protón y un neutrón, y el hidrógeno radiactivo, o tritio (T), con un núcleo de un protón y dos neutrones.
La cantidad de energía producida por fusión nuclear a una temperatura dada con D es mayor que con H y menor que con T.
Las fusiones con H producen tan poca energía que haría falta una temperatura de más de mil millones de grados para mantener la reacción en el laboratorio. Es cierto que lo que se funde en el centro del Sol, donde la temperatura alcanza sólo los 15.000.000 de grados, es H, pero a una temperatura tan baja sólo se funde una proporción diminuta del hidrógeno. Sin embargo, la cantidad de H que hay en el Sol es tan ingente que aun esa diminuta proporción basta para mantener la radiación solar.
La fusión que menos temperatura requiere para iniciarse es la de T: basta unos cuantos millones de grados. Desgraciadamente el tritio es inestable y apenas se da en la naturaleza. Habría que formarlo en el laboratorio casi por encargo, y aun así sería imposible mantener a base de tritio la cantidad de reacciones de fusión que necesita la Tierra.
La fusión del deuterio tiene una temperatura de ignición de 400.000.000º C. El deuterio es estable pero raro; sólo un átomo de cada 6.700 es de deuterio. Pero tampoco exageremos. En un litro de agua ordinaria hay suficiente deuterio para producir por fusión una energía equivalente a la combustión de 67 litros de gasolina.
Un modo de alcanzar la temperatura necesaria es mediante la adición de algo de tritio para que actúe de detonador. La fusión de deuterio con tritio puede iniciarse a los 45.000.000º C. Si se logra prender un poco de la mezcla, el resto se calentaría lo suficiente para que el deuterio pudiese arder él solo.
El tiempo que hay que mantener la temperatura depende de la densidad del hidrógeno. Cuantos más átomos por centímetro cúbico, tantas más colisiones y más rápida la ignición. Si hay 1015 átomos por centímetro cúbico (una diezmilésima del número de moléculas por centímetro cúbico del aire normal), la temperatura habría que mantenerla durante dos segundos.
Claro está que cuanto mayor es la densidad y más alta la temperatura, tanto más difícil es mantener el deuterio en su sitio, incluso durante ese tiempo tan breve. Los sistemas de fusión han ido avanzando poco a poco durante todos estos años, pero aún no se han conseguido las condiciones para la ignición. años, pero aún no se han conseguido las condiciones para la ignición.
Bueh, eso fue todo por ahora, disculpen si hay algo mal hecho pero es que lo hice apurado .
Saludos y comenten.