Quantum solaris - parte cinco: El átomo.

 

imagen del átomo

Cómo les había contado en otra historia la curiosidad, producto de la razón acerca de la naturaleza de la materia, fue llevando a identificar las partículas que conformaban la materia y entonces ya también se comenzaba a identificar que la carga eléctrica por ejemplo era debida a las partículas que conformaban todo y que además esto tiene que ver con una estructura, que valga decir todavía estamos conociendo, la cual además estaba relacionada en cómo las sustancias se unen unas con otras y se separaban liberando energía.

El reto que significaba entender los fluidos reavivó el interés por el modelo atómico. Al primero que se le ocurrió revivir el átomo fue a John dalton quien propuso que la materia existía de dos formas: por un lado, los elementos que eran compuestos por un tipo de partícula en especial y los compuestos que a su vez eran constituidos por la unión de dos o más elementos, algo que la evolución de la química del momento pudo demostrar, Bernoulli propuso esto como partículas sólidas, pero esto rápidamente fue desechado. un botánico, Robert Brown, pudo detallar que unas partículas de polen que andaba observando se movían de forma errática en el agua de manera que era difícil de explica por las leyes del movimiento de newton que en ese momento todo lo explicaban así que debía existir algo que no se había tenido en cuenta. A un científico alemán, Ludwig Boltzmann, se le ocurrió entonces que los gases estaban constituidos por partículas lo cual hay que decir no era nuevo; pero agregó que muchos de sus comportamientos se deben a que las partículas en los gases colisionaban entre sí de forma caótica pero de acuerdo a las leyes de newton y que además podían describirse de forma estadística, explicando la dinámica de los gases a la vez del movimiento browniano. Esto fue un gran aporte no solo para el estudio de la dinámica en los gases sino además para la termodinámica donde además Boltzmann aportó una expresión para describir la segunda ley, la ley de la entropía; pero increíblemente fue relegado e incluso ridiculizado hasta ocasionar su suicidio debido a los profundos prejuicios que dominaban la ciencia y la sociedad del siglo XIX y aunque tarde para el pobre Boltzmann, pocos meses después fue reivindicado por un joven físico algo despistado que era fanático del violín que andaba siempre despeinado pues no le interesaba gastar su valioso tiempo en algo tan profano, me refiero a Albert Einstein quien además ganó el premio nobel con su teoría del fenómeno fotoeléctrico. Sin entrar en explicaciones largas el fenómeno fotoeléctrico es la forma como la luz afecta a la electricidad, pues se descubrió que los cuantos que también ya habían sido propuestos por Max Planck excitaban los electrones o partículas que fluyen cuando se manifiesta una corriente eléctrica y asi se establece que existe una relación entre electricidad y la luz visible, pero un poco antes Joseph Thompson estudiando los rayos catódicos vio que estos eran desviados por un campo magnético así que estos debían tener una carga eléctrica y denominó a este electrón, algo de lo que también ya se sospechaba su existencia, pero que no había sido visualizado hasta ese momento.

tubo de rayos catódico

Posteriormente Ernest Rutherford descubre que esta partícula además de tener electrones era hueca así que debía tener un centro alrededor de los cuales giraban estos y su carga debía ser positiva y en la misma cantidad de los electrones para que este al final tuviera carga neutra y que estas otras cargas positivas a las que se llamó protones, deben estar ubicados en el centro además de ser más densos. Esto ocurrió un poco después de la teoría del fenómeno fotoeléctrico y es por demás muy interesante ver como todas estas teorías se fueron hilvanando y como vamos viendo que esas sospechas bien infundadas se iban consolidando, validando todo lo que se estaba desarrollando. Niels Bohr sólo dos años después, estamos hablando de 1913, crea el modelo atómico donde los electrones están divididos en niveles de energía y que la única forma que tienen de ascender es recibir energía en forma de cuantos y cuando regresaban a su nivel la devolvieron en forma de fotón también.

quedaba por resolver por qué los electrones no se apilaban en el centro ya que al ser electrones y protones de cargas contrarias y como se sabía desde hace un tiempo estas se atraen entonces era de esperarse que los atomos colapsaran pero ¿Por qué no sucedia? en ese momento entra en la historia James Chadwick quien estudiando los rayos alfa encuentra un tercer tipo de partícula que tiene carga neutra así que se crea el modelo del núcleo atómico donde estaban los neutrones y protones con una masa muchísimo más grande que los pequeñísimos electrones que giraban alrededor de él pero que era hueco, tan hueco que si un átomo fuera un estadio de futbol el punto del centro de la cancha seria el núcleo y el ultimo electrón sería una pequeña moneda girando en el perímetro.

este es el modelo que hoy conocemos del átomo, aunque hay que aclarar que desde ese tiempo hasta hoy se ha andado mucho pues además resulta que estas partículas están hechas de otras y hay una gran cantidad de partículas que se ha ido descubriendo fuera de los debates sobre la física cuántica y la clásica, pero para nuestro propósito está bien llegar hasta aquí.

En este punto, ya conociendo el asunto de cómo el modelo del átomo se fue resolviendo, aparece la radioactividad. se encontraba Henry Becquerel estudiando algún día la fosforescencia cuando encontró que se producía un oscurecimiento un papel fotográfico luego de colocar encima de él un recipiente cerrado con sales de uranio. se sospechaba que se debían a los misteriosos, en ese entonces, rayos x pero al no recibir el material ninguna excitación del exterior había que descartar esta probabilidad. para corroborarlo, Becquerel envolvió en papel fotográfico varios materiales fosforescentes y el resultado esperado era que ennegrecieron el papel pero eso no sucedió, sin embargo aunque no era un material fosforescente envolvió sales de uranio y para su sorpresa se ennegreció, lo que significaba que emite algún tipo de onda electromagnética o radiación, fuera del espectro visible, que reaccionaba con las sales del papel fotográfico y que esas radiaciones provenían del material. lo cierto es que ese fenómeno causó gran curiosidad y muchos científicos entre los que se incluyen los esposos Pierre y Marie Curie se pusieron en la jugada a descubrir cuál era la raíz de este fenómeno.

desarrollo de los modelos atómicos

en el proceso encontraron cosas reveladoras. la primera es que existían varios elementos más que mostraban esa cualidad así que se trataba de una propiedad de la materia que además era exclusiva de un selecto grupo de elementos, que se trataba de la desintegración de un elemento en otro así que los átomos se transforman en otros al dividirse y en el proceso se liberaba  energía lo cual el señor que no se peinaba, en refiero a Albert Einstein quien además había restablecido a Boltzmann había predicho antes, y es que materia es a la vez energía.

Extraño esto pues identificamos la masa con algo está siempre inalterable mientras la energía es algo transitorio y en vez de ser sinónimo de algo estático es movimiento. una extraña analogía existe en la lengua pues mientras en el español son verbos diferentes el ser y el estar, en el inglés son uno, to be, lo que nos demuestra que de una u otra forma esa extraña intriga entre lo dinámico y lo estático siempre ha estado ahí.

Hubo un sin número de genios más que contribuyeron al desarrollo de la teoría atómica pues ya la ciencia no era una aventura de uno sino el anhelo de muchos. Heisenberg, Fermi y muchos más aportaron al mundo de la nueva física, pero ese camino no lo andaremos pues es más importante para el tema de la energía lo que sucede antes. Resulta que ya el mundo cocinaba la segunda guerra mundial y eso en medio del descubrimiento de todo esto tan interesante y prometedor.

La cantidad de energía remanente del fraccionamiento de un átomo era ínfima, pero a medida que se sumaban millones y millones de átomos la cosa iba cambiando, ¿se podían sumar millones? pues sí ya que los neutrones sobrantes salen despedidos y golpeaban otros núcleos atómicos conduciendo también a su fraccionamiento así que si había suficientes átomos del tipos preciso pues se producía lo que se llama una reacción en cadena que no paraba hasta que toda la masa del material radioactivo explotaba. se ponía interesante o dramática según fuera el caso. tristemente el segundo caso fue lo primero que se manifestó pues excepto la radiografía el primer uso real de esta fuente de energía fue la bomba atómica, un arma de destrucción masiva como no se había y no se ha visto desde ese momento.

La segunda guerra fue el mayor drama de la humanidad, el que cambió el mundo de manera radical y enterró el mundo del pasado no sin millones de muertos, una cantidad nunca vista y que fue cerrado con dos bombazos atómicos. Es extraño que primero sea más fácil echar a volar las cosas que ponerlas a producir pera así fue, destruir una ciudad y miles de sus habitantes de un solo plumazo fue una fábula bíblica hasta ese momento, pero ya el botón no era posesión de un caprichoso padre imaginario sino de un humano quizás no movido por un espíritu altruista; sin embargo esta tecnología ofrece una capacidad de generación de energía impresionante y así se montaron las primeras plantas de producción de material radiactivo, que es como se llaman las sustancias que se desintegran generando este fenómeno. El primer material que se refinó con esto fines fue el uranio 235 que era un isótopo del uranio y que se puede hallar en la naturaleza y después se comenzó a usar plutonio, un metal que no existía en la naturaleza pero que se producía en los reactores donde se refinaban el uranio y que era más inestable y por ende más explosivo.

reproducción de una explosión nuclear

Después de la dantesca exhibición de Hiroshima y Nagasaki el mundo Sintió pavor pero eso no impidió que los dos modelos que se enfrentaron en la guerra fría, el comunismo y el capitalismo lo hicieran sin nunca ir al conflicto directo mientras se armaron hasta los dientes, pero si se puede hablar algo de las armas nucleares es que evitaron que esta guerra se calentara pues todo el mundo sabe y sabía que después de hundir el botón ya no había vuelta de hoja para el infierno; sin embargo, una fuente tan prometedora de energía no podía ser desechada, así como así, lo que hizo que muy pronto se comenzara a producir energía por este medio. la forma en que esta se produce por ciclos de vapor producto del calentamiento en el reactor, producto a su vez de la reacción controlada del material radioactivo lo cual se conseguía principalmente por grafito; pero que era refrigerada por otro fluido generalmente potasio o metaloides de ese sector de la tabla periódica. Este fluido era radiactivo así que no podía salir de la planta o tener contacto con el ambiente; pero además salía del reactor extremadamente caliente así que era enfriado con agua la cual también se volvía radioactiva y se calentaba por lo que tampoco salía de la planta y también se debía refrigerar. Ya el tercer fluido tenía niveles radioactivos bajos, pero se calentaba y debía ser enfriado por más agua. Un fluido que se calienta y luego se enfría es lo que habíamos denominado ciclo del vapor así que en cada etapa el gas se expandía como en el ciclo del vapor que se podía utilizar en una turbina para generar. entonces si contamos con el combustible nuclear se producían tres ciclos de vapor enlazados lo que permite una eficiencia muy alta con la consiguiente energía relativamente barata y abundante.

Si bien la energía como tal es barata, crear tecnología atómica era y es costoso además que por los motivos antes expuestos era muy difícil para cualquier país sumarse al club atómico, pero en los países en los que sí se podía era la promesa de una gran cantidad de energía.

central nuclear

La industria atómica ha invertido muchísimo en seguridad pues si bien debido al nivel de enriquecimiento del uranio usado como combustible nuclear está muy lejos del requerido para hacer armas atómicas, la radiación y toxicidad de los vapores hace que sean extremadamente peligrosos. y una fuga o una explosión si bien no ocasionaría una explosión como la de Hiroshima si podría matar muchísima gente por envenenamiento o por efectos a corto, mediano y largo plazo derivados de la radioactividad. Los eventos de los ataques nucleares estaban presentes en la memoria del mundo que ya era consciente de lo que allí había sucedido y que además las continuas pruebas de armas cada vez más potentes iban alimentando el miedo y la desconfianza que iba creciendo de la mano de la cultura popular pues el cómic, el cine y la cultura en general manifestaba y manifiesta el miedo por este mundo microscópico y de, parece, infinita energía.

Este temor aunado a tres accidentes famosos, han impedido que la implementación de la tecnología atómica se fuera generalizando. El primero fue en 1979 en Three miles island en Pensilvania donde el núcleo de uno de los reactores alcanzó a fundirse parcialmente, aunque se logró controlar sin mayores efectos, aunque el susto fue mayúsculo. El segundo si tuvo grandes afectaciones y ocurrió en la actual Ucrania en la localidad de Chernóbil, mientras se estaban realizando algunas pruebas en uno de los reactores que salieron mal y eso conlleva a que uno de los reactores estallara, inundando de radiación todo Europa del este y del norte, así como una parte de Norteamérica y donde a pesar de estar confinado en un sarcófago, en medio de una zona de exclusión de treinta kilómetros no deja de ser un riesgo. el tercero ocurrió en Fukushima, japón y fue ocasionado por un terremoto y el tsunami posterior a él que logró atravesar el muro de contención de la central lo que condujo al apagado de las máquinas de refrigeración, lo que a su vez comprometió tres unidades donde además se presentaron algunas explosiones no propiamente en el reactor. Esto significó la fuga de radiactividad al mar y a la atmósfera en una cantidad alarmante que incluso el dia de hoy no se detiene.

accidente en la central de Chernóbil

lo cierto es que a pesar de la gravedad de estos incidentes no se puede concluir que la energía atómica es especialmente insegura o contaminante, aunque es imposible negar que los residuos nucleares si son un problema difícil de asumir; pero más allá de eso se ha generado dentro del imaginario popular la idea del riesgo permanente por la generación nuclear, aunque cuando se hace el balance es muy conveniente. así se frenó muchísimo la expansión de esta valiosa fuente de energía lo cual a pesar de todos no ha frenado el desarrollo tecnológico de ella. Los generadores de cuarta generación y los de sales de torio no solo prometen una operación más fácil y segura, sino que además muchos de los residuos se podrán utilizar como combustible para esta nueva generación.  Aquí en este momento ya pisamos los tiempos modernos, pero no todo acaba en este punto pues ya miraremos que la historia de la energía en estos tiempos tiene mucha tela que cortar.