Los protones, electrones, neutrinos, fotones y gravitones son partículas elementales estables. Actualmente, los científicos no tienen ninguna duda de que casi todos los oligoelementos conocidos tienen sus propias antipartículas. Hasta la fecha también se ha demostrado la aniquilación de partículas.
Aniquilación - destrucción
La existencia de las antipartículas fue discutida por los físicos durante mucho tiempo hasta que en 1932 se descubrió la antipartícula del electrón, el positrón. Posteriormente se detectaron un antiprotón y un antineutrón en los aceleradores.
Después de este descubrimiento, ya no quedó ninguna duda de que un protón y un electrón podían desaparecer de la única manera: colisionando con un antiprotón o un positrón. En este caso, las partículas se aniquilan, por lo que ambas se convierten en fotones gamma. En latín "nihil" significa "nada", es decir, la aniquilación de partículas debería significar "aniquilación".
En realidad, no estamos hablando de destrucción, sino de transformación. Los microelementos con energía en reposo (protón, antiprotón, electrón, positrón) se transforman en aquellos sin masa en reposo. La cantidad total de energía permanece sin cambios. También se conservan cargas bariónicas fuertes (protones y neutrones) y leptónicas débiles (electrones y antipartículas) y otras características. 
Las antipartículas de los microobjetos elementales no se desintegran, mientras que la mayoría de los demás se desintegran espontáneamente al poco tiempo.
Materialización
La materialización es un proceso opuesto a la aniquilación de partículas. Ambos jugaron un papel importante en la etapa inicial de formación del Universo.
Usando un ejemplo simple, veamos qué es la materialización.
Si un fotón gamma con una energía de al menos 1 MeV vuela muy cerca del núcleo de un átomo, se convertirá en un electrón y un positrón. En este caso, la carga eléctrica se conserva, la carga del fotón es cero y la suma de las cargas de ambos microelementos emergentes también es cero. De manera similar, la carga leptónica se conserva durante la materialización. Si las partículas tienen alta velocidad, entonces su energía total es mayor que la del reposo y la energía de los fotones gamma resultantes también será mayor.
Ahora está claro por qué un antiprotón, positrón o antineutrón de origen terrestre o solar son partículas con una vida corta.
El Sol y la Tierra están hechos de materia, es decir, de protones, electrones y neutrones. Por lo tanto, en su primer encuentro con las partículas, las antipartículas se aniquilan inmediatamente.
La materia es un entorno hostil para las antipartículas, por lo que la antimateria y la materia no pueden existir una al lado de la otra en estrecha proximidad.
Hasta el momento no sabemos en qué parte del espacio exterior se encuentra. Un rayo de luz no puede revelarnos esto, ya que los fotones emitidos por la sustancia son exactamente iguales.
En otras palabras, materialización significa la transformación de energía en una partícula con masa en reposo.
La energía puede tomar la forma de un fotón que pasa cerca del núcleo de un átomo. También puede materializarse la energía cinética de un protón de radiación cósmica. Un protón que llega del espacio puede tener una energía cinética mil millones de veces mayor que su energía en reposo. Y es esta gigantesca medida material de movimiento la que da origen a un gran número de partículas en la atmósfera terrestre. Un protón de alta energía procedente del espacio profundo choca con un núcleo de nitrógeno u oxígeno en la atmósfera terrestre. Durante esta colisión, el núcleo se rompe y la colosal cantidad de movimiento del protón da lugar a muchos millones de partículas y antipartículas de diferentes tipos (bariones y antibariones, leptones y antileptones, mesones y fotones). En conjunto, estas partículas se conocen como lluvia de rayos cósmicos, que es un ejemplo de materialización a gran escala. 
En la superficie terrestre se producen diferentes tipos de materialización en los aceleradores de partículas. Por ejemplo, en una cámara de hidrógeno, un protón rápido choca con un núcleo de hidrógeno, es decir, un protón, y su energía cinética se convierte en un neutrón, un antiprotón y un mesón.
El 11 de noviembre es el Día Internacional del Ahorro Energético. Las fuentes de energía alternativas están diseñadas para hacer el consumo más económico y respetuoso con el medio ambiente. Lea sobre cómo proporcionar energía a un edificio residencial utilizando algas, cuáles son los principios de funcionamiento de las plantas de energía eólica y qué países son líderes en energías alternativas.
¿Hasta dónde puedes llegar con una lata de aluminio?
Las fuentes de energía alternativas ya se han convertido en algo común en el mundo moderno. Sin embargo, todavía hay espacio para descubrimientos sorprendentes por parte de los científicos en esta área. Cualquier cosa que sirva como fuente de energía. Algunas ideas hace unas décadas sólo se les podrían haber ocurrido a escritores de ciencia ficción, pero en el siglo XXI esto ya es una realidad.
Hace unos años, en Hamburgo, Alemania, se construyó una casa calentada enteramente por algas. En el andamio exterior del edificio están fijados 129 acuarios con plantas que pueden girar según la luz del sol. Así, las algas liberan calor cuando se exponen a la luz. Si la fachada del “biorreactor” genera demasiado calor (en un clima caluroso y soleado), la energía se almacena en reserva en un buffer especial. Cuando la cantidad de algas en el tanque alcanza su límite, el exceso se envía para procesarlo en biocombustible y proporciona suministro para todo el período invernal.
En verano, los paneles de algas verdes cumplen otra función: crean sombra en el interior de los apartamentos. La construcción de esta estructura futurista tardó unos tres años y en su construcción se gastaron unos 5 millones de euros.
¿Es posible no desperdiciar energía jugando al fútbol, sino, al contrario, producirla? Los desarrolladores de la pelota Soccket (de fútbol - fútbol y enchufe - conector) responden afirmativamente a esta pregunta. La pelota tecnológicamente avanzada está equipada con un dispositivo capaz de convertir la energía cinética de los impactos en electricidad. En sólo 15 minutos de juego, la batería integrada en el dispositivo de juego está completamente cargada. Esta potencia puede ser suficiente para cargar un teléfono móvil o una lámpara. La bola está equipada con un conector especial para transmitir electricidad a otra fuente.
Los promotores rusos también pueden presumir de sus descubrimientos en el campo de las energías alternativas. El equipo científico del Departamento de Metales no ferrosos y oro de NUST MISIS, bajo la dirección del profesor Alexander Gromov, invitado desde Alemania, ha desarrollado un método para producir combustible alternativo ecológico (hidrógeno) a partir de residuos de aluminio y metales no ferrosos. . Es decir, gracias a este desarrollo los coches podrán viajar sobre latas de aluminio. Reciclar una pequeña lata de refresco (0,33 litros) proporciona combustible para recorrer 20 metros.
“Propusimos un sistema que incluye análisis de la materia prima, métodos óptimos para triturar residuos de aluminio, desarrollo de mecanismos y modos de oxidación, así como almacenamiento y transporte del reactivo metálico sólido resultante. Encontramos los reactivos óptimos para la oxidación del aluminio. residuos, desarrolló el concepto de un aparato para producir hidrógeno: un generador análogo de carburo de acetileno", dijo Gromov.
Una de las ventajas de la tecnología es su seguridad contra incendios. El combustible enlatado también ayuda a resolver el problema del reciclaje de residuos de aluminio y llama la atención sobre el problema de la clasificación y recogida selectiva de residuos.
Pros y contras de las energías alternativas.
Muchos países de todo el mundo están introduciendo activamente el uso de fuentes alternativas en sus sistemas energéticos. China es uno de los líderes. Este país emite la mayor cantidad de CO2 a la atmósfera, lo que obligó a los dirigentes chinos a pensar en fuentes de energía alternativas respetuosas con el medio ambiente. Según el plan estatal, hasta 2020 se construirán enormes centrales eólicas en siete regiones del país. Además de la energía eólica, China planea utilizar activamente la energía solar.
La energía alternativa también se está desarrollando activamente en los Estados Unidos. En 2014, la capacidad total de las turbinas eólicas estadounidenses ascendía a 65.879 MW. El país es líder mundial en el desarrollo de la energía geotérmica, un campo que utiliza la diferencia de temperatura entre el núcleo de la Tierra y su corteza para producir energía.
Alemania es otro país líder en energías alternativas. El pasado mes de abril, el país batió una especie de récord: en el último fin de semana de abril, Alemania recibió el 85% de su energía de fuentes renovables, es decir, gracias a centrales solares, eólicas e hidroeléctricas.
Las energías alternativas pueden ser de gran ayuda para los países que no tienen reservas propias de hidrocarburos. Japón siguió este camino. Una ley aprobada por el Parlamento japonés en 2011 brinda apoyo a las energías alternativas, así como al desarrollo de la energía eólica, solar, hidráulica y geotérmica. La mayoría de los habitantes del país apoyan la transición a energías alternativas; después del accidente de Fukushima, muchos japoneses se oponen firmemente a la central nuclear.
Hoy en día, las energías alternativas se basan principalmente en el uso de la energía eólica y solar. Según las estadísticas publicadas por la Asociación Mundial de Energía Eólica (WWEA), la capacidad total de todos los aerogeneradores del mundo a finales de 2017 era de 539.291 MW. Las turbinas eólicas instaladas en todo el mundo a finales de 2017 podrían abastecer más del 5% de la demanda eléctrica mundial.
El principio de funcionamiento de las centrales eólicas es convertir la energía cinética del viento en energía eléctrica. Dichas estaciones constan de un motor eólico, un generador de corriente eléctrica, un dispositivo automático para controlar el funcionamiento del motor eólico y un generador. La propia producción de centrales eólicas es bastante barata. Las desventajas incluyen la baja potencia y el hecho de que su funcionamiento depende del clima. Una especie de dependencia del clima. Además, estas estaciones producen mucho ruido y suelen estar apagadas por la noche. Las centrales eólicas también interfieren con el tráfico aéreo e incluso con las ondas de radio.
La energía solar también tiene una serie de ventajas y desventajas. Los expertos incluyen el respeto al medio ambiente, la disponibilidad en casi cualquier parte del mundo y la renovabilidad de este recurso como ventajas del uso del sol. Las desventajas incluyen el mantenimiento complejo de las estaciones y el elevado coste de los equipos.
Cómo discutieron German Oskarovich y Anatoly Borisovich
En Rusia no existe consenso sobre el uso de energías alternativas. Prueba de ello es la disputa que tuvo lugar en el Foro Gaidar entre el director de Sberbank, German Gref, y el director de la empresa Rusnano, Anatoly Chubais.
German Gref expresó la opinión de que en los próximos años es poco probable que las energías alternativas tengan posibilidades de desarrollo a gran escala.
“No veo por qué tenemos el sol (energía solar - ed.) dado el bajo precio actual de los recursos, simplemente no veo una sola posibilidad en los próximos 10 años de que tengamos algún tipo de sol o viento. ", señaló el director de Sberbank.
"Tenemos un cierto consenso en el Ministerio de Energía en esta parte, para extender y continuar el apoyo a las energías renovables más allá de 2024, ahora estamos discutiendo el volumen y el tamaño de este tipo de apoyo", dijo Texler, hablando en el cuarto congreso internacional. Reencon “Energías Renovables - Siglo XXI: eficiencia energética y económica”.
Actualmente, Rusia tiene un programa para apoyar la energía “verde”, que incluye la construcción de centrales eléctricas que se seleccionan de forma competitiva, pero este programa finalizará en 2024. La industria está discutiendo qué sucederá a continuación.
Anteriormente, el Ministro de Energía, Alexander Novak, dijo que como parte del programa a gran escala que se está desarrollando para la modernización de las centrales eléctricas rusas por un valor de 3,5 billones de rublos hasta 2035, se podrían asignar 405 mil millones de rublos a un nuevo programa para apoyar la energía "verde" después de 2024. . Novak también explicó que aún no está claro si el apoyo se mantendrá en su forma actual o si habrá otras medidas.
Sea como fuere, es obvio que las fuentes de energía alternativas en Rusia y otros países aumentarán su capacidad cada año. Al mismo tiempo, es poco probable que los hidrocarburos dejen de ser la principal fuente de energía en un futuro próximo.
El material fue elaborado a partir de información de RIA Novosti y fuentes abiertas.
¿De qué están hechos los cuerpos vivos y qué tiene que ver el carbono con ellos? ¿Qué es el código genético, quiénes son los virus, cómo funciona el árbol evolutivo y por qué ocurrió la explosión del Cámbrico? De los átomos a los árboles: una introducción a las ciencias biológicas modernas responde a estas y muchas otras preguntas. El "centro" de la historia es la evolución de la vida en la Tierra: el autor cree que sólo desde este ángulo una variedad de problemas biológicos pueden adquirir un significado único. El libro fue finalista del premio "Enlightener" en el campo de la literatura de divulgación científica. Con el permiso de la editorial, Alpina Non-Fiction publica un fragmento de la investigación.
¿De qué están hechos los organismos vivos?
La respuesta es muy sencilla: los organismos vivos, al igual que los cuerpos no vivos, están compuestos de átomos.
La importancia de esta afirmación, como suele decirse, es difícil de sobreestimar. El premio Nobel Richard Feynman dijo al comienzo de sus famosas “Conferencias Feynman sobre Física”: “Si, como resultado de alguna catástrofe mundial, todo el conocimiento científico acumulado fuera destruido y sólo una frase se transmitiera a las generaciones futuras de seres vivos, entonces, ¿qué ¿Una declaración compuesta por la menor cantidad de palabras proporcionaría la mayor cantidad de información? Creo que esta es una hipótesis atómica (no se puede llamar hipótesis, sino un hecho, pero esto no cambia nada): todos los cuerpos están formados por átomos: cuerpos pequeños que están en movimiento continuo, se atraen a corta distancia, pero repeler si uno de ellos los presiona con más fuerza contra el otro”.
Lo que dijo Feynman es, por supuesto, cierto. Sin embargo, cualquier declaración científica debe tener ciertos límites de aplicabilidad. Busquémoslos aquí también. La hipótesis atómica es un gran logro del pensamiento humano, pero ¿está el Universo compuesto enteramente de átomos? ¿Y todos los organismos vivos se componen únicamente de ellos?
La respuesta a la primera de estas preguntas, aunque parezca extraño, será claramente negativa. Para empezar, nuestro Universo comenzó con el Big Bang hace aproximadamente 13.800 millones de años, y su composición ha cambiado mucho desde entonces. Hasta donde sabemos, durante los primeros 300.000 años no hubo un solo átomo en el Universo (aunque sí varios otros tipos de partículas). Pero incluso después de que surgieron los átomos, no se convirtieron en el componente principal del cosmos. Según el observatorio espacial Planck, el Universo actual se compone de un 4,9 por ciento de partículas elementales ordinarias que pueden formar átomos, un 26,8 por ciento de materia oscura (que no presenta ninguna propiedad observable aparte de la masa) y un 68,3 por ciento de energía oscura (sobre la cual generalmente no está claro si está relacionado con algún cuerpo material). En términos generales, el Universo se compone de no más del 5 por ciento de átomos ordinarios.
Destacamos que estos ratios reflejan la situación actual. Hace varios miles de millones de años probablemente eran diferentes, porque el Universo está en constante evolución; Esto lo confirman tanto cálculos basados en la teoría general de la relatividad como observaciones directas de la radiación cósmica relicta. Así, los datos de la investigación muestran que ahora partes del Universo, construidas a partir de materia ordinaria, son, de hecho, solo islas entre océanos de materia y energía oscuras, cuyas profundidades la gente aún no ha podido mirar. (Por cierto, este es exactamente el tipo de investigación con el que sueña el Dr. House en el primer episodio de la octava temporada de la famosa serie).
Pero a nuestra segunda pregunta: ¿todos los sistemas vivos están hechos de átomos? - la respuesta será un "sí" seguro. En este sentido, el mundo biológico es mucho menos diverso que el mundo físico. Cualquier ser vivo está construido a partir de átomos, y sólo a partir de átomos, en total conformidad con la hipótesis atómica clásica. Hasta ahora, sólo se pueden encontrar ejemplos de otras formas de vida no atómicas en la ciencia ficción. Por ejemplo, en la gran novela Solaris de Stanislaw Lem se mencionan seres vivos creados no a partir de átomos, sino a partir de partículas elementales muy ligeras: los neutrinos. Pero esto no es más que un experimento mental ideado por el escritor. En biología real, sólo tenemos que lidiar con átomos y sus combinaciones estables, que se llaman moléculas. Y las moléculas, a su vez, forman sustancias. Como escribió el mismo Feynman, cualquier sustancia tiene su propio tipo de disposición de átomos.
El mundo de los átomos es bastante diverso. En el momento de escribir estas líneas, los científicos conocen 118 tipos de átomos, que comúnmente se denominan elementos químicos. Es cierto que no todos se encuentran en cuerpos vivos y los que se encuentran allí se distribuyen de manera muy desigual.
La buena noticia es que los átomos suelen ser muy duraderos. En aquellos procesos que la biología estudia directamente, casi nunca se desintegran, no surgen de nuevo y no se transforman unos en otros. Esto no significa que nunca se transformen entre sí: muy pronto veremos que si no hubiera transformaciones mutuas de los átomos (más precisamente, sus núcleos), la vida no podría haber surgido en el Universo. Sin embargo, para comprender cómo están estructurados los cuerpos vivos, bastará con tener en cuenta la interacción de átomos prefabricados e inmutables entre sí.
Brevemente sobre los átomos.
Entonces, átomos.
Se sabe desde hace bastante tiempo que están formadas por tres tipos de partículas elementales: protones, neutrones y electrones. Los protones y los neutrones son partículas relativamente masivas, cada una aproximadamente 1800 veces más pesada que un electrón. El núcleo atómico está formado por protones y neutrones, y la capa exterior del átomo está formada por electrones, que suele denominarse directamente capa de electrones. Los electrones que forman la capa se mueven alrededor del núcleo a lo largo de trayectorias extremadamente complejas, pero, por regla general, no se alejan demasiado de él.
La propiedad más importante de las partículas elementales para nosotros no es ni siquiera la masa, sino la carga eléctrica. Aquí entran en juego leyes absolutamente claras y muy simples.
Un protón tiene carga eléctrica positiva, un electrón tiene carga negativa y un neutrón no tiene carga.
La carga negativa de un electrón es estrictamente igual en magnitud a la carga positiva de un protón. Generalmente se acepta que un protón tiene una carga de +1 y un electrón –1.
El número de electrones en un átomo es por defecto igual al número de protones, por lo que la carga de todo el átomo es cero. Si el número de electrones difiere del número de protones, significa que tenemos ante nosotros no solo un átomo, sino una partícula cargada: un ion.
Los físicos allá por el siglo XVIII descubrieron que hay dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. También descubrieron que las cargas diferentes se atraen y las cargas similares se repelen. Esta ley se llama ley fundamental de la electrostática, o ley de Coulomb (de hecho, está escrita como una fórmula que permite determinar con precisión la fuerza de atracción o repulsión, pero aquí prescindiremos de las matemáticas). La ley de Coulomb se aplica en cualquier lugar, incluso dentro de un átomo. Estrictamente hablando, los electrones y los protones forman un solo átomo porque se atraen electrostáticamente entre sí. Como referencia, agregamos que los protones y neutrones están "pegados" al núcleo atómico mediante una atracción de un tipo completamente diferente: la llamada interacción nuclear fuerte, que a distancias cortas es mucho más poderosa que la electrostática. Esta es la razón por la que los protones del núcleo se mantienen unidos a pesar de que la fuerza de Coulomb los repele entre sí.
Foto: Peter Macdiarmid/Getty Images
El parámetro más importante de cualquier átomo es el número de protones o número atómico (Z). El valor Z determina de forma única la posición de un átomo determinado en el sistema periódico de elementos, es decir, en la tabla periódica. Como ya sabemos, el número de electrones suele ser igual al número de protones. Pero en cuanto al número de neutrones, puede ser diferente para el mismo número de protones. Los átomos que tienen el mismo número atómico pero diferente número de neutrones se llaman isótopos. Si no se menciona la palabra "isótopos", significa que el número de neutrones en este caso no es importante para nosotros. Todos los átomos que tienen el mismo número de protones pertenecen al mismo elemento químico por definición.
El más simple de todos los átomos posibles es el hidrógeno (Z=1). Está formado por un protón y un electrón. Es posible que no contenga ningún neutron (aunque puede que los haya, dependiendo del isótopo que sea). Si se priva al átomo de hidrógeno más simple de su único electrón, quedará un ion cargado positivamente, que en este caso no es más que un protón "desnudo".
A principios del siglo XIX, el químico y médico inglés William Prout planteó una hipótesis adelantada a su tiempo: que los átomos de todos los demás elementos químicos se forman como resultado de la combinación de uno u otro número de átomos de hidrógeno. . Y no estaba tan lejos de la verdad. En realidad, todos los átomos están formados por el mismo tipo de partículas, el conjunto más simple posible de las cuales no es más que un átomo de hidrógeno (Z=1). El segundo átomo más complejo es el helio (Z=2), el tercero es el litio (Z=3), y entonces tenemos a nuestra disposición toda la tabla periódica. Los átomos más pesados contienen más de cien protones y unos doscientos neutrones. Pero en biología no encontraremos monstruos así.
Enlaces químicos
La forma más importante para que interactuemos entre átomos se llama enlace covalente. Este es un enlace formado por un par de electrones compartidos, uno de cada uno de dos átomos. Podemos suponer que los electrones de este par pertenecen a ambos átomos a la vez. En fórmulas gráficas que muestran visualmente la estructura de las moléculas, un enlace covalente se indica mediante una línea simple entre los símbolos de los elementos químicos. Son precisamente estos enlaces los que conectan los átomos en la mayoría de las moléculas ordinarias. Un ejemplo es una molécula de hidrógeno. Consta de dos átomos de hidrógeno (H) que forman un enlace covalente único entre sí: H – H, o H2 para abreviar.
A veces, los enlaces covalentes son dobles, formados por dos pares de electrones a la vez, o incluso triples, formados por tres pares a la vez. Cuanto mayor sea la multiplicidad de un vínculo, más fuerte será el vínculo, en igualdad de condiciones. Los enlaces covalentes dobles son muy comunes en biología. Los triples son mucho más raros, pero aún así no está de más saber sobre su existencia. En las fórmulas gráficas, los enlaces dobles y triples se indican, respectivamente, mediante guiones dobles o triples entre los símbolos atómicos. Por ejemplo, es muy posible que se forme un doble enlace entre átomos de oxígeno (O). El resultado es una molécula de O=O, u O2 para abreviar. Por cierto, este es el mismo oxígeno atmosférico que respiramos.
Mucho menos común que un enlace covalente (al menos en la materia viva) es un enlace iónico, que es una atracción electrostática de partículas cargadas. Ya sabemos que según la ley de Coulomb, las cargas eléctricas iguales se repelen y las diferentes se atraen. Por lo tanto, una partícula cargada positivamente (catión) y una cargada negativamente (anión) definitivamente se atraerán entre sí. Ya se ha mencionado que un ion es cualquier partícula que existe independientemente en la que el número de electrones difiere del número de protones. El término en sí, acuñado por Michael Faraday, proviene de una palabra griega que significa "ir": en una solución a través de la cual pasa una corriente eléctrica, los iones cargados positivamente se mueven hacia el polo negativo y los iones negativos se mueven hacia el polo positivo. Un átomo se convierte en ion si ha adquirido un electrón extra o, por el contrario, ha perdido algunos de sus electrones en alguna parte.
Un excelente ejemplo de enlace iónico lo demuestra la conocida sal de mesa NaCl (cloro de sodio), cuya fórmula se puede reescribir como. Esto significa que el cristal de sal está formado por iones de sodio cargados positivamente e iones de cloro cargados negativamente en una proporción de uno a uno. En este caso, cada átomo de cloro parece tomar un electrón del átomo de sodio vecino.
Elementos de la vida
La composición química de la materia viva es bastante uniforme. Para comprender, en una primera aproximación, la estructura de una célula viva, basta con conocer cinco elementos químicos. Estos son hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), carbono (C) y fósforo (P). Por ahora no prestaremos atención a los números atómicos de estos elementos: en primer lugar, no hay nada más fácil que encontrarlos en la tabla periódica y, en segundo lugar, otro indicador es mucho más importante para nosotros ahora. Lo más importante que debemos saber sobre cualquier elemento químico es su valencia, es decir, el número de enlaces covalentes que su átomo puede formar.
Entonces, la valencia del hidrógeno es 1, el oxígeno - 2, el nitrógeno - 3, el carbono - 4 y el fósforo - 5. Solo necesitas recordar estos números. A veces, algunos de los elementos enumerados tienen otras valencias, pero al estudiar biología, esto se puede ignorar en todos los casos, excepto en algunos casos especialmente especificados. El hidrógeno monovalente, el oxígeno divalente, el nitrógeno trivalente, el carbono tetravalente y el fósforo pentavalente son los principales componentes químicos de la vida (ver Fig. 1.2). A veces mientras hablamos nos toparemos con otros átomos, como azufre (S), sodio (Na), cloro (Cl), potasio (K) o hierro (Fe). Pero no es necesario que los recuerdes constantemente. Para empezar, los cinco principales elementos químicos biogénicos (es decir, formadores de vida) son suficientes.
Supernovas y vida
No hay duda de que la mayoría de los átomos de nuestro Universo son átomos de hidrógeno y helio. Los astrofísicos afirman que hace 13 mil millones de años, es decir, “sólo” unos cientos de millones de años después del Big Bang, las proporciones eran las siguientes: aproximadamente el 75 por ciento de todos los átomos del Universo eran átomos de hidrógeno, aproximadamente el 25 por ciento eran átomos de helio, y los átomos de todos los elementos más pesados combinados representaron el 0,00007 por ciento. Por supuesto, el universo ha cambiado desde entonces. Pero incluso ahora todos los elementos, excepto el hidrógeno y el helio, no suman más del 2 por ciento de los átomos existentes. Mientras tanto, es evidente que no se pueden formar moléculas complejas a partir del hidrógeno, cuya valencia es igual a uno, y del helio, que generalmente es reacio a formar enlaces químicos.
Comparando el número de diferentes tipos de átomos en el Universo moderno, veremos inmediatamente que los elementos más comunes después del hidrógeno y el helio son el oxígeno (Z=8), el carbono (Z=6) y el nitrógeno (Z=7). Esto se puede mostrar claramente en un gráfico que representa la abundancia relativa de elementos químicos en nuestra Vía Láctea (ver Figura 1.3). A lo largo del eje horizontal se puede trazar el número atómico (Z), y a lo largo del eje vertical, la abundancia de elementos, preferiblemente en una escala logarítmica (en pocas palabras, esto significa que cada "paso" en el eje vertical corresponde a una diferencia no por uno, sino por un factor de 10). En un gráfico así, lo primero que llama la atención es un hecho que ya sabemos: hay muchas veces más hidrógeno y helio en la Galaxia que todos los demás elementos químicos juntos. Estos dos elementos están fuera de competencia. En la región del litio (Z=3), berilio (Z=4) y boro (Z=5) hay un claro fracaso, porque los núcleos de estos átomos son relativamente inestables: en el sistema de reacciones nucleares que ocurren en las estrellas, se sintetizan fácilmente, pero también se desmoronan fácilmente. El núcleo de hierro (Z=26), por el contrario, es extremadamente estable. Muchas reacciones nucleares que ocurren en las profundidades de las estrellas terminan allí, por lo que el hierro presenta un pico alto en el gráfico. Pero los elementos más comunes en la Vía Láctea después del hidrógeno y el helio son sin duda el oxígeno, el carbono y el nitrógeno, precisamente aquellos que se han convertido en los “elementos básicos” químicos de la vida. Esto no es un accidente.
Foto: Peter Macdiarmid/Getty Images
Además, no se puede dejar de notar que el gráfico de la abundancia de elementos químicos en la Galaxia está claramente "irregular". Los elementos con números atómicos pares son, en promedio, mucho más comunes en el Universo que los elementos de “aproximadamente el mismo valor” con los impares. Hace cien años, dos químicos, el italiano Giuseppe Oddo y el estadounidense William Harkins, llamaron la atención sobre esto de forma independiente. Sus artículos fueron publicados en 1914 y 1917, respectivamente. Y la regla según la cual los elementos con números pares, en igualdad de condiciones, prevalecen sobre los elementos con números impares, todavía se llama en su honor regla de Oddo-Harkins. Esta regla debe tenerse en cuenta, por ejemplo, a la hora de analizar la composición química de la corteza terrestre.
La solución a la regla de Oddo-Harkins ya fue propuesta por sus descubridores. El hecho es que los núcleos atómicos de elementos pesados se forman principalmente debido a la fusión de núcleos más ligeros. Mientras tanto, está claro que la fusión de dos núcleos atómicos idénticos dará en cualquier caso el núcleo de un elemento con un número par de protones, es decir, con un número atómico par. Y luego los núcleos resultantes se fusionan entre sí, dando nuevamente en primer lugar elementos con números pares. Por ejemplo, la “quema” de helio (Z=2), en la que sus núcleos se combinan entre sí con una gran producción de energía, produce primero núcleos inestables de berilio de vida corta (Z=4), luego núcleos de carbono (Z=6). ), y luego oxígeno (Z=8).
Antes de que comenzara la formación de estrellas, el universo sólo contenía hidrógeno, helio y trazas de litio. Hasta donde sabemos ahora, todos los elementos más pesados que el litio se sintetizan únicamente en las estrellas y se distribuyen como resultado de explosiones de supernovas. Esto significa que los organismos vivos simplemente no tenían nada de qué formarse hasta que terminó el ciclo de vida de al menos la primera generación de estrellas y estas estrellas explotaron.
Los autores del artículo más famoso, que describía el mecanismo de síntesis de elementos químicos en las estrellas, fueron cuatro científicos: Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler y Fred Hoyle. A menudo se hace referencia a este artículo por las iniciales de los autores B2FH (“ba-square-ef-ash”). El iniciador del estudio fue el astrofísico Hoyle: fue él quien supuso por primera vez que no sólo el helio, sino también el carbono se podían sintetizar en las estrellas. Gracias a Hoyle, primero el físico nuclear profesional Fowler (al principio se mostró escéptico, pero Hoyle lo convenció), y luego los astrónomos de Burbidge, se involucraron en el trabajo. Es fácil encontrar en Internet una foto maravillosa en la que los cuatro celebran el 60 cumpleaños del mayor de ellos, Fowler, y este último se regocija con el modelo funcional de una locomotora de vapor que le regalaron sus compañeros.
El artículo de B2FH refutó una hipótesis anterior, según la cual los núcleos de todos los elementos se sintetizaron directamente durante el Big Bang y desde entonces sus concentraciones se han mantenido aproximadamente constantes. De hecho, es mucho más probable que en los primeros miles de millones de años después del Big Bang, el Universo fuera puramente hidrógeno-helio. Y solo entonces comenzó a enriquecerse con elementos pesados con la ayuda de supernovas ("elementos pesados", ahora llamamos a todo lo que es más pesado que el helio o, en casos extremos, el litio).
