Radioactividad

Nucleos atómicos con protones (en rojo) y neutrones (en azul)

El objetivo principal de la física es investigar y explicar las leyes básicas de la naturaleza, de la cual dependen todos los fenómenos físicos. Lo más normal seria que esto fuera una misión imposible, pero resulta que no, la naturaleza se comporta de forma más sencilla en la realidad que en nuestra imaginación. Todo lo que observamos en el universo se encuentra sometido a solamente cuatro fuerzas. Que en un principio es solamente una, o al menos esto pretende explicar la Teoría de Gran Unificación. Estas fuerzas son la fuerza Fuerte, Electromagnética, Débil y Gravitatoria. Para entender que es la radioactividad solamente nos interesan la fuerza Fuerte y la Electromagnética. En la tabla siguiente encontraran las cuatro fuerzas en orden de mayor a menor intensidad

Si se fijan en la fuerza fuerte, esta es 100 veces mayor que la electromagnética, de ahí su nombre, es la fuerza más fuerte que existe. Pero a diferencia de la electromagnética solamente puede actuar dentro de un radio de acción de 0,000000000000001 metros. A diferencia de la electromagnética que actúa siempre, eso si, su intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia.
Existe otra diferencia muy importante, la fuerza electromagnética puede ser atractiva o repulsiva. Entre cargas iguales es repulsiva y entre cargas diferentes es atractiva. En cambio la fuerza fuerte es siempre atractiva y así tiene que ser para mantener la estabilidad del núcleo atómico y consecuentemente de toda la materia. El núcleo atómico esta formado por protones, de carga positiva y neutrones, sin carga eléctrica. Los protones se encuentran sometidos a la repulsión de la fuerza electromagnética, para que esta fuerza de repulsión no destruya el núcleo atómico tiene que existir otra fuerza mucho más intensa que la electromagnética y que mantenga unido a los protones y neutrones del núcleo. Esta es la fuerza nuclear, que la denominamos fuerza nuclear fuerte. La característica de esta fuerza nuclear fuerte es que es atractiva y interacciona solamente dentro del núcleo, recordemos que su distancia de acción es muy pequeña. A distancias mucho menores que su alcance parece ser que es repulsiva, pero ahora nos desviariamos del tema de la radioactividad. Además esta interacción actúa entre protones y protones, neutrones y neutrones y entre protones y neutrones. Por supuesto, los neutrones al no tener carga eléctrica solamente notan la fuerza nuclear fuerte, en cambio los protones al tener carga positiva notan la fuerza de repulsión electromagnética y la fuerza de atracción nuclear fuerte. No pasa nada mientras la distancia entre los protones sea menor que 0,000000000000001 metros, la fuerza dominante es la atractiva y el núcleo se mantiene estable.
Los diferentes elementos se forman añadiendo protones en el núcleo atómico (ver la imagen inicial), pero a medida que el núcleo va creciendo aumenta su volumen y por supuesto su radio (imaginemos que es como una esfera). Al colocar más protones aumenta la fuerza de repulsión electromagnética, pero no pasa nada, la naturaleza es sabia y al ir creciendo el número de protones aumenta más el número de neutrones. Es decir, los neutrones actúan como pegamento, a más protones mucho más pegamento. Con todo esto, resulta que los núcleos grandes contienen más neutrones que protones. Pero al ir añadiendo protones y neutrones llega un momento que el diámetro nuclear es mayor que la distancia de acción de la fuerza nuclear fuerte. Esto es cuando el diámetro nuclear es mayor que los 0,000000000000001 metros. Para hacerse una idea de cómo están apiñados los protones y neutrones en el núcleo, la densidad nuclear es del orden de 10^15 veces mayor que la densidad del agua. Nos indica también que la materia está esencialmente vacía, los electrones se encuentran muy lejos del núcleo y casi no aportan masa ya que la mayor parte de la masa del átomo se encuentra concentradísima en el núcleo.

Cuando el tamaño nuclear supera los 60 protones y neutrones se vuelve inestable. Los protones mas alejados solamente notan la fuerza de repulsión electrostática, la fuerza nuclear fuerte no los alcanza, y salen despedidos del núcleo en direcciones opuestas. El núcleo se desintegra, aparece la radioactividad. Esto sucede a partir del núcleo de hierro, que tiene una masa nuclear de 56. Por decirlo muy a la brava, todos los átomos a partir del hierro son radioactivos.
En la siguiente imagen se observa el núcleo (color gris) los protones y neutrones dentro del radio de acción de la fuerza nuclear fuerte, pero hay dos protones que se encuentran más lejos y solamente interaccionan mediante la fuerza de repulsión. Estos protones saldrán expedidos del núcleo.

El equilibrio de los núcleos grandes es muy frágil y se puede romper añadiendo solamente un neutrón, esto provocará la desintegración del núcleo y la liberación de una gran cantidad de energía. Quien produce esta energía? La fuerza electromagnética. Fíjense que lo que denominamos energía nuclear no proviene de la fuerza nuclear, proviene del núcleo atómico pero producido por las fuerzas electromagnéticas.

CO2 en Venus, Tierra y Marte

¿Porque la Tierra es habitable? ¿Porque se ha mantenido habitable durante los últimos 4500 millones de años? La primera respuesta obvia es que la Tierra se encuentra a la distancia justa del Sol y este ha aumentado ligeramente su intensidad entre un 25% a un 30% permitiendo que el clima terrestre variase lentamente y manteniéndose dentro de los límites habitables.

Puesto que la cantidad de radiación recibida por un planeta varía inversamente con el cuadrado de la distancia al Sol, podemos establecer una comparación entre la radiación solar recibida por Venus y Marte respecto la Tierra. Escogemos como unidad de distancia a la que hay entre la Tierra y el Sol, esto es, consideramos que esta distancia tiene el valor 1, entonces la distancia de Venus al Sol es 0,72 y a Marte de 1,52. Calculamos la cantidad de radiación Solar recibida por Venus y Marte relativa a la Tierra.

Observamos que a grandes rasgos, Venus recibe el doble de radiación Solar que la Tierra y Marte menos de la mitad.
Cuando la radiación solar llega a un planeta, una parte se refleja (vuelve al espacio) y otra queda absorbida (se queda en el planeta). Las atmósferas de los planteas actúan de manera que absorben la radiación solar, o podríamos decir que evitan que esta radiación vuelva al espacio. Precisamente el CO2 es uno de los gases atmosféricos que actúan evitando que se escape la radiación solar, junto al vapor de agua y al metano. Es lo que se llama el efecto invernadero. Los niveles actuales de su concentración en la atmósfera, junto a otros factores, permiten que la superficie terrestre tenga unos valores promedios de temperatura de unos 15ºC. La pregunta es, ¿de donde procede el CO2? y ¿Qué diferencias hay entre Venus, la Tierra y Marte?. Empecemos por la Tierra.

La atmósfera primitiva de la Tierra se originó fundamentalmente por los gases de las erupciones volcánicas y al impacto de cometas, básicamente vapor de agua y dióxido de carbono. Esto sucedía hace 4000 millones de años, después de que un protoplaneta chocase con la Tierra en formación, a expensas de lo cual se formo la Luna y las condiciones de la Tierra cambiaron para siempre. Al enfriarse el planeta el vapor de agua se condenso formando los océanos, en cambio el dióxido de carbono permaneció en la atmósfera con una concentración muy superior a la actual. Se cree que el efecto invernadero que produjo compenso la falta de radiación Solar, al ser entonces el Sol mucho menos brillante que en la actualidad. Es aquí donde empiezan a actuar los mecanismos de equilibrio. Al aumentar la temperatura, la evaporación aumenta y hay más vapor de agua en la atmósfera. Consecuentemente también habrá más lluvias al condensarse el vapor de agua. El agua de lluvia al caer arrastra consigo a las moléculas de dióxido de carbono formando ácido carbónico que en el suelo se une al silicato cálcico para formar el carbonato cálcico y cuarzo. La consecuencia es una disminución del CO2 atmosférico y una disminución de la temperatura terrestre. Los ríos arrastran los carbonatos hacia los océanos, compuesto indispensable para formar las conchas de los seres vivos marinos. De vez en cuando el CO2 se devuelve a la atmósfera mediante las erupciones volcánicas. Esta es una manera de explicar sencillamente el ciclo del CO2 en la atmósfera terrestre. Además hay que tener en cuenta que las nubes reflejan el 26% de la radiación solar. También hay que tener en cuenta la vida en la Tierra, la fotosíntesis libera el CO2 de la atmósfera para fijarlo en el suelo terrestre. Hay que tener en cuenta a la vida en general como un termostato que participa en la regulación del clima terrestre junto a los factores físicos y químicos. Aquí intervendría la hipótesis de Gaia, lo dejo para otro post.

En Venus tenemos el siguiente panorama, la intensa actividad volcánica introduce dióxido de carbono en la atmósfera venusiana. Pero en Venus no existe agua líquida al encontrarse demasiada cerca del Sol, de manera que el proceso de eliminar el CO2 de la atmósfera no se produjo en Venus. Al aumentar la temperatura de Venus la concentración permisible de CO2 aumenta también. De esta manera en la atmósfera venusiana se produjo una gran concentración de dióxido de carbono que dura hasta nuestros días. Manteniendo la temperatura de Venus en unos 460ºC. Como curiosidad la alta atmósfera venusiana esta cubierta por una fina capa de nubes de ácido sulfúrico que refleja el 80% de la radiación solar, pero la atmósfera de Venus es 90 veces más densa que la terrestre y llueve ácido sulfúrico.

Marte es parecido a la Tierra pero su masa es mucho menor, de manera que la actividad volcánica en Marte tuvo que ser menor que en la Tierra. Recordemos que la radiación Solar en Marte es menos de la mitad que en la Tierra. Aunque al principio podía existir agua y dióxido de carbono en abundancia en la atmósfera marciana, al cesar el aporte de CO2 por falta de actividad volcánica la presión y temperaturas disminuyeron hasta que el agua líquida no pudo permanecer en la superficie marciana en forma líquida. El agua se tuvo que depositar en capas profundas bajo la superficie y en forma de hielo. Las temperaturas en Marte oscilan entre 20ºC y -140ºC.

A continuación pongo una tabla con la concentración en tanto por ciento de los gases mayoritarios en las atmosferas de Venus, Tierra y Marte actualmente.

Hielo en Marte?

Imagen:NASA/JPL/University of Arizona

Leo en los medios de comunicación “Una sonda de la NASA detecta avalanchas de polvo y hielo en el polo norte de Marte”. Pues bien, quedándose solamente con el titulo puede parecer que en Marte hay un montón de agua helada en la superficie del polo norte marciano. Lo cual es falso. La avalancha no es de agua helada sino de dióxido de carbono helado. En todas las fotos del planeta Marte acostumbra a aparecer dos manchas blancas en el polo norte y en el polo sur, son de dióxido de carbono helado. A diferencia con la Tierra que son de agua helada. El hielo que aparece en la foto es CO2 en estado sólido. La foto la ha hecho La sonda Mars Reconnaissance Orbiter y la nube que se forma tiene unos 180 metros de ancho y se extiende unos 190 metros.
Se desconoce la causa de la avalancha pero hay varias hipótesis, un terremoto marciano, un impacto de un meteorito, la vibración producida por un pequeño desprendimiento,…

Pueden encontrar toda la información y más imágenes en el siguiente link

http://hirise.lpl.arizona.edu/PSP_007338_2640

Esto no quiere decir que en Marte no exista agua, hay y parece ser que mucha, pero debajo la superficie y en forma de hielo, esta vez si de agua. De hecho, existe suficiente cantidad como para cubrir el planeta por completo hasta una profundidad de unos 12 centímetros, según estudios de la sonda Mars Odyssey.

En la siguiente imagen se puede ver un cráter con una mancha blanca, es hielo de agua. Un impacto de un meteorito puede haber vaporizado el agua que se encontraba debajo del subsuelo y se ha vuelto a helar en la superficie. La imagen es del 28 de julio del 2005 y realizada por la sonda MarsExpress.

Volveremos a Marte otro dia, para hablar de la posible existencia de vida microbiana en el pasado marciano y para saber que paso con el agua de la superfície marciana.