Esta respuesta va a ser algo larga, pero intentaré ser clara y concisa. Así que por favor tengan paciencia conmigo.
Para empezar, imaginemos lo que sucede en una estrella:
- ¿Se produciría una reacción nuclear si el material fisionable se encuentra exactamente a la masa crítica, pero menos un solo átomo? Dos atomos?
- ¿Cuál debería ser el número atómico (Z) del núcleo más estable que tiene el número de masa A?
- ¿Hay un número infinito de superposiciones para un electrón en un átomo de hidrógeno?
- ¿Cómo se mueven los átomos y qué los hace móviles (electrones)?
- ¿Por qué los electrones en el estado fundamental de un átomo son estables? Debido a que tiene la energía más baja, ¿qué significa y por qué no baja aún más?
4 hidrógenos están sujetos a tanta presión que sus núcleos se ‘fusionan’ para formar helio. Esto continúa en las estrellas durante millones o miles de millones de años.
Pero las estrellas tienen combustible limitado y en el universo no hay estaciones de combustible que puedan visitar y recargar. Entonces, ¿qué sucede cuando una estrella está a punto de quedarse sin combustible?
Como una estrella tiene una gran masa (y, por consiguiente, una gran gravedad), el helio del producto “desechado” no escapa de la estrella. Entonces, a medida que el hidrógeno se agota, la estrella comienza a fusionar helio para formar elementos más pesados:
Progresa hasta cierto punto, es decir, como especificó en su pregunta, hasta que se forma el hierro. Se dice que producir hierro es la muerte de una estrella. ¿Pero por qué?
Retrocedamos y verifiquemos la masa de un elemento. ¿Cómo podemos calcularlo? ¡Sí, inventamos un método llamado “espectrometría de masas”! Al usarlo durante años, hemos medido (directa o indirectamente) masas individuales de partículas que forman un elemento, protón, neutrón y electrón. Fácil: multiplique el número de cada partícula por su unidad de masa y luego sume estos. ¿Pero coincide con la realidad?
Curiosamente, no lo hace! Cuando calculamos la masa de un elemento y luego medimos el mismo elemento (supongamos el mismo isótopo), la medición real es SIEMPRE menor que el cálculo (gran razón para amar las ciencias experimentales, ¿eh?)
La diferencia, calculada por la fórmula de Einstein para la relatividad general
[matemáticas] E = mc ^ 2 [/ matemáticas]
se llama “la energía de unión” (a veces llamada “masa desperdiciada”). Esto significa que parte de la masa de las partículas se usa como la energía requerida para mantener las partículas juntas.
Esto puede ser difícil de imaginar, así que considere esto: tome un solo palillo e intente romperlo. No es tan difícil ¿eh? Ahora toma 20 palillos y trata de romperlos. Mucho más difícil, ¿verdad?
Al igual que los palillos chinos, los elementos tienden a “fusionarse” para formar elementos capaces de mantener una masa más alta con menos masa desperdiciada (= más energía de unión). Esto cumple con la termodinámica, que dice que el universo tiene una tendencia a la energía mínima y la entropía máxima (trastorno). A escala atómica, obtienes más orden a medida que agregas más energía (que una estrella tiene mucha). Pero yo divago.
Te doy la “tabla de energía vinculante”!
El hierro (y en realidad también el níquel) tiene la energía de unión más alta (= masa desperdiciada más baja). ¡Eso significa que está apretado! Los nucleones están tan fuertemente unidos entre sí, no importa cuánta energía le arroje una estrella, otro helio no puede fusionarse con él.
Pero espera. Si el hierro ya no se puede fusionar, ¿cómo podemos tener elementos más pesados?
Fusion no es la única forma en que se forma un nuevo elemento. Otro método es la captura de neutrones. Un elemento puede capturar un neutrón para formar un isótopo de sí mismo. Por observación, sabemos que algunos de esos isótopos son inestables y pueden emitir un electrón desde el núcleo, convirtiéndolo en otro elemento. Pero también sabemos que algunos de esos isótopos son estables. Entonces, ¿es lógico esperar un número creciente de neutrones que sea mayor que el número de protones en los elementos más pesados?
Vamos a ver:
¡Si! Cuanto más pesado es el elemento, mayor es el número de neutrones / protones. Pero este número adicional de neutrones parece ser una maldición para el núcleo más que una bendición. Verá, siempre que la relación neutrón / protón sea aproximadamente 1, todo estará bien. Pero cuanto más se desvía un elemento de él, más inestable se vuelve (algunos dicen que todos esos neutrones adicionales interrumpen la ‘simetría esférica’ del núcleo) y tiende a acercarse lo más posible a la relación neutrón / protón de 1.
¿Recuerdas los palillos? Ahora imagine que de alguna manera cada palillo que agregue al grupo también aumenta su longitud. Independientemente de la cantidad de palillos, después de cierta longitud crítica, el grupo se doblará y finalmente se romperá por su propio peso.
Espero que esto ayude 🙂
Editar:
Logré encontrar un gran artículo sobre la asimetría del núcleo:
Los átomos exóticos tienen pistas sobre el rompecabezas de la física sin resolver en los albores del universo
Descargo de responsabilidad: ninguna de las imágenes me pertenece, pero no recuerdo los sitios donde las encontré. Disculpas
