Cuando los átomos mueren, ¿producen un destello de energía?

“Morir” no es realmente una buena palabra para lo que hacen los átomos. Algunos elementos sufren fisión. Cuando lo hacen, un montón de ellos puede liberar un destello de energía, como este:

Los átomos que hacen esto son bastante pesados. El uranio, con 92 protones, funciona bastante bien, aunque solo uno de los isótopos puede participar en una reacción en cadena tan grande. Otros isótopos funcionan para reacciones en cadena más modestas, como esta:

El brillo azul es la radiación de Cherenkov, que ocurre cuando una partícula cargada va más rápido que la velocidad de fase de la luz en un medio, en este caso, el agua. Este es un reactor moderado por agua. Hay otros tipos de moderadores, como el carbono. Un moderador en un reactor reduce la velocidad de los neutrones para que puedan golpear otras piezas de combustible nuclear y causar más fisión. Si no los ralentizas, generalmente solo pasan.

Hay algunas cosas que puedes hacer con esta energía. Puede usarlo para hervir agua y usar el vapor para impulsar turbinas y generar electricidad. Probablemente hayas visto algunas fotos como esta:

Esas fotos son un poco injustas. No hay nada nuclear en ellos. Solo son torres de enfriamiento para máquinas de vapor, generalmente turbinas. Tienes que deshacerte del vapor de alguna manera, pero como puedes ver, los átomos sometidos a fisión pueden hervir mucha agua en vapor. entonces hay mucha energía. Realmente no son diferentes de esto:

excepto que no hay humo y son mucho más eficientes. Esa forma hiperbólica está diseñada para que cualquier viento absorba el vapor de manera óptima más rápido.

Existen sustancias radiactivas naturales como el radio, que fue el primer estudio de Marie y Pierre Curie. Solían usar estos para hacer diales de reloj que brillan en la oscuridad, así:

No te preocupes No han hecho esto en mucho tiempo. Las barras luminosas y la pintura que brillan en la oscuridad utilizan procesos químicos que involucran electrones excitados. Están a salvo. Dejaron de fabricar relojes con radio, no solo porque no es tan bueno si las radios salen de un vertedero, sino también porque las mujeres que pintaron discos de radio desarrollaron horribles deformidades en la mandíbula y cánceres porque se alisaron los cepillos en la boca.

Esa es otra cosa que puede hacer el destello de energía de la fisión. Hay radiación no ionizante, como la radiación ultravioleta que le da quemaduras solares y puede causar cáncer, o el tipo inofensivo que usa para ver cosas. La radiación ionizante puede hacer mucho más daño mucho más rápido, porque puede causar cambios químicos, mutaciones en el ADN. El gas radón, por ejemplo, proviene de materiales de piedra, y si se acumula en un sótano mal ventilado. La piel es bastante buena para evitar los efectos de la radiación alfa (núcleos de helio que se mueven rápidamente), pero los pulmones no lo son.

Otra cosa que puede hacer con toda esta radiación en un reactor de fisión es crear nuevos elementos. La radiación alfa y la radiación de neutrones pueden, en algunas circunstancias, adherirse a otro núcleo y formar un átomo más grande. Algunos de estos son bastante útiles. El plutonio también se usa en bombas. Bueno, tal vez eso no sea tan bueno, pero Americum y Californium se usan en detectores de humo, como este:
Algunos detectores de humo usan luz, que en sí misma es un tipo de radiación. Otros usan isótopos radiactivos que cuando los átomos “mueren” o se descomponen con la fusión, se envía radiación ionizante. Esto ioniza cualquier humo, y un detector lo detecta.

Lo que nos lleva a la otra forma en que los átomos pueden “morir”, lo que implica que los núcleos se combinen para formar un núcleo más grande. Esto puede resultar en un destello de energía bastante grande si tiene suficiente:

Probablemente has visto esto. Es el sol. El hidrógeno se fusiona en helio. Los átomos que hacen esto y liberan energía son bastante ligeros. Cualquier cosa hasta que el hierro libera energía cuando se somete a fisión. Ningún proceso de fusión natural puede producir algo más pesado que el hierro, que es el elemento más estable. (Lástima que se oxida.) Cualquier cosa más pesada que el hierro se hace en una supernova. Es entonces cuando una estrella se desgarra tan violentamente que toda la energía une los núcleos con tanta fuerza que sufren fisión, les guste o no.

Hay un hecho moderadamente sorprendente sobre el sol. El núcleo, que es la parte más caliente y energética, produce casi tanto calor como una pila de compost y menos que un ser humano. El sol es tan brillante porque es muy poco, y ha estado alrededor por un tiempo, por lo que hace calor. El espacio es un muy buen aislante.

Un átomo de hidrógeno, en promedio, dura más de mil millones de años antes de sufrir fusión con otro para producir helio (con un par de otros neutrones, a partir de reacciones entre electrones y protones). El helio también es producido por otras reacciones nucleares. Las enormes reservas de helio en los Estados Unidos fueron creadas por reacciones nucleares naturales hace mucho tiempo.

La mayoría de los átomos son estables. Su átomo básico de oxígeno, carbono o hidrógeno será exactamente el mismo dentro de cien mil millones de años a partir de ahora.

La identidad de un átomo se define por la cantidad de protones que tiene. El núcleo también tiene cierto número de neutrones. Algunas configuraciones de protones y neutrones (“isótopos”) son estables; otros no lo son.

Los inestables no “mueren” sino “decaen”. La descomposición es como tirar una pila de tazas apiladas: pasan de una configuración de alta energía a una configuración de baja energía. Una vez que han alcanzado la configuración de energía más baja, permanecen allí para siempre.

Entonces, hablemos de un famoso átomo radiactivo, el carbono 14. La mayoría de los átomos de carbono tienen 6 protones y 6 neutrones, y esa configuración es estable. Pero algunos átomos de carbono tienen 8 neutrones en su lugar. Esa configuración es algo estable, pero no muy estable: tiene una probabilidad de 50-50 de descomponerse cada 5.730 años.

Sorprendentemente, lo que sucede no es que elimine los neutrones adicionales. En cambio, uno de los neutrones se convierte en un protón. Es decir, una cosa con carga cero se convierte en algo con una carga de +1. Para equilibrar todo, eso significa que debe haber una carga de -1 yendo a algún lado, y eso es lo que sucede: un electrón es expulsado. Ese electrón se mueve muy rápido (aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz). Y dado que el átomo ahora tiene un protón más, se convierte en un átomo de nitrógeno en lugar de un átomo de carbono.

La energía total se conserva: la energía del carbono = la energía del nitrógeno más la energía del electrón *. Desde el punto de vista del átomo, ha perdido energía, por lo que podría decirse que ha emitido una explosión de energía en forma de ese electrón de alta energía. El átomo de nitrógeno ahora es estable y durará desde ahora hasta el final de los tiempos.

Lo mismo impulsa la radioactividad del uranio, pero vale la pena señalar que la mayoría del uranio es realmente muy estable. Un átomo del tipo de uranio que tiene 146 neutrones es tan estable que toma 4,5 mil millones de años antes de que tenga un 50% de posibilidades de descomposición. Eso es casi tan viejo como la tierra.

Con el tiempo, se convertirá en plomo, y eso durará para siempre. Al igual que la pila de tazas volcadas, no hay más “derribo” que pueda ir.

————————-
* Además de un neutrino, que no voy a entrar aquí.

Las estrellas (y nuestro sol) son procesos nucleares en curso que utilizan combustible. Cuando ese combustible se agota, la masa de la estrella ya no es empujada hacia afuera por la fuerza de la reacción y se contrae a una forma más pequeña y apretada.

¿Eso es “morir”?

Para estrellas grandes, esta bola contraída tiene suficiente presión para iniciar nuevos tipos de reacciones de fusión con los átomos sobrantes de la estrella. Esas reacciones son muy enérgicas y pueden destrozar una estrella; Una supernova.

La mayoría de las estrellas no son lo suficientemente grandes como para desencadenar esta reacción posterior.

Pero los átomos realmente no se pueden comparar con eso. Los átomos, en cambio, son un paquete de bolas que se unen en formaciones estables o inestables. Los inestables tienen una probabilidad aleatoria fija de dividirse en dos, creando así dos átomos nuevos (más pequeños). Este no es un proceso de uso de combustible para mantener un estado. Esto se parece más a un ladrillo envejecido y finalmente se rompe en dos.

Sí, a menudo hay algo de energía liberada por la fisión del átomo. Esto tiene la forma de un neutrón energético o dos, no una “nova” en miniatura del átomo.

Y tenga en cuenta que la mayoría de los átomos tienen uno o más isótopos estables. Formas que nunca se dividirán (o tendrán semividas siempre que sean efectivamente estables).

Cuando la expansión del universo sea lo suficientemente grande, comenzarán a morir. No con una explosión sino con un gemido. Las estrellas se desmoronarán y los átomos mismos se desmoronarán en partículas. Las partículas mismas se desmoronarán en partes cada vez más básicas hasta que la materia misma se disuelva en energía.

Eventualmente, todo el gas se elimina en estrellas, y la materia eventualmente se condensará en estrellas enanas frías y agujeros negros. El cielo nocturno se oscurecerá. Como los sistemas de muchos cuerpos son inherentemente inestables, eventualmente el sistema consistirá en grandes agujeros negros y estrellas enanas negras aisladas. Ambos se descompondrán. Las estrellas enanas negras se descompondrán por un proceso extremadamente lento de descomposición de protones, y los agujeros negros se evaporarán lentamente al mismo tiempo a electrones y positrones que colisionan y se descomponen en fotones y neutrinos.

Sin embargo, el bosón de Higg también es inestable, la masa es grande, de modo que a medida que continúa la expansión, el campo de Higgs vuelve a un estado de energía más bajo, básicamente el vacío en sí mismo es inestable y decaerá. La energía del vacío siembra un nuevo universo.

No, no, no, en absoluto, los átomos no mueren ni se destruyen, simplemente se transforman o se dividen, y nada puede ser destruido por completo y sobre el flash no es necesario que ocurra, depende del proceso.

Debe ser útil

🙂