LA NATURALEZA Y SU EVOLUCIÓN QUÍMICA LA TIERRA, planeta que habitamos, no es más que un gran conjunto de mezclas de sustancias químicas. La materia en ella existía, como lo han demostrado los geólogos, desde hace 4.500 millones de años.Pero, ¿cómo y cuándo se formó la Tierra?, ¿y nuestro Sol?, ¿y la Vía Láctea con sus 200 000 millones de estrellas?, ¿y las otras galaxias?Además, ¿de dónde provino toda la materia que forma el Universo?, ¿cómo y cuándo se formaron los elementos químicos y sus átomos?, ¿y la vida?, ¿somos los únicos?Todas estas preguntas inquietan al hombre. Su raciocinio le induce a reflexionar acerca de su origen y el de todas las cosas.EVIDENCIA DEL ORIGEN COMÚN DE LOS ELEMENTOSActualmente, la ciencia ha permitido al género humano encontrar respuesta a algunas de esas interrogantes. Tal vez no todas sean totalmente correctas, pero las evidencias actuales indican que parecen ser acertadas aunque podrían ser modificadas en el futuro, a la luz de nuevas concepciones y de nueva información.Desde luego, no podemos viajar al pasado para buscar el origen de la materia. No obstante, en el Universo actual hay indicios que nos permiten plantear hipótesis relativas a lo que sucedió muchos años atrás.Además de conocer la superficie terrestre, hemos podido analizar meteoritos y tenemos ya muestras lunares y marcianas. Por otra parte, el análisis de la luz de las estrellas nos ha revelado su composición química.Los átomos de cada elemento químico y las moléculas que dichos átomos forman se manifiestan de manera distinta, y por ello hemos podido reconocerlos a distancias enormes, gracias a la astrofísica y a la cosmoquímica. Por otra parte, en el núcleo atómico se encuentra otra característica de cada elemento: su número de protones.Recordemos que el núcleo está formado esencialmente por neutrones y protones, estos últimos con una carga eléctrica positiva. Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones en el núcleo, aunque el de neutrones puede variar. Por ello acostumbramos definir al núclido de la siguiente forma: es un átomo con un número característico de protones y de neutrones.Para referirse a un núclido determinado, se acostumbra emplear el símbolo químico del elemento correspondiente y colocar a su izquierda dos cantidades: arriba su número de masa A (A = número de masa o número de protones + neutrones), y debajo su número atómico Z (Z = número atómico o número de protones en el núcleo). Así el número de neutrones N es la diferencia N = A - Z. Un hecho sorprendente es que la abundancia de los elementos químicos, e incluso de sus isótopos, sea similar en todos los objetos conocidos del Universo, una vez que se toman en cuenta ciertos procesos secundarios. Por ejemplo, es obvio que los meteoritos que han caído en la Tierra han perdido muchos elementos ligeros, pero aquellos que se conservan existen en las mismas proporciones que en el Sol. Asimismo, en la corteza terrestre, o en la lunar, los elementos también reproducen la abundancia solar.
ABUNDANCIA DE LOS ISÓTOPOSComo hemos visto, los átomos de un elemento no son todos iguales. Hay átomos de hidrógeno, por ejemplo, con 1, 2 o 3 partículas en su núcleo. Desde luego, en todos ellos hay sólo un protón, y eso es lo que caracteriza al hidrógeno. Los diferentes isótopos de los átomos no son igualmente estables ni ocurren en la naturaleza con la misma posibilidad. Por ejemplo, de cada 100.000 átomos de hidrógeno, 99.985 son de H1. Los de tritio son inestables y, por tanto, casi no se encuentran libres en la naturaleza. Por ejemplo, el boro tiene dos isótopos muy estables, pero no ocurren con la misma abundancia. ¿Por qué aparecen con esta abundancia? y ¿por qué sucede lo mismo en la Tierra, en el Sol o en cualquier otro lugar del Universo?, ¿por qué se repite este hecho para otros muchos elementos? Por si fuera poco, en las estrellas (ya sea de nuestra galaxia, o de otras), así como en el medio interestelar, se ha detectado la presencia dominante del hidrógeno y helio. Los otros elementos se han encontrado en menores proporciones. Estos hechos sugieren que la formación de los elementos químicos tiene que haber sido común para todo el Universo. Es decir, existió un origen común de toda la materia. LA GRAN EXPLOSIÓN Todo hace pensar a los cientificos que hace unos 15.000 millones de años, la materia, que se encontraba concentrada con altísima densidad y temperatura, explotó violentamente. La explosión provocó su expansión y enfriamiento graduales. Hace más de 60 años, en 1923, el astrónomo Hubble demostró que las galaxias se alejan unas de otras como los puntos trazados sobre un globo que se infla.universo en expansión. En 1946, George Gamow propuso que, retrocediendo en el tiempo, debió existir un momento en que toda la materia estuviera concentrada. Según Gamow, en la gran explosión se sintetizaron los elementos químicos en las proporciones actuales (en esto se equivocó, como veremos). Hasta 1965 no existió ninguna prueba de la ocurrencia veraz de la gran explosión. Medio segundo después de la explosión,la materia no tenía su apariencia actual. Existía como partículas aisladas de materia y antimateria interactuando continuamente entre sí y con la radiación. Después, la temperatura de la "sopa" de materia y radiación era de unos 1.010ºK (10.000 millones de grados Kelvin). Se habían formado ya electrones, protones y neutrones.
LA FORMACIÓN DE LOS NÚCLEOS DE HIDRÓGENO Y HELIO Las colisiones entre protones dieron lugar a los primeros núcleos con más de una partícula, los cuales se estabilizaron cuando la temperatura se redujo a 109 ºK. Unos minutos después de la explosión, el Universo contenía ya una buena proporción de helio (entre 25 y 30% en peso). Sin embargo, como continuó la expansión y el enfriamiento, no fue posible que más partículas se adicionaran a los núcleos de helio para formar cantidades apreciables de elementos más pesados, como litio (Z = 3), berilio (Z = 4), boro (Z = 5), carbón (Z = 6), etcétera. A temperaturas tan altas, los electrones existentes no permanecían ligados a los núcleos por atracción eléctrica. Ello sólo pudo ocurrir cuando el enfriamiento posterior alcanzó los 5. 000 ºK. Entonces, los núcleos de hidrógeno y helio se vieron rodeados de sus electrones, y de esta manera se formaron los primeros átomos eléctricamente neutros. A partir de este momento dejó de existir la interacción frecuente, que había venido dándose entre las partículas y la radiación, la cual quedó "libre" para viajar por todas partes.
LA RADIACIÓN CÓSMICA DE FONDO En 1965, casi por casualidad, los astrofísicos Penzias y Wilson, quienes buscaban posibles interferencias a las transmisiones vía satélite, se encontraron con una radiación que llegaba a la Tierra desde todas las direcciones. Esta se denominó "radiación cósmica de fondo" y constituye la mayor prueba de la veracidad de la gran explosión. ¿Qué sucedió entonces para que se formaran los elementos más pesados que el helio en las proporciones actuales? Es un hecho que los elementos más pesados se forman en las estrellas. |