RADIO KOSMOS CHILE

3/02/2014

Capacitar a nuestros lectores sobre Astronomía.....



EL CIELO DE MARZO 2014. HEMISFERIO SUR

Efemérides astronómicas del mes de Marzo de 2014 para el cielo del Hemisferio Sur. Una visión del cielo diferente para los que habitan en el hemisferio terrestre opuesto, que nos hará comprender la esfericidad de nuestro planeta y nuestra posición sobre él.

EL CIELO DE MARZO 2014. HEMISFERIO NORTE

Efemérides astronómicas del mes de Marzo de 2014 para el cielo del Hemisferio Norte. Una visión del cielo diferente para los que habitan en el hemisferio terrestre opuesto, que nos hará comprender la esfericidad de nuestro planeta y nuestra posición sobre él.



Ciclo de 100 Preguntas y respuestas:

1 ¿Qué es una supernova?

Las supernovas son explosiones estelares de proporciones Cataclísmicas que suponen el fin de la vida de una estrella. Existen dos grandes categorías de supernovas: las debidas a la explosión de estrellas masivas aisladas y las que se producen como resultado de procesos de intercambio de materia en el seno de ciertos sistemas estelares binarios. La primera categoría corresponde a la explosión que ocurre al final de la vida de una estrella muy masiva, y que genera grandes cantidades de energía y emisiones de material, siendo uno de los fenómenos explosivos más intensos. En apariencia, la estrella aumenta su brillo tanto, que pueden llegar a brillar más que toda la galaxia que la alberga. Esta etapa final en la vida de una estrella corresponde con el momento en que su núcleo agota todo su combustible, y dejan de producirse las reacciones termonucleares causantes de gran parte de la luminosidad de la estrella. Esto origina una contracción catastrófica del núcleo que arrastra consigo a las capas más externas de la estrella, que literalmente rebotan contra él, provocando la explosión, con una enorme liberación de energía y materia. De esta materia surgirá una nueva generación de estrellas en un ciclo de vida estelar. El cadáver estelar resultante será un nuevo tipo objeto celeste: si la estrella original tenía una masa de menos de 20 masas solares, se formará una estrella de neutrones, y si era más masiva, se formará un agujero negro. Las supernovas debidas al intercambio de masa en sistemas binarios se producen cuando una estrella enana blanca roba material a una compañera cercana de tipo normal.

2 ¿Qué es una nebulosa planetaria?

Las nebulosas son nubes de gas y polvo situadas entre las estrellas. El gas está compuesto en un 90 por ciento por hidrógeno, y en menor proporción por helio y el resto de elementos químicos. Tan sólo un 1 por ciento de las nebulosas es polvo, principalmente carbono, hierro y silicatos. La apariencia de las nebulosas depende de la presencia de estrellas cercanas y de su interacción con la radiación que estas emiten. Así pues, podemos clasificar las nebulosas en nebulosas de reflexión, donde básicamente la nebulosa refleja la luz de las estrellas cercanas; nebulosas de emisión, donde la presencia de estrellas muy masivas y energéticas calienta tanto el gas que este comienza a emitir por si mismo; y por último las llamadas nebulosas oscuras o de absorción, grandes concentraciones de gas molecular, muy frías y densas y donde la luz no puede penetrar, mostrándose como una región oscura sobre el fondo de estrellas. Estos tres tipos se engloban en las llamadas nebulosas de formación, ya que son los lugares donde nacen y se forman las estrellas, de ahí la importancia de su estudio. Otro gran grupo de nebulosas corresponden a todo lo contrario, es decir, a la muerte de una estrella.
Son las nebulosas planetarias y los restos de supernovas, auténticos cadáveres estelares que vierten al medio el gas que conformaba la estrella durante su vida. Antes de la invención del telescopio, el término nebulosa se aplicaba a todos los objetos celestes de apariencia difusa. Como consecuencia
de esto, muchos de las inicialmente catalogadas como nebulosas sabemos ahora que son cúmulos de estrellas o galaxias.


 Conoce tus elementos.

Esta serie recorre la tabla periódica, un elemento cada vez, en orden de número atómico. De cada elemento se estudia su origen, descubrimiento, importancia para nosotros, peculiaridades, peligros… Aunque se habla de valencias y números de oxidación de vez en cuando, recuerda que no es un libro de texto.

Metales
Semimetales
No metales



Conoce tus elementos - El hidrógeno

Con esta entrada (y a sugerencia vuestra) vamos a empezar una serie bastante ambiciosa, Conoce tus elementos, en la que pretendemos recorrer la tabla periódica completa hablando brevemente de cada elemento: qué lo hace especial, dónde podemos encontrarlo, cómo se descubrió, etc. Como siempre, prefiero ser breve y simplificar cosas que ser muy completo y aburrir, de modo que si a alguien le sabe a poco alguna entrada, siempre le quedará el resto de Internet para buscar.
Aunque probablemente estés familiarizado con el concepto, hoy sabemos que cada elemento está constituido por átomos que tienen el mismo número de protones. De hecho, lo que define a los átomos de un elemento es exactamente eso: cuántos protones tienen. Por ejemplo, el que va a abrir la serie, el hidrógeno, tiene un protón. Como los átomos son neutros (si no, se trata de iones), los átomos de un elemento tienen los mismos electrones que protones.
¿Y los neutrones? Eso no importa tanto - los átomos con el mismo número de protones (es decir, del mismo elemento) pero distinto número de neutrones se denominan_ isótopos._ Seguro que has oído hablar de varios de diversos elementos: el deuterio, el carbono-14, etc.
De manera que en esta serie vamos a explorar la tabla elemento a elemento: desde el hidrógeno (que tiene un número atómico, es decir, un número de protones, Z = 1) hasta….pero no, prefiero no decirte hasta dónde. Es parte del interés.
De manera que en esta entrada vamos a hablar del elemento más ligero de todos, el átomo más sencillo y más pequeño que puede existir: el hidrógeno, con un solo protón y un solo electrón.
En la Edad Media, Paracelso (personaje querido de El Tamiz) estaba realizando experimentos con metales y ácidos fuertes cuando observó que, al hacerlos reaccionar, se producían burbujas de un gas altamente inflamable. Aunque Theophrastus Bombastus describió este hecho, no le dio mayor importancia ni fue consciente de que acababa de obtener hidrógeno.
Un par de siglos más tarde, Robert Boyle redescubriría esta reacción, pero sería Henry Cavendish en 1766 (experimentando con mercurio y ácidos) el que se daría cuenta de que había descubierto algo nuevo, y de hecho se le considera a él el descubridor del hidrógeno. Cavendish pensaba que el ácido extraía algo del mercurio, y que ese algo era el gas desprendido. Hoy sabemos que el hidrógeno no estaba en el mercurio sino en el ácido.
Cavendish, siendo un científico y, por lo tanto, curioso hasta la médula, prendió fuego al gas que había obtenido y observó que quemaba muy bien, combinándose con oxígeno y produciendo una llama brillante. De hecho, le pareció tan inflamable que así lo llamó:_ “aire inflamable”. _También se dio cuenta de que el resultado de esa combustión de hidrógeno con oxígeno daba agua.
Pero fue Lavoisier quien le dio el nombre: junto con Laplace, repitió el experimento de Cavendish y observó la formación de agua al quemar el gas obtenido. A Lavoisier le impresionó más el hecho de que se generase agua que el hecho de que fuera inflamable. Como ese gas era capaz de generar agua, Lavoisier lo llamó hidrógeno (“generador de agua”), y el nombre es el que se ha mantenido hasta nuestros días.
El hidrógeno es incoloro, insípido, inodoro y muy, muy ligero (al ser átomos tan pequeños). De hecho, el hidrógeno diatómico (H2) es el gas más ligero que existe. Por eso, durante mucho tiempo su uso principal fue meterlo en globos y dirigibles para que el empuje de la atmósfera los elevara. Sin embargo, llegó un momento en el que el peligro debido a lo inflamable del gas hiciera que no mereciese la pena su poca densidad (¿te acuerdas del Hindenburg?). Hoy en día, los dirigibles no utilizan hidrógeno sino helio, que es menos ligero pero que (como veremos) no reacciona con ningún otro elemento, de modo que no es peligroso.
Como es tan ligero en forma de gas, el H2 se escapa de la atmósfera terrestre en muy poco tiempo. Por lo tanto, probablemente nunca has visto hidrógeno que no esté combinado con otros elementos (de ese modo lo has visto muchas veces: en el agua, en casi todos los compuestos orgánicos…). Sin embargo, el hidrógeno es el elemento más común del Universo: el 90% de todos los átomos que existen son de hidrógeno. Como sabes, es el principal responsable ahora mismo de la energía que recibimos del Sol debida a la fusión que forma helio.
El protio, el deuterio y el tritio son los únicos isótopos que tienen “nombres propios” en vez de etiquetas con la masa atómica (como el Uranio-235). Son los tres isótopos naturales del hidrógeno, con cero, uno y dos neutrones. El tritio es radiactivo (inestable) pero los otros dos son estables. De hecho, alrededor de uno de cada 10.000 átomos de hidrógeno en la Tierra es deuterio. El agua que tiene deuterio en vez de protio se denomina “agua pesada” (que se utiliza como moderador en las centrales nucleares), y el deuterio puede ser esencial en el futuro para nuestra generación de energía, si la fusión finalmente despega. Afortunadamente, uno de cada 10.000 átomos de hidrógeno son muchos átomos (piensa en el agua del mar, por ejemplo).
El hidrógeno que utilizamos en la Tierra, al casi no existir puro, lo sintetizamos: en el laboratorio sigue haciéndose mediante la reacción de metales con ácidos fuertes (el metal reemplaza al hidrógeno en el ácido, que se convierte en una sal, y libera el hidrógeno). Industrialmente no se hace así (sería demasiado caro), sino que se obtiene haciendo reaccionar metano con vapor de agua, con lo que se obtiene monóxido de carbono e hidrógeno gaseoso:
CH4 + H2O -> CO + 3H2
¿Para qué se utiliza el hidrógeno? La mayor parte se utilizar para refinar petróleo y para producir amoníaco (que se emplea para muchas cosas, como por ejemplo abonos nitrogenados). Pero también se utilizar para aumentar el nivel de saturación de algunas grasas vegetales (por ejemplo, en la margarina) y la producción de metanol.
Además, al ser un excelente conductor del calor (para ser un gas) se emplea como refrigerante en los rotores de centrales eléctricas. También actúa como refrigerante a muy bajas temperaturas, en forma líquida.
En el futuro, es posible que se utilice como un “almacenador de energía” en células de combustible. Para que actúe de este modo se separa de, por ejemplo, el agua mediante la electrólisis, y luego se recombina con oxígeno para liberar la energía de nuevo y volver a dar agua:
2H2 + O2 -> 2H2O
Ya existen, por ejemplo, “autobuses de hidrógeno” que lo queman para producir vapor de agua, pero este proceso no es demasiado eficiente energéticamente - las células de combustible pueden cambiar eso. Además, siempre hay que recordar que hace falta energía para obtener el hidrógeno en primer lugar. Si lo obtenemos del metano para esto, seguiríamos dependiendo de los combustibles fósiles, igual que si realizamos la hidrólisis utilizando energías convencionales.
Pero, independientemente del uso que hagamos de él, lo que hace especial al hidrógeno es que es el elemento más ligero y el más sencillo, y que es el más común (de lejos) en nuestro Universo.
Conoce tus elementos - El helio

Continuamos hoy con la segunda entrega de la serie Conoce tus elementos, que se inició con el hidrógeno. Como recuerdas, los átomos de ese elemento tenían un protón (y un electrón si no estaban ionizados); hoy seguimos con el elemento que tiene dos protones:** el helio.**
Por cierto, esta es una entrada importante en la serie, porque vamos a hablar de conceptos (como las capas electrónicas) que serán muy útiles para entender posteriores artículos. De modo que, aunque tardemos en hablar del helio, es esencial que lo hagamos antes de cosas más abstractas.
El helio es el segundo elemento más común del Universo (ya dijimos que el hidrógeno era el primero), pero paradójicamente no fue descubierto hasta muy tarde, debido a que no es demasiado fácil de encontrar en la Tierra (si no sabes dónde buscar), y a que, como veremos, no reacciona con nada y escapa de la atmósfera muy rápido.
Antes de hablar de cómo fue descubierto este elemento, tenemos que dar un recordatorio rápido y simple de lo que es la espectroscopía, pues fue con ella que se identificó al helio. Básicamente, cuando se proporciona energía a los átomos de un elemento, ya sea mediante calor, electricidad u otro método, los electrones del átomo se excitan, es decir, saltan a niveles energéticos mayores que los normales. Al cabo del tiempo vuelven a caer a donde “deberían estar”, y liberan en forma de radiación electromagnética la energía que habían absorbido - es decir, brillan. Puesto que cada elemento tiene un número y una configuración de electrones determinada, cada elemento emite radiación de longitudes de onda muy específicas.
La espectroscopía es el análisis de esa radiación, para identificar un elemento. Supongamos que alguien me da un trozo de metal que puede ser sodio o potasio. Puedo calentarlo hasta que esté incandescente, medir las longitudes de onda de la radiación que emite, mirar una tabla y comprobar si es sodio o potasio. Y lo que es más importante: puedo llegar a esa conclusión sin necesidad de tocarlo ni estar cerca de él, si está caliente y brilla. De hecho, puedo hacerlo aunque esté a cien mil años-luz de mí, mientras que pueda verlo brillar (así es como identificamos de qué están hechas las estrellas, por ejemplo).
Bien, en el siglo XIX la espectroscopía proporcionó horas y horas de diversión a los científicos, que se dedicaron a analizar las longitudes de onda de todo lo que caía en sus manos. Uno de los primeros lugares brillantes a los que mirar, por supuesto, fue el Sol: y nuestra estrella da para mucho, porque tiene muchos elementos en su interior. Desde luego, hay mucho más de unos que de otros, pero pueden verse líneas espectrales de oxígeno, hidrógeno, carbono, sodio…
En 1868, los astrónomos ya habían confirmado la presencia de muchísimos elementos conocidos en la luz del Sol. Pero había una línea que no encajaba con ninguna conocida - Pierre Janssen, el primero en verla, pensó que tal vez era del sodio (por ser parecida a las de este metal). Pero el inglés Norman Lockyer se dio cuenta de lo que estaba pasando:** se trataba de un elemento desconocido en la Tierra**. ¡Acababan de descubrir un elemento nuevo sin siquiera tocarlo! Junto con el químico Edward Frankland, dieron al nuevo elemento el nombre del dios griego del Sol, Helios, en la forma de “helio”.
 Espectro del Sol. Sí, las líneas del helio están ahí. Crédito: NOAO/AURA/NSF
El helio tiene dos protones y, por lo tanto, dos electrones (salvo que se ionice). Como ya dijimos, el número de neutrones no es demasiado importante, pero el isótopo más común tiene dos neutrones. De modo que el helio es bastante más pesado que nuestro anterior elemento, el hidrógeno (unas cuatro veces más). Pero las diferencias entre ellos van mucho más allá.
Como hemos mencionado en la serie Esas maravillosas partículas, el electrón es un fermión: no puede haber dos con el mismo conjunto de números cuánticos, es decir, en el mismo estado. Esto hace que, cuando los electrones se acercan a los protones y neutrones para formar átomos, aunque los protones los atraen, no se “apelotonen” todos junto al núcleo. Forman una serie de capas, como las de una cebolla. Las más cercanas al núcleo tienen menos energía, y las más externas tienen más energía.
Dicho de otra manera: el átomo es una especie de cuenco, con el núcleo en el centro, y los electrones son canicas dentro del cuenco. Si empiezo a tirar canicas dentro, no pueden estar todas en el fondo; las primeras van al fondo y ocupan un espacio, las siguientes están alrededor de esas y tienen un poco más de energía (están más elevadas), etc.
Pero hay una diferencia importante: la variación de energía en los electrones no es continua como en un cuenco de paredes suaves - tiene “escalones”. Cada capa concéntrica con el núcleo puede albergar un número de electrones que tienen (más o menos) la misma energía, la siguiente capa tiene un poco más, la siguiente más, etc. Puedes imaginarlo como un cuenco en forma de circo romano, con cada fila de asientos más elevada que la anterior.
La primera capa (la más cercana al núcleo) puede albergar dos electrones. La segunda puede albergar ocho electrones - por ahora, dejémoslo aquí. Y lo importante es, la estructura del átomo es estable cuando todas sus capas están completas. Sé que esto va a doler a más de un químico, pero puedes pensarlo así: un átomo es como una cebolla, y según se añaden electrones se van formando capas alrededor del centro. El átomo es estable cuando la cebolla tiene capas cerradas, completas y perfectas.
Como los electrones (igual que las canicas) caen al nivel de energía más bajo disponible, salvo que pase algo raro, todas las capas estarán repletas excepto la última, que puede no estarlo. Por ejemplo, supón que un átomo tiene cuatro electrones: los dos primeros están en la primera capa (que puede tener dos, de modo que está llena), y los otros dos están en la segunda capa (que puede tener ocho). Este átomo sería una cebolla con una capa completa y la siguiente incompleta… un átomo energéticamente inestable.
Piensa en el hidrógeno: tiene un solo electrón, de modo que tiene la primera capa únicamente, y ni siquiera ésa está completa…cabría otro electrón más. El hidrógeno atómico no es estable, y en cuanto tiene posibilidad de asociarse con otros átomos, lo hace, de modo que cierre la capa y sea estable. Por eso el hidrógeno reacciona tan fácilmente con otros elementos (piensa en lo bien que arde, por ejemplo).
Pero ¿y el helio? Tiene dos electrones…la capa está completa. El helio es como una mini-cebolla con una sola capa perfecta y cerrada. O como un circo romano con dos espectadores en la primera fila. El helio es energéticamente estable, no le hace falta reaccionar con ningún otro átomo para alcanzar la estabilidad que ya posee. Por eso, el helio no reacciona con nadie (salvo condiciones muy extremas), como un noble altanero que no se junta con la plebe - es un gas noble.
Como sigue siendo un gas muy ligero, como el hidrógeno, escapa rápidamente de la atmósfera. Y como no reacciona con otros elementos, no lo encontramos en otros compuestos (como era el caso del hidrógeno). De ahí que tardáramos tanto en darnos cuenta de que existe, a pesar de que 1 de cada 4 kilos de materia conocida en el Universo es helio.
El helio tiene otras propiedades interesantes: al tener átomos muy ligeros, conduce muy bien el calor (para ser un gas), lo mismo que el sonido (que va tres veces más rápido en helio que en el aire). Es transparente, insípido e inodoro - no voy a poner una imagen, porque no verías nada. Como no reacciona con nada, no es combustible, ni tóxico, ni nada de nada…aunque sí tiene cierto peligro, del que hablaremos luego.
Es posible ver helio líquido, pero hace falta una temperatura muy baja (a presión atmosférica): unos 269 grados bajo cero, sólo 4 por encima del cero absoluto de temperatura. De hecho, es posible incluso ver helio sólido, pero para eso no sólo hace falta mucho frío (272 bajo cero) sino también una presión enorme (unas 25 veces la atmosférica). Sí, lees bien: si cogieras helio y consiguieras enfriarlo, a presión atmosférica, hasta llegar a 0K, seguiría siendo un líquido. Por cierto, el helio sólido, a pesar de serlo, es muy ligero: un trozo de helio sólido flotando en el agua tendría casi un 80% de su volumen fuera del agua. Por supuesto, estaría a 1K, de modo que al ponerlo en contacto con agua líquida la diversión no habría hecho más que empezar.
¿De dónde sacamos entonces el helio que utilizamos en la Tierra? Bien, resulta que, además de su fuente principal en el Universo (la fusión nuclear del hidrógeno en las estrellas), también se producen núcleos de helio (partículas alfa) en la desintegración radiactiva espontánea de elementos como el uranio o el torio. De modo que, en la Tierra, sí se produce helio. Por supuesto, si escapa a la atmósfera, su densidad es tan pequeña que la gravedad terrestre no logra retenerlo, pero una cantidad aceptable queda retenida bajo tierra, generalmente en depósitos en los que también hay gas natural.
De hecho, cuando se extrae gas natural, suele haber helio mezclado con él - hasta un 7% en algunos sitios. De ahí se obtiene, mediante una destilación selectiva. Por supuesto, una vez separado hay que guardarlo con cuidado para que no escape de la atmósfera.
El helio se utiliza fundamentalmente por su baja densidad y por ser tan inerte: es un gas muy seguro de utilizar en globos, zeppelines, etc. Sin embargo, también se emplea, por ejemplo, como refrigerante: al mantenerse líquido a temperaturas tan bajas como 2K, y conducir tan bien el calor, es un refrigerante óptimo cuando se quiere mantener algo muy, muy frío. Por ejemplo, como ya mencionamos aquí hace un tiempo, los imanes superconductores del LHC se mantienen fríos utilizando helio líquido.
Es muy conocido el truco de inhalar helio y hablar: la voz sale muy aguda. La razón es la elevada velocidad del sonido en el helio; al llenar los pulmones con este gas, la frecuencia del sonido generado (que es proporcional a la velocidad del sonido en el medio) aumenta, haciéndose más agudo.
Sin embargo, esto tiene cierto peligro - no porque el helio sea tóxico porque, como hemos dicho, no lo puede ser en absoluto al no reaccionar con nada. La razón es más sutil. Mucha gente piensa que la sensación de “falta de oxígeno” o de ahogo cuando no respiras se debe a que, como el nombre indica, no tienes oxígeno; sin embargo, esto no es así. Bueno, excepto en algunos mamíferos como las focas.
Nuestro cerebro manda la señal “me estoy ahogando” cuando la concentración de dióxido de carbono es más grande de lo que debería ser: si, por ejemplo, meto la cabeza en una bolsa de plástico, cada vez hay más CO2 y menos oxígeno. Mi cerebro se da cuenta y noto que me ahogo. De ese modo, hago algo (lucho, me quito la bolsa, busco aire fresco) antes de que haya peligro. Lo mismo pasa si simplemente no respiro: la concentración de dióxido de carbono aumenta en los pulmones.
Pero cuando respiras helio, desplaza al oxígeno de tus pulmones y no respiras oxígeno. Y también desplaza al dióxido de carbono, de modo que tu cerebro no se da cuenta de que se está iniciando la asfixia - puede ser peligroso porque no te des cuenta de la falta de oxígeno hasta que te marees. Desde luego, no es un peligro extremo, pero si haces ese truco, asegúrate de no hacerlo demasiado tiempo y expeler todo el helio de tus pulmones y respirar aire fresco pronto.
Pero, trucos de voz aparte, quedémonos con lo fundamental: el helio es un gas inerte, muy ligero, y el primer elemento en ser descubierto fuera de nuestro planeta (a pesar de existir en él). Sin embargo, añadiendo sólo un protón (llegando a tres), la próxima edición describirá un elemento de características muy diferentes: el litio.


Esas maravillosas partículas

Esta serie está dedicada a estudiar las partículas subatómicas más importantes (fundamentales o no), desde su descubrimiento y otros aspectos históricos (como el origen del nombre), hasta sus características más importantes y su presencia en el Universo.

Veremos los siguientes elementos:
·         El electrón
·         El positrón
·         El protón
·         Los quarks
·         El neutrón
·         El fotón
·         El neutrino
·         El muón
·         El tauón
·         Los bosones W y Z
·         El pión
·         El kaón
·         Los hiperones
·         El gluón
·         El bosón de Higgs
·         El gravitón
·         La radiación de Cherenkov
·         Los bosones X e Y
·         La materia oscura
·         Los WIMPs
·         El neutralino
·         El axión


El electrón
Esta entrada inicia una nueva serie, Esas maravillosas partículas, en la que (a sugerencia de Miguel y cruzki) vamos a hablar brevemente de una partícula en cada artículo, de más comunes a más “raras”. La de hoy es una de las más conocidas - el electrón.
¿Cómo definir un electrón? Voy a hacerlo de modo que introduzca algunos conceptos que nos serán muy útiles durante esta serie de artículos. Vamos a hablar de muchos nombres que encantan a los físicos cuánticos, de modo que prepárate para lo que tal vez sea un poco aburrida. En cualquier caso, muchos los repetiremos a lo largo de la serie.
En primer lugar, un electrón es una partícula elemental. Esto quiere decir que no está compuesto de partículas más simples (que sepamos, por supuesto)._ Pues claro, puede decir algún lector avezado. _¿Quién no sabe que un electrón es una partícula elemental? ¿Por qué lo dices como si fuera especial?
Bien, hago énfasis en esto porque mucha gente llama “partículas elementales” a cosas que no lo son. Por ejemplo, los protones y los neutrones (cada uno de los cuales tendrá su entrada particular en esta serie) no son partículas elementales. Ya veremos por qué otras partículas están constituidos cuando llegue la hora. Pero el electrón sí lo es - que sepamos nosotros, no tiene estructura interna.
En segundo lugar, un electrón es un fermión. Esto quiere decir, dicho llanamente, que es una partícula “individualista”: sólo un electrón puede ocupar un estado cuántico determinado. Si ya hay un electrón ocupando ese estado, otros electrones no lo ocupan. Los fermiones, básicamente, son las partículas que constituyen la materia.
Si los electrones no fueran fermiones, un átomo con (por ejemplo) 20 electrones los tendría a todos apelotonados cerca del núcleo y no existirían ni los niveles de energía, ni las valencias, ni las reacciones químicas ni nosotros. El hecho de que los electrones, en el átomo, se organicen en “capas” como una cebolla se debe a que son fermiones.
En tercer lugar, un electrón es un leptón. Esto significa que no se ve afectado por la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza es la que mantiene unidos los núcleos de los átomos - pero, como sabes, los electrones no están en el núcleo, y esa es precisamente la razón de que no lo estén: si los electrones no fueran leptones, serían afectados por la fuerza nuclear fuerte y no estarían formando una “nube” alrededor del núcleo, sino formando parte de él.
En cuarto lugar, un electrón tiene una carga eléctrica de valor -1 (en unidades atómicas), y por lo tanto decimos de él que tiene “carga negativa”. Algún día dedicaremos una Falacia iracunda a lo de la “energía positiva (buena)” y “energía negativa (mala)” de diversas pseudociencias, pero baste decir lo siguiente: llamamos a la carga “positiva” y “negativa” porque nos da la gana. Podríamos haberlas llamado “verde” y “roja”, y tan a gusto.
Lo que pasa es que es muy conveniente (por varias razones, como para sumar una y otra y poder cancelarlas, para poder multiplicarlas fácilmente…) utilizar + y -. Pero cuál es cuál y que sean signos es algo que nos hemos inventado nosotros.
En cualquier caso, al tener carga, el electrón se ve afectado por la fuerza electromagnética - ésa es la razón de que se encuentre “dando vueltas” alrededor del núcleo cargado “positivamente”. De hecho, los electrones que se mueven por los conductores son los que llevan la corriente eléctrica a nuestras casas (ya sé que lo sabes, pero bueno).
En quinto lugar, un electrón tiene una masa de unos 10-30 kg. A pesar de que tú, querido lector, tienes miles de cuatrillones de electrones en tu cuerpo, su masa total sólo es de unos pocos gramos. Sin embargo, veremos otras partículas que no tienen masa o tienen incluso menos que el electrón (aunque otras, como el protón, son casi 2000 veces más pesadas).
Casi todos los electrones del Universo (y se piensa que hay unos 1079 de ellos) están en átomos de hidrógeno (que tienen un protón y un electrón). Por supuesto, todos los átomos los tienen, y de hecho son la razón de que exista la tabla periódica.
Como hemos dicho antes, al ser fermiones, los electrones en un átomo no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Si no fuera así, los electrones irían lo más cerca posible del núcleo, donde tendrían menor energía, como una canica en el interior de un cuenco.
Pero, al ser fermiones, es como si el cuenco tuviera “escalones” y los electrones los ocuparan y no dejaran que ningún otro lo hiciera, de modo que según un átomo tiene más electrones tienen que ocupar escalones más y más “altos” y alejados del núcleo - esta estructura es la que da a cada elemento sus propiedades y su lugar en la tabla periódica, aunque por supuesto si es un átomo (neutro) tiene el mismo número de protones que de electrones.
En resumen - un electrón es una partícula elemental, dentro de ellas un fermión, dentro de ellos un leptón, y dentro de éstos el que tiene carga -1 y masa unos 10-30 kg. Su importancia fundamental, en mi opinión, es que son los responsables de los enlaces entre átomos y, por tanto, las reacciones químicas. Sin ellos, el Universo sería un lugar muy aburrido en el que todos los átomos se comportarían más o menos igual y nunca jamás se unirían para formar moléculas…
Espero que el haber empezado con una partícula tan “normal” no haya aburrido a más de uno. Os prometo que más adelante nos pelearemos con partículas exóticas, pero quería empezar con una conocida para empezar a disparar nombres “raros” con algo que no fuera “raro”. Si quieres, por cierto, conocer más acerca del descubrimiento del electrón, puedes leer acerca de ello en la entrada sobre el Nobel de Física de 1906, concedido a J. J. Thomson precisamente por este motivo.
En la próxima entrega (porque se merece la suya particular), la antipartícula del electrón, el positrón. Como veremos entonces, podríamos haber llamado a esta entrada “Esas maravillosas partículas - El negatrón”.

El positrón
En la primera entrada de esta serie de Esas maravillosas partículas hablamos sobre el electrón. Allí ya mencionamos que trataríamos sobre su antipartícula, el positrón, en un artículo independiente, de modo que aquí lo tienes: hablemos de los positrones.
En primer lugar, hemos dicho que un positrón es la “antipartícula” de un electrón. ¿Qué diablos significa eso?
Podría decirte que es una partícula igual pero de carga opuesta, pero (aunque para muchas cosas con eso basta) vamos a intentar ir más allá. Supongamos que tenemos un objeto físico al que llamaremos Pepitín (porque nos da la gana). Pepitín tiene una masa, una carga, unas propiedades, las que sean, y conocemos todas estas propiedades, de modo que (si sabemos dónde y cuándo está Pepitín) podemos escribir ecuaciones que nos digan cómo va a comportarse: cómo se va a mover, qué le va a pasar, etc.
Esto es un poco abstracto, pero espero que te ayude a entender el concepto de “antipartícula”. Bien, el AntiPepitín sería otro objeto físico que se comportaría absoluta y exactamente igual que Pepitín (de hecho, no podríamos distinguirlo de Pepitín al ver cómo se mueve, etc.) si en nuestras ecuaciones cambiamos tres cosas de signo:
Primero, la carga. Es decir, si Pepitín tuviera carga positiva, AntiPepitín la tendría negativa. De modo que si, por ejemplo, hay una carga positiva cerca de Pepitín (que tiene también carga positiva), Pepitín se alejaría de ella (porque las cargas del mismo signo se repelen), mientras que AntiPepitín se acercaría a ella. Fíjate que, si sólo cambiamos esto, AntiPepitín aún no nos sirve, es decir, no es la antipartícula de Pepitín, porque no se comporta igual que Pepitín: podemos saber que no es Pepitín porque debería acercarse a la otra carga, y se aleja de ella.
Segundo, la paridad. Esto no es fácil de explicar muy rápido, pero básicamente quiere decir que, en nuestras ecuaciones, donde poníamos las coordenadas espaciales (x, y, z) ahora las cambiamos de signo igual que hemos hecho con la carga; escribiríamos (-x, -y, -z). Esto es algo parecido a coger la imagen del Universo y “darle la vuelta” (en tres dimensiones no es fácil de ver, pero se puede hacer - prueba a imaginarte el punto (2,2,2) y luego el (-2,-2,-2).
En el caso de AntiPepitín, cambiar la paridad simplemente haría que todo (incluida la otra carga y AntiPepitín) estuviera en posiciones “dadas la vuelta”, lo cual no cambiaría mucho en este caso ni haría que AntiPepitín se comportara igual que lo había hecho Pepitín, porque como sigue teniendo carga opuesta a la otra carga, se acercaría a ella.
Tercero, el tiempo. Éste es el más raro de todos: en nuestras ecuaciones cambiaríamos de signo el tiempo, es decir, haríamos que el tiempo fuera hacia atrás. Dicho de otra manera, si hemos filmado a Pepitín (cambiado de carga y de paridad) con una película, ahora cogemos la película y hacemos que vaya al revés.
¿Ves como ahora sí que AntiPepitín es indistinguible de Pepitín? Como se acercaba a la otra carga, al poner la película “al revés”, se aleja de ella…lo mismo que hacía antes Pepitín. Conjugando la carga, la paridad intrínseca y el tiempo, hemos conseguido la antipartícula de Pepitín.
En algún momento tendremos que volver a estas tres simetrías, porque son muy interesantes y revelan aspectos bastante raros sobre el Universo.
Bien, después de esta disgresión abstracta, volvamos al positrón - ahora deberías entender mejor lo que es. Un positrón, por supuesto, tiene carga eléctrica positiva, pues el electrón la tiene negativa. Pero si entendiste el artículo anterior, ya sabes que esto es arbitrario: sería mejor decir que el positrón tiene carga “opuesta” al electrón.
El positrón, además, siguiendo el convenio de nombres de las partículas, debería llamarse antielectrón, pero como fue la primera antipartícula descubierta y tiene carga “positiva” se le llamó positrón. De hecho, hubo algún proponente de cambiar el nombre al electrón y llamarlo negatrón, que francamente suena mucho más espectacular, pero la idea no caló.
Por supuesto, si has comprendido todo lo de la paridad y el tiempo, ¿cómo sabemos que lo que tenemos alrededor son electrones y no positrones? Tal vez estamos yendo hacia atrás en el tiempo y revertidos en el espacio y son positrones…y en algún otro lugar hay electrones moviéndose hacia delante en el tiempo.
Porque puede mirarse así - para un positrón, el tiempo pasa al revés, y ve al resto del Universo hacer lo contrario de lo que ve un electrón…aunque, por supuesto, una partícula no “ve” nada, pero ¿no es sugerente la imagen?
Cuando un electrón y un positrón se encuentran en el espacio y están en el estado cuántico adecuado, se aniquilan el uno al otro y producen otras partículas. Lo más común es que produzcan dos fotones: como los fotones (a los que dedicaremos su propia entrega) no tienen carga, la carga neta se conserva (la suma de las cargas del electrón y el positrón es cero).
Visto desde el punto de vista de la materia normal (es decir, del electrón), el positrón y el electrón se van acercando hasta que chocan y producen dos fotones, que se alejan de la colisión.
Pero imagina la escena si fueras el positrón, moviéndote “hacia atrás” en el tiempo. Por supuesto, para ti no vas hacia atrás, vas hacia delante, pero todo lo demás hace lo contrario de lo que ve el electrón: dos fotones se van acercando el uno al otro, hasta que chocan, y entonces de la colisión salen dos partículas, un electrón y un positrón, que van alejándose la una de la otra.
¡Ah! podrás decir. Pero como sabemos que lo que ocurre no es eso, sino lo contrario, entonces los electrones son los que van “hacia delante” y los positrones “hacia atrás”.
Pero es que lo contrario también pasa. Hay veces en las que dos fotones dan lugar a un electrón y un positrón….de modo que, ¿cómo sabemos que no estamos yendo nosotros (la materia “normal”, como los electrones y los protones) hacia atrás en el tiempo?
La respuesta, por supuesto, es que no lo sabemos - y que la pregunta no tiene sentido. El sentido del tiempo que “vemos” es el que llamamos “hacia delante”, y punto. Nada cambiaría si todo fuera al revés en lo que concierne a las partículas y antipartículas.
Antes de que pierdas los finos lazos que aún te unen a la realidad cotidiana, vamos a acabar este artículo, pero no sin mencionar que los positrones, en su momento, sonaban a “ciencia moderna” tanto que el genial Isaac Asimov, al inventar los cerebros de sus célebres robots, no pudo menos que llamarlos “cerebros positrónicos”, para que sonaran al “futuro” al usar positrones en vez de electrones.
Por supuesto, un cerebro positrónico dentro de un planeta como el nuestro, lleno de materia normal, sería una bomba de relojería que no querríamos tener cerca, pero eso es lo de menos – de hecho, los positrones se utilizan todos los días en medicina, puesto que la TEP (Tomografía por Emisión de Positrones) se basa precisamente en ellos.

Si te ha gustado esta entrada (y permíteme que te diga que si aún estás leyendo esto eres bastante rarito), en la próxima otra partícula normal - el protón.


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