Como nacen los elementos

Casi todos los elementos del universo se originaron en los corazones de alta presión de las estrellas o durante la muerte violenta de una estrella. Pero algunos elementos no son “cosas de estrellas”. El hidrógeno y el helio trazan su linaje hasta el Big Bang. Otros elementos, como el francio y el plutonio, sólo se producen en pequeñas cantidades por la desintegración del uranio… y por pequeñas cantidades, quiero decir que, si se recogiera todo el plutonio natural del mundo, se obtendrían aproximadamente 0,05 gramos de él.

De hecho, la tabla periódica podría haber terminado después del plutonio si los científicos no hubieran seguido donde la naturaleza lo dejó. En los últimos 75 años, los científicos han añadido 24 elementos adicionales a la tabla periódica y han creado varios otros que son tan raros que sólo podemos especular sobre su existencia en la naturaleza. Hemos redefinido la materia y somos quizás el único planeta que ha visto elementos más pesados que el plutonio. Pero ¿cuánto más lejos podemos llegar?

Elementos de un elemento

Para responder a esta pregunta, es importante entender la anatomía de un elemento. Todo el mundo ha oído hablar de la tabla periódica de elementos, o al menos la ha visto colgada en la pared de un aula de ciencias de un instituto. Esta tabla clasifica todos los átomos del universo en 118 tipos diferentes, conocidos como elementos. Un átomo está compuesto de dos partes: un núcleo y una nube de electrones. El núcleo está en el corazón del átomo y está compuesto de partículas positivas llamadas protones y partículas neutras llamadas neutrones. Los electrones cargados negativamente zumban alrededor del núcleo en la nube de electrones.

Representación del átomo de un elemento, en este caso, litio
Representación del átomo de un elemento, en este caso, litio

Un átomo se parece un poco a la imagen de arriba, excepto que los átomos son mil millones de veces más pequeños que los que se ven aquí. (Si este fuera el tamaño real de un átomo, tendrías aproximadamente el tamaño del sol.) Aunque todos los componentes de un átomo son importantes, la tabla periódica ignora el número de neutrones y electrones y define un átomo basado únicamente en el número de protones que tiene en su núcleo. Todos los átomos con seis protones son de carbono, independientemente del número de neutrones o electrones que tengan. El nitrógeno es el elemento siete porque tiene siete protones, y así sucesivamente hasta llegar al oganesón con 118 protones.

Las estrellas son los laboratorios donde se originan la mayoría de los elementos
Las estrellas son los laboratorios donde se originan la mayoría de los elementos

Así que crear un nuevo elemento requiere cargar el núcleo de un átomo con más protones. Las estrellas crean nuevos elementos en sus núcleos apretando los elementos entre sí en un proceso llamado fusión nuclear. Primero, las estrellas fusionan átomos de hidrógeno en helio. Los átomos de helio se fusionan para crear berilio, y así sucesivamente, hasta que la fusión en el núcleo de la estrella ha creado cada elemento hasta el hierro.

El hierro es el último elemento que las estrellas crean en sus núcleos, y un beso de muerte para cualquier estrella con la masa para llegar a este punto. Como lo describe el astrónomo Robert Kirshner del Centro Harvard-Smithsonian para la Astrofísica, “Una vez que una estrella ha construido un núcleo de hierro, no hay forma de que pueda generar energía por fusión. La estrella, irradiando energía a un ritmo prodigioso, se convierte en una adolescente con una tarjeta de crédito. Usando los recursos mucho más rápido de lo que se puede reponer, se coloca al borde del desastre“.

Saltando el hierro

Pero el borde del desastre para estas estrellas masivas es el umbral de la vida para el resto de la tabla periódica. En el último segundo de vida de una estrella, su núcleo se compacta tanto que se vuelve tan denso como un núcleo atómico. Cuando no hay más materia que pueda apretarse en el núcleo, la estrella explota con la energía de un octillón (1027) de bombas atómicas.

En esta violenta explosión, nacen más de la mitad de los elementos de la tabla periódica. El intenso calor de la explosión cataliza las reacciones nucleares que no fueron posibles en el núcleo. Los elementos que escapan son bombardeados con neutrones, que se dividen en el interior del núcleo en protones y electrones, generando nuevos elementos únicos. El hierro se convierte en oro, el oro se convierte en plomo, y así sucesivamente hasta que el uranio, el elemento natural más pesado nacido en las estrellas, se forja a partir de las cenizas.

Muestra del elemento Uranio 238
Muestra del elemento Uranio 238

Esta espectacular lluvia de vida y muerte lo crea todo. Bueno, casi todo. Hay otros 27 elementos en la tabla periódica después del uranio que no fueron creados por las estrellas. Algunos elementos se producen en cantidades mínimas por la descomposición de otros elementos. Pero incluso la larga cadena de decadencia radioactiva no es suficiente para producir los elementos ultra pesados al final de la tabla periódica. La tabla periódica habría terminado por completo si los científicos no hubieran empujado los límites de la física natural y se hubieran aventurado más profundamente en el mundo de los elementos superpesados.

Rompiendo los limites de los elementos naturales

Para crear nuevos elementos, los científicos pidieron prestados algunos consejos de los cielos. Los elementos transuránicos (elementos 95 a 100) fueron forjados bombardeando el uranio con neutrones y esperando que el núcleo impregnado se volviera radiactivo y convirtiera su neutrón extra en un protón, un electrón y un antineutrino sin carga, casi sin masa. Pero después del fermio (elemento 100), la técnica de irradiar y esperar deja de funcionar.

Los físicos de partículas “intensificaron su juego” y mejoraron su alimentación atómica de neutrones a otros elementos. El truco consistía en hacer que los núcleos de los dos átomos se fusionaran en un núcleo gigante, generando un átomo completamente único. Los científicos comenzaron a lanzar pequeños disparos de helio (2) en el einstenio (99) para engendrar mendelevio (101); lanzando neón (10) en el uranio (92) para engendrar nobelio (102). Eventualmente, los científicos sacaron las armas grandes y bombardearon el plomo (82) con zinc (30) para engendrar copernicio (112) y el californio (98) con calcio (20) para producir el elemento 118, llamado Oganesón.

¿Pero por qué los científicos tienen éxito donde las estrellas fallan? La verdad es que las estrellas no fallan. En la tormenta de sus muertes, algunas estrellas probablemente forjan elementos superpesados, incluso más pesados que los que hemos creado, pero estos elementos no sobreviven mucho tiempo en el turbulento caos de una supernova. Los elementos súper pesados son tan frágiles que viven sólo unos microsegundos antes de descomponerse en una mezcla de chatarra atómica.

¿Qué hay más allá del 118?

Hay un límite en el número de protones y neutrones que pueden apretarse dentro de un núcleo atómico, pero aún no lo hemos encontrado. Los protones están cargados positivamente, y debido a que las cargas similares se repelen, los protones están en un continuo duelo “este núcleo no es lo suficientemente grande para los dos”.

Los neutrones no tienen carga y sofocan parte de la tensión al contonearse entre los protones. Todo el núcleo se mantiene unido por una fuerza fuerte, una fuerza misteriosa que actúa como una cuerda elástica y lo une todo. Pero eventualmente, la repulsión del protón sobrepasa la fuerza fuerte, y ni siquiera los neutrones neutros pueden impedir la emigración de las partículas alfa (dos neutrones y dos protones) del núcleo. Así que la verdadera pregunta es: ¿Qué tan grande podemos llegar?

El elemento 118 fue nombrado en honor a Yuri Oganessian, un pionero en el descubrimiento de elementos sintéticos, con el nombre de oganesón (Og). Oganessian y la cadena de decadencia de oganeson-294 fueron representados en un sello de Armenia emitido el 28 de diciembre de 2017.
El elemento 118 fue nombrado en honor a Yuri Oganessian, un pionero en el descubrimiento de elementos sintéticos, con el nombre de oganesón (Og). Oganessian y la cadena de decadencia de oganeson-294 fueron representados en un sello de Armenia emitido el 28 de diciembre de 2017.

A medida que cerramos la brecha entre lo que existe y lo que puede existir, las leyes de la física eventualmente nos impedirán aventurarnos más profundamente en el mundo de la materia sintética. Los científicos continuarán empujando el límite de “físicamente posible”, pero por ahora parece que la tabla periódica está cerca de completarse.

Para más información How to Make an Element