Fisión y fusión del átomo
¿Qué es la fusión nuclear?
Los átomos son los bloques constructores de toda la materia identificados en esta Tierra, sino también en el universo. No hay presente un átomo en el espacio que no está aquí en la Tierra, y viceversa. La fusión nuclear es un proceso en el cual dos núcleos atómicos se unen para formar un núcleo más pesado. La fusión es la fuente de energía natural del Sol y las estrellas. La fusión de núcleos ligeros genera enormes cantidades de energía, que es el punto de fusión nuclear, que teóricamente puede producir energía 3 y 4 veces más que la fisión, la misma masa de combustible. Una reacción de fusión nuclear por lo tanto requiere que dos núcleos se unen y esto es muy costoso en energía porque los granos tienden a repeler a causa de sus cargas eléctricas, tanto positivos. La energía necesaria para las temperaturas de fusión son decenas enorme, de millones de grados, como en el corazón de las estrellas. Cuando núcleos ligeros se fusionan, el núcleo creado así termina en un estado inestable y trata de encontrar un estado estable de menor energía. Para eso, expulsa una o más partículas (fotones, neutrones, protones, núcleos de helio, según tipo de reacción).		La generación de electricidad mediante la fisión nuclear durante mucho tiempo, pero la fusión nuclear sigue siendo controlada por los investigadores que están experimentando desde la década de 1950. Es en Francia en 2018 en Cadarache, se encargará de la mayor máquina jamás nuclear es el ITER (Reactor Termonuclear Experimental Internacional). La investigación de la fusión es demostrar que esta fuente de energía puede ser utilizada para generar electricidad en un ambiente seguro y agradable, con abundantes recursos de combustibles, para satisfacer las necesidades de una población mundial cada vez mayor. Estas máquinas son probablemente antes del final del siglo 21, si para entonces, ningún grandes catástrofes en las instalaciones existentes de fisión nuclear, podrían limitar los programas.
¿Qué es la fisión nuclear?
Con la fisión nuclear, los científicos están trabajando con núcleos pesados. Los productos de fisión son los restos de un núcleo pesado de uranio o plutonio que se fragmentó tras la captura de un neutrón. El núcleo de uranio o plutonio es generalmente fragmentado en dos piezas de tamaños desiguales, una base ligera con 80 a 110 nucleones y un núcleo más pesado de 130 a 155 nucleones. La distribución de los productos de fisión del núcleo depende poco de que la fisión del uranio-235 o plutonio-239. Ambos fragmentos son altamente radiactivos inestables en el momento de su creación. Un núcleo de uranio-235 que contiene 143 neutrones y protones, 92, 61% de los neutrones, mientras que para los fragmentos estable, ligera y pesada debe contener menos de 57%. Estabilidad será a costa de una cascada de decaimiento beta, que se convierten en protones neutrones. La fisión nuclear es la desintegración de un núcleo en dos núcleos más ligeros. Esto va acompañado de una ráfaga de calor, es decir, la energía.		La fisión libera une gigante energía, como una forma de radiación, en comparación, un gramo de uranio 235 libera tanta energía como la quema de varias toneladas de carbón, y 69 000 veces más energía que un gramo de aceite. Los neutrones liberados por fisión son de alta energía y si no se frenan, se puede inducir nuevas fisiones y la reacción continúa y se acelera. Esto es lo que ocurre en los reactores nucleares, la reacción auto-sostenible. Pero, si se le permite aumentar el número de neutrones presentes, la reacción puede ser explosiva, en el caso de la bomba atómica (bomba A). Tiempo para volver a la estabilidad es muy variable. Algunos días son suficientes para un producto de fisión a 140 nucleones, mientras que un fragmento de 137 nucleones a otros 30 años a 99 nucleones, 210 000 años. El combustible gastado de un reactor de alta después de dos o tres años de funcionamiento todavía contiene una fracción importante de fragmentos de fisión inestable.

El núcleo del átomo y la radioactividad

La mayor parte de la masa del átomo, pero no así de su volumen, radica en el núcleo. En un átomo normal, el núcleo tendrá un peso de unas cuatro mil veces el de los electrones. Consecuentemente, con una buena aproximación, se pueden ignorar los electrones cuando hablamos de la masa del átomo.

Por otra parte, el átomo es prácticamente un espacio vacío. Si el núcleo de un átomo fuese una pelota de fútbol en el suelo delante nuestro, los electrones serían como unas cuantas docenas de granos de arena esparcidos en torno a la región en que vivimos. La dimensión lineal del núcleo es normalmente 10^-5 veces las dimensiones lineales de todo el átomo.

El núcleo del átomo fue descubierto en 1911 por Ernest Rutherford en Manchester, Inglaterra. Junto a sus colaboradores, tomaron una radiación denominada partículas alfa y dejaron que golpease una fina hoja de pan de oro.

Mientras la mayoría de las moléculas la cruzaron o se desviaron levemente, algunas de las partículas (una de cada mil) fueron devueltas y rebotaron hacia atrás a causa de los núcleos de los átomos de la lámina de pan de oro.

Ernest Rutherford (1871-1937)

Rutherford comparó esta prueba con el proceso de disparar una bala a una nube de vapor y descubrir que de manera ocasional podía rebotar. La única deducción que puede formularse en cualquier caso, es que en algún lugar del interior del átomo (o nube de vapor) existía un pequeño cuerpo denso que podía desviar las partículas de movimiento rápido y hacer que cambiaran de dirección. Rutherford denominó a este cuerpo pequeño y denso, el núcleo.

Rutherford era uno de esos individuos poco corrientes que hizo su más importante contribución a la ciencia tras recibir el premio Nobel. Consiguió el premio Nobel de Química en 1908 por sus estudios sobre la naturaleza de las partículas desprendidas por los materiales radiactivos, y posteriormente descubrió el núcleo.

Ernest Rutherford en su laboratorio de la Universidad McGill en 1903

El núcleo lo forman protones y neutrones. Rutherford denomino al núcleo de hidrógeno (que es una sola partícula con carga eléctrica positiva), con el nombre de protón, que significa “el primero”. De esta manera, la carga positiva total del núcleo, consta del número de las cargas de los protones, y el número de electrones que orbitan un átomo neutro es igual al número de protones que existen en el núcleo.

El neutrón, cuyo nombre significa “el neutro”, es prácticamente igual de grande que el protón pero, como indica su nombre, no posee carga eléctrica. Se suma a la masa, pero no a la carga del núcleo y es parte importante del átomo, ya que interactúa atrayendo los protones .

La mayoría de los núcleos estables tienen de manera aproximada, un número igual de protones y neutrones. Cuando no se cumple esta regla general, como sucede con los elementos pesados, los núcleos suelen tener más neutrones que protones.

La identificación química de un átomo depende de la cantidad de protones que se hallen en su núcleo. A dicho número de protones del núcleo se le denomina número atómico, y se suele expresar comúnmente con la letra Z. El número atómico determina la naturaleza química del átomo, porque esta naturaleza química se halla determinada por los electrones más exteriores en el átomo.

De esta manera, si conocemos el número de protones en un núcleo, podemos especificar qué tipo de átomo es. Por ejemplo, si hay seis protones, el átomo es de carbono; si hay ocho, es de oxígeno, y así sucesivamente.

Los neutrones extra que existan, no cambian la naturaleza química de un átomo porque no modifican el número de electrones necesario para cancelar la carga del núcleo. Por lo tanto, es posible tener muchas clases diferentes de un tipo dado de átomo, cada una de las cuales poseerá en su centro un núcleo con idéntico número de protones, pero un número diferente de neutrones.

Dos átomos cuyos núcleos tienen el mismo número de protones pero un número distinto de neutrones se dice que son isótopos el uno del otro.

Tabla de los isótopos de los elementos ligeros. Cada línea corresponde a un elemento. El número de cada apartado es el número total de nucleones A. Los círculos señalan isótopos naturales.

Con mucha proximidad, se pueden observar los electrones y los núcleos como dos sistemas separados, cada uno ocupado en sus propios asuntos e ignorando al otro. Esto significa que hay poca diferencia para el núcleo si el átomo es por sí mismo un espacio o si sus electrones exteriores configuran parte de enlaces químicos. El núcleo hará lo que esté haciendo en las dos situaciones.

Del mismo modo quiere decir que significa muy poca diferencia para los electrones el que existan neutrones extras en el núcleo o no. Los diferentes isótopos de un elemento concreto se presentan igualmente adeptos a encontrar lugares en minerales y otros materiales, y todos los isótopos de un elemento concreto aparecerán en cualquier material que integre ese elemento.

Predecibilidad

Predicción tiene por etimología el latín pre+dicere, esto es, “decir antes”. No se trata sólo de “decir antes”, sino de “decirlo bien”, o sea, acertar; también, hacerlo con un plazo suficiente para poder tomar las medidas que se crean oportunas, y además tener una idea de hasta cuándo es posible predecir el futuro con cierto éxito.

Cuando se efectúa una predicción, se está estimando un valor futuro de alguna variable que se considere representativa de una cierta situación.

También se pueden hacer predicciones espaciales, como la ubicación, movilidad e intensidad local de fenómenos extremos, caso por ejemplo de los huracanes y tormentas tropicales

Normalmente ambos tipos de predicción están ligados y se realizan a la vez, como lo prueban los productos que ofrecen las s grandes agencias e institutos de Meteorología y Climatología.

Pueden construirse de modos muy diversos, de algunos de los cuales nos ocuparemos en este trabajo, y su bondad se mide -como es natural- por el porcentaje de aciertos en situaciones del pasado predichas con igual técnica. Las bases de registros disponibles hoy día permiten realizar experimentos de predecibilidad con datos pasados y simular situaciones ya conocidas mediante diversas técnicas, estudiando y comparando los resultados.

CAOS

Teoría del caos es la denominación popular de la rama de las matemáticas, la física y otras ciencias que trata ciertos tipos de sistemas dinámicos muy sensibles a las variaciones en las condiciones iniciales. Pequeñas variaciones en dichas condiciones iniciales pueden implicar grandes diferencias en el comportamiento futuro; complicando la predicción a largo plazo. Esto sucede aunque estos sistemas son en rigor determinismos  es decir; su comportamiento puede ser completamente determinado conociendo sus condiciones iniciales.

Los sistemas dinámicos se pueden clasificar básicamente en:

Estables, Inestables, Caóticos.

Un sistema estable tiende a lo largo del tiempo a un punto, u órbita, según su dimensión (a tractor o sumidero). Un sistema inestable se escapa de los atractores. Y un sistema caótico manifiesta los dos comportamientos. Por un lado, existe un a tractor por el que el sistema se ve atraído, pero a la vez, hay "fuerzas" que lo alejan de éste. De esa manera, el sistema permanece confinado en una zona de su espacio de estados, pero sin tender a un a tractor fijo.

A tractores extraños

La mayoría de los tipos de movimientos mencionados en la teoría anterior suceden alrededor de a tractores muy simples, tales como puntos y curvas circulares llamadas ciclos límite. En cambio, el movimiento caótico está ligado a lo que se conoce como a tractores extraños, que pueden llegar a tener una enorme complejidad como, por ejemplo, el modelo tridimensional del sistema climático de Lorenz, que lleva al famoso a tractor de Lorenz conocidos, no sólo porque fue uno de los primeros, sino también porque es uno de los más complejos y peculiares, pues desenvuelve una forma muy peculiar más bien parecida a las alas de una mariposa.

EFECTO MARIPOSA La idea de la que parte la Teoría del Caos es simple: en determinados sistemas naturales, pequeños cambios en las condiciones iniciales conducen a enormes discrepancias en los resultados. Este principio suele llamarse efecto mariposa debido a que, en meteorología, la naturaleza no lineal de la atmósfera ha hecho afirmar que es posible que el aleteo de una mariposa en determinado lugar y momento, pueda ser la causa de un terrible huracán varios meses más tarde en la otra punta del globo.

Albert Einstein y la relatividad

Las teorías de la relatividad, general y especial, de Albert Einstein pretenden hacer compatibles otras dos: la mecánica de Isaac Newton y el electromagnetismo de James Clerk Maxwell.

Según las leyes del movimiento establecidas por primera vez con detalle por Isaac Newton hacia 1680-89, dos o más movimientos se suman de acuerdo con las reglas de la aritmética elemental.

Supongamos que un tren pasa a nuestro lado a 20 kilómetros por hora y que un niño tira desde el tren una pelota a 20 kilómetros por hora en la dirección del movimiento del tren. Para el niño, que se mueve junto con el tren, la pelota se mueve a 20 kilómetros por hora. Pero para nosotros, el movimiento del tren y el de la pelota se suman, de modo que la pelota se moverá a la velocidad de 40 kilómetros por hora.

Como resulta evidente, no se puede hablar de la velocidad de la pelota a secas. Lo que cuenta es su velocidad con respecto a un observador particular. Cualquier teoría del movimiento que intente explicar la manera en que las velocidades (y fenómenos afines) parecen variar de un observador con relación a otro sería una "teoría de la relatividad".

La teoría de la relatividad de Einstein nació del siguiente hecho: lo que funciona para pelotas tiradas desde un tren no funciona para la luz. En principio podría suponerse que la luz se propagara, o bien a favor del movimiento terrestre, o bien en contra de él. En el primer caso parecería viajar más rápido que en el segundo (de la misma manera que un avión viaja más aprisa, en relación con el suelo, cuando lleva viento de cola que cuando lo lleva de cara). Sin embargo, medidas muy cuidadosas demostraron que la velocidad de la luz nunca variaba, fuese cual fuese la naturaleza del movimiento de la fuente que emitía la luz.

Einstein dijo entonces: supongamos que cuando se mide la velocidad de la luz en el vacío, siempre resulta el mismo valor (unos 299.793 kilómetros por segundo), en cualesquiera circunstancias. ¿Cómo podemos disponer las leyes del universo para explicar esto? Einstein encontró que para explicar la constancia de la velocidad de la luz había que aceptar una serie de fenómenos inesperados.

Halló que los objetos tenían que acortarse en la dirección del movimiento, tanto más cuanto mayor fuese su velocidad, hasta llegar finalmente a una longitud nula en el límite de la velocidad de la luz; que la masa de los objetos en movimiento tenía que aumentar con la velocidad, hasta hacerse infinita en el límite de la velocidad de la luz; que el paso del tiempo en un objeto en movimiento era cada vez más lento a medida que aumentaba la velocidad, hasta llegar a pararse en dicho límite; y, finalmente, que la masa era equivalente a una cierta cantidad de energía y viceversa.

Todo esto lo elaboró en 1905 en la forma de la "teoría especial de la relatividad", que se ocupaba de cuerpos con velocidad constante. En 1915 extrajo consecuencias aún más sutiles para objetos con velocidad variable, incluyendo una descripción del comportamiento de los efectos gravitatorios. Era la "teoría general de la relatividad".

Los cambios predichos por Einstein sólo son notables a grandes velocidades. Tales velocidades han sido observadas entre las partículas subatómicas, viéndose que los cambios predichos por el genial científico se daban realmente, y con gran exactitud. Es más, sí la teoría de la relatividad de Einstein fuese incorrecta, los aceleradores de partículas no podrían funcionar, las bombas atómicas no explotarían y habría ciertas observaciones astronómicas imposibles de hacer.

Pero a las velocidades corrientes, los cambios predichos son tan pequeños que pueden ignorarse. En estas circunstancias rige la aritmética elemental de las leyes de Isaac Newton; y ,como estamos acostumbrados al funcionamiento de estas leyes, nos parecen ya de "sentido común", mientras que las leyes de Albert Einstein se nos antojan "extrañas" y difíciles de comprender.

Max Planck y la teoría cuántica

Max Karl Ernst Ludwig Planck nació el 23 abril de 1858, en Kiel, Schleswig-Holstein, Alemania. Fue premiado con el Nobel y considerado el creador de la teoría cuántica. Albert Einstein dijo: "Era un hombre a quien le fue dado aportar al mundo una gran idea creadora". De esa idea creadora nació la física moderna.

Planck estudió en las universidades de Munich y Berlín. Fue nombrado profesor de física en la Universidad de Kiel en 1885, y desde 1889 hasta 1928 ocupó el mismo cargo en la Universidad de Berlín. En 1900 Planck formuló que la energía se radia en unidades pequeñas separadas que llamamos cuantos.

Avanzando en el desarrollo de esta teoría, descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce como la constante de Planck. La ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal. Sus descubrimientos, sin embargo, no invalidaron la teoría de que la radiación se propagaba por ondas. Los físicos en la actualidad creen que la radiación electromagnética combina las propiedades de las ondas y de las partículas.

Los descubrimientos de Planck, que fueron verificados posteriormente por otros científicos, fueron el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron los cimientos para la investigación en campos como el de la energía atómica. Reconoció en 1905 la importancia de las ideas sobre la cuantificación de la radiación electromagnética expuestas por Albert Einstein, con quien colaboró a lo largo de su carrera.

El propio Planck nunca avanzó una interpretación significativa de sus quantums. En 1905 Einstein, basándose en el trabajo de Planck, publicó su teoría sobre el fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico. Dados los cálculos de Planck, Einstein demostró que las partículas cargadas absorbían y emitían energías en cuantos finitos que eran proporcionales a la frecuencia de la luz o radiación. En 1930, los principios cuánticos formarían los fundamentos de la nueva física.

Planck recibió muchos premios, especialmente, el Premio Nobel de Física, en 1918. En 1930 Planck fue elegido presidente de la Sociedad Kaiser Guillermo para el Progreso de la Ciencia, la principal asociación de científicos alemanes, que después se llamó Sociedad Max Planck. Sus críticas abiertas al régimen nazi que había llegado al poder en Alemania en 1933 le forzaron a abandonar la Sociedad, de la que volvió a ser su presidente al acabar la II Guerra Mundial. La oposición de Max Planck al régimen nazi, lo enfrentó con Hitler. En varias ocasiones intercedió por sus colegas judíos ante el régimen nazi.

Max Planck sufrió muchas tragedias personales después de la edad de 50 años. En 1909, su primera esposa murió después de 22 años de matrimonio, dejando dos hijos y dos hijas gemelas. Su hijo mayor murió en el frente de combate en la Primera Guerra Mundial en 1916; sus dos hijas murieron de parto. Durante la Segunda Guerra Mundial, su casa en Berlín fue destruida totalmente por las bombas en 1944 y su hijo más joven, Erwin, fue implicado en la tentativa contra la vida de Hitler que se efectuó el 20 de julio de 1944 y murió de forma horrible en manos de la Gestapo en 1945.

Todo este cúmulo de adversidades, aseguraba su discípulo Max von Laue, las soportó sin una queja. Al finalizar la guerra, Planck, su segunda esposa y el hijo de ésta, se trasladaron a Göttingen donde él murió a los 90 años, el 4 de octubre de 1947.

Max Planck hizo descubrimientos brillantes en la física que revolucionaron la manera de pensar sobre los procesos atómicos y subatómicos. Su trabajo teórico fue respetado extensamente por sus colegas científicos. Entre sus obras más importantes se encuentran Introducción a la física teórica (5 volúmenes, 1932-1933) y Filosofía de la física (1936).