Cuando escuchamos hablar de "reacciones" en ciencia, lo primero que se nos viene a la cabeza son las reacciones químicas. En ellas, las moléculas se rompen y se reagrupan formando otras nuevas. Aunque la forma en que los átomos se unen puede cambiar completamente, en una reacción química siempre se conserva la masa total, la cantidad de átomos de cada elemento y la carga eléctrica. Lo que cambia es cómo se comparten los electrones entre los átomos. Podríamos decir que las reacciones químicas son como un baile de parejas donde los participantes cambian de compañero, pero nadie desaparece ni aparece de la nada.
Sin embargo, existe otro tipo de reacciones mucho más poderosas y transformadoras: las reacciones nucleares. En ellas, no se trata solo de electrones, sino de lo que ocurre en el núcleo del átomo. Aquí los protagonistas son los protones y neutrones, que pueden combinarse, reorganizarse o separarse. Esto puede dar lugar a nuevos elementos: el átomo literalmente se transforma en otro distinto. A este proceso se lo llama transmutación. Curiosamente, los alquimistas de la antigüedad soñaban con algo similar: convertir plomo en oro. Aunque no lo lograron con sus métodos, la naturaleza sí lo hace, todos los días, en el corazón de las estrellas.
En las reacciones nucleares se conserva la carga eléctrica y también la energía total del sistema. Pero a diferencia de las reacciones químicas, en las nucleares no se conserva la masa. Una pequeña porción de la masa de los reactivos desaparece… o mejor dicho, se transforma en energía. Así lo explicó Albert Einstein con su famosa fórmula:
donde es la masa y es la velocidad de la luz. Esto significa que una pequeña cantidad de masa puede convertirse en una enorme cantidad de energía, ya que la velocidad de la luz al cuadrado es un número gigantesco. Este principio está en el corazón de la energía que produce el Sol y todas las demás estrellas.
Figura 1: En la imagen se observa una reacción nuclear de fusión (que se
produce en el Sol). Cuando se chocan un núcleo atómico de Hidrógeno-1 y
un núcleo de Hidrógeno-2 se unen para formar un núcleo de Helio-3 y
libera energía (que es parte de la radiación solar que llega a nuestro
planeta).
Figura 2: Animación de otra reacción nuclear donde un Hidrógeno-2 y un
Hidrógeno-3 tienen una reacción nuclear generando un Helio-4 y un
neutrón.
Una de las tantas reacciones nucleares que ocurren en el Sol es:
Si combinamos un kilomol de Hidrógeno-1 (que tiene una masa de 1.007825 kg) y un kilomol de Hidrógeno-2 (con una masa de 2.014102 kg), obtenemos un kilomol de Helio-3 (que tiene una masa de 3.016029 kg). La masa total de los reactivos puede calcularse como 1.007825 kg + 2.014102 kg = 3.021927 kg por kmol. Al final de la reacción nuclear deberíamos obtener la misma masa, pero la masa del kilomol de Helio-3 es 3.016029 kg. Esta pequeña diferencia de masa de 0.005898 kg (aproximadamente 5,9 gramos) que falta, se ha convertido en energía.
En la reacción el 0,19% de la masa "desaparece" convirtiendose en energía. Gracias a la ecuación de Einstein podemos calcular cuánta energía se ha liberado:
Según datos del banco mundial la humanidad consume de energía por persona cada año. La cantidad de energía liberada por la reacción nuclear es suficiente para abastecer el consumo energético anual de 7000 personas. Y esta reacción ocurre millones de veces por segundo en el núcleo del Sol.
Casi todos los átomos que existen en el universo se formaron dentro de las estrellas. Al principio del universo, solo había hidrógeno y algo de helio. Pero gracias a las reacciones nucleares, las estrellas fueron creando nuevos elementos. Los cinco más abundantes en el universo hoy en día son:
Todos estos elementos son fundamentales para la vida tal como la conocemos. El hidrógeno es el combustible principal de las estrellas. El carbono y el oxígeno son componentes esenciales de las moléculas orgánicas. ¡Y todos ellos fueron creados por reacciones nucleares a partir del hidrógeno!
El hidrógeno es el ingrediente a partir del cual se crean los demás núcleos atómicos más pesados (con más protones y neutrones). El principal elemento creado en estrellas como el Sol es el helio, mediante la reacción descripta más arriba. En menor medida, se forman otros elementos de la tabla periódica. A continuación se presentan algunas reacciones nucleares de creación de elementos químicos:
Estas reacciones forman parte de los ciclos nucleares que permiten que las estrellas evolucionen, cambien de color, aumenten su temperatura y, eventualmente, colapsen o exploten liberando todos esos elementos al espacio, donde más tarde pueden formar planetas, agua, vida… e incluso personas como vos.
Las reacciones nucleares no solo explican cómo brilla el Sol, sino también cómo se formaron todos los átomos que componen tu cuerpo, la Tierra y las estrellas. Estudiarlas nos permite comprender el origen del universo y el papel que juega la energía en la evolución de la materia.
A continuación, se listan las masas atómicas de cada núcleo.
| Núcleo | Masa de un kilomol |
|---|---|
| 1.007825 kg | |
| 2.014102 kg | |
| 3.016029 kg | |
| 4,002602 kg | |
| 7.016929 kg | |
| 8.005305 kg | |
| 12 kg | |
| 15.994914 kg | |
| 19.992440 kg |
Como resultado de los cálculos, se observa que el porcentaje de variación de masa disminuye a medida que los núcleos atómicos que se fusionan son más pesados. Esta pérdida de masa se transforma en energía, según la relación establecida por la fórmula de Einstein . Por este motivo, las reacciones de fusión entre núcleos livianos —como el hidrógeno— son más eficientes en términos energéticos, ya que liberan una mayor cantidad de energía por kilogramo de material reaccionante.
En ciencia, usamos el kilomol como una forma de contar grandes cantidades de átomos o moléculas, así como usamos la palabra docena para contar huevos en el supermercado. Un kilomol equivale a mil moles, es decir, contiene átomos o moléculas. La ventaja es que si hablamos de un kilomol de un elemento, su masa en kilogramos es igual a su número másico. Por ejemplo, un kilomol de helio-4 tiene una masa de 4 kg. Esto facilita mucho los cálculos cuando trabajamos con reacciones químicas o nucleares a gran escala.