La química de aprendizaje

elemental

Educ. quím., 23(1), 62-68, 2012. © Universidad Nacional Autónoma de México, ISSN 0187-893-X Publicado en línea el 14 de diciembre de 2011, ISSNE 1870-8404

El origen de los elementos y los diversos

mecanismos de nucleosíntesis

Sigfrido Escalante y Laura Gasque*

ABSTRACT (The origin of chemical elements and the nucleosynthesis mechanisms)

The proposed mechanisms about the origin of the chemical elements and the main experimental facts that support them are presented here. All those processes that eventually gave new atomic nuclei are intimately related to the history of the Universe itself. Accordingly with the Big Bang theory, the most widely accepted theory about the origin of the Universe three different stages of formation of atomic nuclei can be distinguished. One of these occurred in the early Universe, the other inside stars and the last one in the interstellar space. There are many questions for which the answer is still pending. However the main mechanisms of nuclear synthesis that have been proposed have sound basis in theoretical concepts and in many experimental facts and observations as well. All of this allows acceptable explanations about the origin and relative abundances of the chemical elements y the Universe nowadays.

KEYWORDS: nucleosynthesis, nuclear fusion, stars, origin of the elements

Introducción y propósito

Los estudiantes de licenciaturas de Química emplean la ma­ teria tanto en forma elemental como en sus infinitas formas combinadas para transformarla y aprovecharla. En la mayoría de los casos se presta poca o nula atención a la historia que la ciencia ha construido sobre su origen. Varias razones explican lo anterior. Por una parte, los mecanismos de nucleosíntesis son campo de estudio de la astrofísica, la cual es, en general, ajena a los químicos. Recientemente, algunos libros de texto de Química Inorgánica han incluido una pequeña sección de­ dicada a este tema, de manera tan breve que no se alcanza a cubrir el tema de manera adecuada (Greenwood, 1984; At­ kins, 2006). Por otra parte, la literatura sobre este tema es muy especializada y casi siempre está en inglés. Además, la literatura de divulgación en español está a un nivel demasiado superficial (Escalante, 2011).

Por lo tanto, hace falta material de apoyo sobre este tema con un enfoque y un nivel adecuados para los primeros se­ mestres de la licenciatura.

Con esta premisa, se presenta este artículo que pretende contribuir a que los cursos de Química Inorgánica cuenten con una referencia accesible que:

— Describa los tres principales mecanismos de nucleosíntesis. — Ponga énfasis en cuáles fueron las observaciones experi­

mentales que llevaron a desarrollar las teorías y modelos sobre la evolución del Universo.

* Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México. Ciudad Universitaria, Av. Universidad # 3000, 04510 México, D.F. México.

Fecha de recepción: 14 de mayo de 2011.

Fecha de aceptación: 1 de octubre de 2011. 62 elemental

— Relacione la abundancia actual de los elementos con con­ ceptos que ya manejan los estudiantes sobre estabilidad y cinética de reacciones.

El origen de los elementos químicos está indisolublemente asociado con el origen y evolución del Universo. Las diversas condiciones que han prevalecido en cada etapa de su devenir han propiciado unos eventos y limitado otros, dando como resultado la forma actual del Universo.

Es importante mencionar primero cómo es que la ciencia ha podido llegar a proponer la historia de eventos que tuvie­ ron lugar hace decenas de miles de millones de años. Hoy, la teoría más aceptada sobre el origen y evolución del Universo propone que éste empezó con un evento inicial llamado la Gran Explosión, el Big Bang.

Esta propuesta es posible gracias a que se dispone de un conjunto de evidencias experimentales. Pero, ¿cuáles son estas evidencias?

1. Una de éstas es la que llevó a proponer que actualmente

el Universo se encuentra en expansión. Fue postulada en 1929 por E. Hubble, basándose en el corrimiento hacia el rojo de los espectros de absorción de la luz proveniente de las galaxias distantes. Ver recuadro 1.

2. Una segunda evidencia es el descubrimiento de la radia­ ción cósmica de fondo predicha por G. Gamow, R. Al­ pher y R. Herman en 1948 y descubierta por A. Penzias y R. Wilson en 1965. Ver recuadro 2.

3. La tercera es el resultado de muchas observaciones sobre la composición de las estrellas por medio de técnicas es­ pectroscópicas que muestran que la abundancia actual de dos elementos químicos ligeros expresada en porcen­ taje de masa es de 73.9% de hidrógeno y 24.0% de helio. Es decir, hay aproximadamente 11 átomos de hidrógeno por cada uno de helio. El 2.1% de la masa restante

educación química • enero de 2012



Recuadro 1. Los espectros atómicos y el efecto Doppler.

Se sabe que la luz blanca al pasar a través de un prisma se descompone en los colores del arco iris, lo que indica que está compuesta por ondas luminosas o fotones de diferentes longi­ tudes de onda. Cuando un elemento químico en particular es iluminado con luz blanca, los electrones de sus átomos absor­ ben selectivamente ondas de ciertos tamaños y dejan pasar todas las demás. Los tamaños de las ondas que cada elemento puede absorber, son específicos y constituyen su huella digital. (Ver figura 1 a color en la tercera página de forros.)

(a)

(b)

Figura 1. (a) Espectro de una estrella lejana similar al Sol.

Sus líneas están desplazadas hacia el rojo. (b) Espectro del Sol.

Al comparar el espectro de absorción del Sol con los de estrellas semejantes en galaxias muy lejanas, se observan las mismas líneas pero con una interesante diferencia: las líneas del espectro de las estrellas lejanas están corridas hacia el rojo. Este fenómeno llevó a la conclusión de que esas ga­ laxias están alejándose de aquí ya que se sabe que cualquier objeto que se aleje de un observador y que emita ondas, como la luz, hará que el observador perciba

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