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Como el comportamiento del sol es similar a reactor nuclear
Tipo: Monografías, Ensayos
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El hombre desde muy antiguo se ha preguntado?, Como es que el sol desde siempre y sin inmutarse nos de luz y calor?, ¿Qué mecanismos ocultos hacen posible tal cosa?. La diminuta fracción de la energía solar que cae sobre la Tierra, es unas cien mil veces mayor que toda la energía empleada en las industrias del mundo.. Dicho de otro modo, la energía que el Sol emite en un segundo es mayor que todo el conjunto de la energía que la especie humana ha consumido a lo largo de toda su historia. Conocida ya la inmensa energía que el Sol encierra en su núcleo, se nos presenta el problema de explicar como se conserva está energía durante los inmensos períodos de tiempo que exige la Geología (Se calcula que la edad de la Tierra es de unos cinco mil millones de años). Para explicar el metamorfismo de nuestro planeta.
En el principio se pensaba que el Sol estaba constituido por carbón, pero si radiase la misma energía de combustión que radia el Sol en 2.000 años estaría del todo consumido. Con el tiempo, mientras se iba progresando en conocimiento se pensó que el Sol podría extraer su energía en formas violentas de combustiones químicas, pero solo se conseguía alargar la vida del Sol unos miles de años más. Posteriormente en el año 1.848 el medico y físico Alemán Robert Von Mayer (1.814-1.878) conocido por sus trabajos sobre Termodinámica, propuso que la formación de la energía solar era debida al impacto frecuente de meteoritos en su superficie, pero no tuvo en cuenta que la caída continuada de tales meteoritos daría como resultado un aumento de masa tal que bastarían tan solo 2.000 años para que el movimiento orbital de la Tierra se retrasara una octava parte de su valor, del mismo modo también se alterarían los movimientos de Mercurio y Venus alrededor del Sol lo cual no se confirma por ninguna de las observaciones efectuadas. Otra de las hipótesis está vez formulada por los Físicos Herman Helmhotz (1.821-1.894) y W. Thomson (1.824-1.907) se basaba en la contracción del Sol debido a su enorme fuerza gravitatoria. Los cálculos demostraban que con la reducción del diámetro del Sol de unos cincuenta metros al año sería suficiente para explicar la energía que en el se produce. Estos cálculos en el tiempo en que fueron efectuados podrían haber sido correctos, ya que se consideraba la edad del Sol de solo cien millones de años, En la actualidad se calcula que tiene unos cinco mil millones de años lo mismo que la Tierra por tanto también dicha teoría quedaba del todo descartada. Otra teoría también descartada es la que proponía el Físico W.E. Wilson y que consistía en suponer que en el Sol existían gran cantidad de elementos radiactivos y que estos como el radio en su descomposición generaban gran cantidad, de energía. Pero hay que tener en cuenta que la energía radiada por estas materias al cabo de unos millones de años se reduce a la mitad y según los datos espectroscópicos realizados en el Sol no existen elementos radiactivos apreciables, ya que la fusión no los genera.
En la actualidad se sabe que la energía del Sol está generada por procesos nucleares que tienen su origen en su mismo núcleo. Ya en los años veinte se teorizaba que los protones eran el principio básico a partir del cual las estrellas generaban su energía, En el año 1.926 Sir Arthur Eddington publico una obra titulada “La constitución interna de las estrellas”. Era una brillante exposición de los conocimientos físicos de aquel entonces sobre el interior de las estrellas. Se sabia ya como en principio funcionaba una estrella. Faltaba sin embargo saber como se generaba su energía.
En el año 1.930 un antiguo ingeniero de la Metropolitan Vickers llamado Cockroft y que en un tiempo fue ayudante de Rutherford, intento convencerlo que utilizara su influencia y reuniera 1.000 libras para construir el primer destructor de átomos. En un par de años el mismo Cockroft junto a su ayudante de investigación, un Irlandes llamado Ernest Waltón consiguieron tenerlo a pleno funcionamiento generando una potencia de 800.000 Voltios (800Kv.) donde consiguieron crear algunos núcleos de helio. En el año siguiente el Físico estadounidense Robert Van de Graaff con un generador eléctrico consiguió una potencia de 3.000.000 Voltios y en la misma época el joven Físico E. O. Lawrence inventaba el ciclotrón, y cada vez las máquinas eran más potentes para conseguir desintegrar los átomos y permitir un gran número de reacciones nucleares. Así hacia el año 1.938 los enormes progresos realizados en el campo de la Física atómica permitieron desarrollar un gran número de reacciones nucleares, en especial aquellas que eran producidas por los elementos menos pesados, precisamente los que más abundan en el Sol. A dicho estudio se dedicaron independientemente los Físicos Weizsacker en Alemania y Hans Bethe en los EE.UU y ambos llegaron a determinar cuales podrían ser las series de reacciones nucleares necesarias para transformar el Hidrogeno. en Helio En el interior del Sol cuya temperatura se estima en 15 millones de grados. Muchas fueron las reacciones nucleares puestas a examen en el laboratorio por dichos científicos y encontraron que un grupo de reacciones en las que intervienen el carbono y el nitrógeno como catalizadores eran las más adecuadas para dar respuesta a la enorme energía generada por el Sol durante miles de millones de años, estas reacciones constituyen un ciclo, que se repite una y otra vez, mientras dura el hidrógeno. A este grupo de reacciones se las conoce como “ciclo de Bethe” o ciclo “carbono-nitrógeno-oxígeno” y es el equivalente a la fusión de cuatro núcleos de hidrógeno en un núcleo de helio y reaparece el átomo de carbono original.. El carbono que se comporta como un catalizador químico puede ser utilizado una y otra vez hasta que todo el hidrógeno haya sido convertido en helio. En estas reacciones de fusión se transforma la inconcebible cantidad de 657 millones de toneladas de hidrógeno en 652´5 millones de toneladas de cenizas de helio por segundo. Los cuatro millones y medio de toneladas de masa que faltan son convertidos en neutrinos y rayos gamma. Este proceso obedece a la ley de Einstein E=mc2 : la cantidad de energía (E) creada en el proceso es igual a la masa (m ) de la materia destruida multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz ( c ). La energía creada en cada segundo traducida en vatios es igual a 380 cuatrillones de vatios.
Este ciclo se divide en seis etapas que requieren 7 millones de años en completarse:
C12 + H = N13 + rayo gamma
N13= C13 + e+ + un neutrino C13 + H = N14 + rayo gamma N14 + H = O15 + rayo gamma
Además de la cadena protón-protón, a partir del segundo paso hay cadenas alternativas, mucho menos probables, pero que todas ellas desembocan en la generación de un núcleo de helio-4 (He4).
Mientras que la cadena principal (P-P) en el Sol se da con una frecuencia del 91%, la cadena P-P ll se da solo el 9% y la P-P l l l que es la más infrecuente solo se da el 0´1%.
CADENA PROTÓN-PROTÓN l l
He3 + He4 = Be7 + rayos gamma Be7 + e_ = Li7 + un neutrino Li7+ H = 2 He
Un núcleo de helio-3 se combina con uno de helio-4 para formar un núcleo de berilio con la emisión de rayos gamma, El Berilio (Be7) se combina con un electrón y se forma litio-7 con la emisión de un neutrino que se va al espacio y por último El litio- (Li7) choca con un protón y se forman dos núcleos de helio-4 (He4).
CADENA PROTÓN-PROTÓN l l l
He3 + He4 = Be7 + rayos gamma Be7+ H = B8 + rayos gamma B8 = 2He4 + e+ + un neutrino
Un núcleo de helio-3 se combina con uno de helio-4 para formar un núcleo de berilio con la emisión de rayos gamma. El núcleo de berilio captura rápidamente un protón para formar un núcleo de boro, emitiendo rayos gamma. Por último un núcleo de boro que es inestable se rompe inmediatamente en dos núcleos de helio-4 emitiendo un positrón que se aniquila inmediatamente con un electrón emitiendo dos fotones de rayos gamma más un neutrino que se va al espacio.
PROCESO TRIPLE-ALFA
El proceso triple –alfa depende fuertemente de la resonancia energética entre el núcleo de carbono-12 y los núcleos de berilio-8 y helio-4. Esta resonancia fue predicha por el astrofísico Fred Hoyle en el año 1.952 y encontrada experimentalmente por el físico nuclear William Fowler y colaboradores pocos años después.
Este proceso tiene lugar cuando la estrella abandona la secuencia principal. El rápido aumento en la cantidad de energía generada en la capa caliente de combustión de hidrógeno y la contracción del núcleo de helio hace que la estrella se expanda, y al hacerlo, su superficie se enfríe. Así la estrella se hace mayor, más roja, y más luminosa a medida que se mueve casi verticalmente hacia la parte superior del diagrama H-R, alcanzando la rama de gigante roja en unos mil millones de años. Cuando todo el hidrógeno de la estrella se ha consumido y el núcleo esta repleto de helio hace que este se contraiga o colapse y que la estrella en su núcleo aumente la temperatura hasta los 100 millones de grados. Esto hace que los núcleos de helio-
empiecen a fundirse unos con otros en el primer paso que lleva a la triple reacción del helio y a la formación de carbono-12 (C12). El proceso consta de dos pasos:
He4 + He4 = Be8 + rayos gamma Be8 + He4 = C12 + rayos gamma
Dos núcleos de helio-4 se fusionan y producen berilio-8 con la emisión de rayos gamma, El berilio producido es muy inestable y en una fracción de segundo decae otra vez en dos núcleos de helio, pero hay tal cantidad de núcleos de helio que en ocasiones el núcleo de berilio logra fusionarse con un núcleo de helio-4 y logra que se forme un núcleo de carbono-12 muy estable con liberación de energía en rayos gamma. La probabilidad de que se de el proceso triple alfa es extremadamente muy pequeña debido a la escasa cantidad de berilio-8. Pero el nivel energético del berilio- tiene exactamente la misma energía que dos partículas alfa, y en la segunda etapa, el berilio-8 y el helio-4 tienen exactamente la misma energía que el estado excitado del carbono-12. Estas resonancias incrementan sustancialmente las posibilidades de que una partícula alfa incidente se combine con un núcleo de berilio-8 para dar lugar a un núcleo de carbono. La existencia de esta resonancia “como se ha dicho” fue predicha por el astrofísico Fred Hoyle y años más tarde verificada en el laboratorio. -“ Se dice que Hoyle quedó tan impactado al descubrir la resonancia en los mecanismos de producción del carbono que abandonó el ateísmo de sus primeros tiempos y empezó a pensar en la existencia de una inteligencia exterior que lo hubiera planificado todo desde el principio.”-
Los diferentes modos de generar energía dentro de las estrellas, nos llevan a una diferenciación de sus estructuras internas: En las estrellas de gran masa que interviene el ciclo CN encontramos la convección cerca del centro y la radiación fuera, mientras en las estrellas tipo solar que impera la cadena P-P, la radiación transporta la energía por todo el interior y la convección por el exterior.
Y siguiendo los procesos en la formación de elementos cada vez más pesados en el interior de las estrellas. Se sigue que a medida que la estrella transforma más y más helio en carbono se desarrolla un núcleo de carbono en el centro del núcleo de helio y el núcleo al no poder generar tanta energía nuclear empieza a contraerse. Con el tiempo y debido a la contracción del núcleo la estrella llega a alcanzar una temperatura de varios cientos de millones de grados y los núcleos de carbono empiezan a fundirse en parejas para formar magnesio; al mismo tiempo, a partir del carbono y el helio se forman gran cantidad de núcleos de oxígeno, que a su vez se funden con otros núcleos de helio-4 para formar neón. Aunque los detalles completos de cómo se sintetizan núcleos todavía más pesados no se ha logrado, se puede dibujar a grandes rasgos una buena imagen completa de los acontecimientos durante estas últimas etapas de la vida de la estrella. A medida que se forman núcleos sucesivos en el centro de la estrella a cada nueva etapa en la producción de elementos más pesados, la estrella continúa aumentando de temperatura a causa de las contracciones continuas de su núcleo hasta que alcanza más de mil millones de grados. A estas