El regalo de Thor y Urano

El uranio tiene mala fama, como todos los elementos radiactivos. Con raz¨®n, en parte, porque lamentablemente el uranio fue el principal combustible de la primera bomba nuclear lanzada sobre una poblaci¨®n, la conocida como Little Boy, que cay¨® sobre Hiroshima el 6 de agosto de 1945. Adem¨¢s, el uranio se usa para obtener energ¨ªa en las centrales nucleares, que tambi¨¦n son vistas con malos ojos por muchas personas.

A pesar de su mala reputaci¨®n, el uranio es una fuente de conocimiento grandiosa para astrof¨ªsicos o ge¨®logos, ya que es uno de nuestros mejores relojes para datar desde huesos humanos hasta rocas lunares, los meteoritos m¨¢s antiguos que el Sistema Solar o el mismo universo. Y gracias al uranio y otros como ¨¦l, la vida en la Tierra existe tal y como la conocemos. Rompemos una lanza por la radiactividad y explicamos por qu¨¦.

Un profesor m¨ªo de la Facultad de Ciencias F¨ªsicas de la Universidad Complutense de Madrid dec¨ªa que la evoluci¨®n de las estrellas es el resultado de una continua lucha entre dos grandes conceptos f¨ªsicos: la gravedad y la presi¨®n de un gas. De manera an¨¢loga, el n¨²cleo de los ¨¢tomos es el resultado de una lucha entre titanes: la interacci¨®n electromagn¨¦tica y las conocidas como interacciones fuerte y d¨¦bil.

La interacci¨®n que une los nucleones en los ¨¢tomos, y los quarks dentro de cada nucle¨®n, se denomina fuerte

Efectivamente, en los n¨²cleos de todos los ¨¢tomos menos el hidr¨®geno coexiste la repulsi¨®n electrost¨¢tica entre part¨ªculas con la misma carga, los protones, con la atracci¨®n entre nucleones, como se conoce tanto a protones como neutrones. Esa atracci¨®n es m¨¢s de 100 veces m¨¢s intensa que la repulsi¨®n electromagn¨¦tica a distancias del orden de una milbillon¨¦sima de metro, lo que se conoce como un femt¨®metro (?con un prefijo creado en 1964 y procedente del dan¨¦s y noruego, no del griego ni creado hace milenios como a los que estamos acostumbrados!). A esa escala, la gravedad es despreciable, sextillones de veces menos intensa. Por esta raz¨®n, la interacci¨®n que une los nucleones en los ¨¢tomos, y los quarks dentro de cada nucle¨®n, se denomina fuerte.

La lucha entre las interacciones fuerte y electromagn¨¦tica queda en tablas para muchas combinaciones de protones y neutrones, dando lugar a la tabla peri¨®dica de los elementos. Pero otras combinaciones de nucleones son inestables, f¨¢cilmente se rompe su equilibrio y el n¨²cleo at¨®mico tiende a descomponerse en partes, emitiendo radiaci¨®n en forma de part¨ªculas con masa (por ejemplo, electrones, neutrinos o ¨¢tomos de helio) y/o sin masa, como los fotones. Es lo que se conoce como decaimiento radiactivo.

El primer elemento radiactivo que se descubri¨® fue el uranio, gracias a los experimentos de Henri Becquerel a finales del siglo XIX, que luego continu¨® Marie Sk?odowska-Curie, la primera persona que recibi¨® dos premios Nobel. El uranio es el segundo elemento radioactivo m¨¢s abundante, despu¨¦s del torio. En la corteza terrestre hay casi 50 elementos no radiactivos m¨¢s abundantes que ambos, solo 3-4 gramos de cada tonelada de roca terrestre es uranio, cuatro veces m¨¢s en el caso del torio.

Un elemento qu¨ªmico se caracteriza por su n¨²mero at¨®mico, que es el n¨²mero de protones en su n¨²cleo. El uranio (U) tiene 92 protones y el torio (Th) 90. Un mismo elemento qu¨ªmico puede existir en forma de varios is¨®topos, que se distinguen entre s¨ª por el n¨²mero de neutrones en su n¨²cleo. En la Tierra, podemos encontrar uranio con esos 92 protones acompa?ados de entre 140 a 146 neutrones, formando los 6 principales is¨®topos de uranio, todos inestables. Los m¨¢s abundantes son el U-238, m¨¢s del 99% del uranio est¨¢ en esta forma, y el U-235 pr¨¢cticamente todo el resto. Ambos tienden a desintegrarse en tiempos del orden de los 1000 millones de a?os. Algo parecido ocurre con el torio: hay 7 is¨®topos, pero uno domina sobre todos los dem¨¢s, solo dos de cada 10000 ¨¢tomos de torio no son Th-232, que se desintegra en tiempos parecidos a la edad del universo, del orden de 15000 millones de a?os.

Nuestro planeta ha estado liberando energ¨ªa durante los 4.500 millones de a?os de existencia, enfri¨¢ndose en el proceso desde la gran bola de roca a miles de grados que era en un principio

Cuando un solo ¨¢tomo de torio o uranio decae, libera cuatro megaelectronvoltios (MeV) de energ¨ªa (?a ver cu¨¢ndo la factura de la luz viene en MeV, la unidad de energ¨ªa/masa que usan los f¨ªsicos de altas energ¨ªas!), lo cual puede aumentar la temperatura de un litro de agua una trillon¨¦sima de grado cent¨ªgrado. Parece muy poco, pero la cosa cambia si sumamos todo el torio y todo el uranio que est¨¢ desintegr¨¢ndose en nuestro planeta, seguramente la mayor parte en el manto y la corteza terrestre.

Nuestro planeta ha estado liberando energ¨ªa durante los 4.500 millones de a?os de existencia, enfri¨¢ndose en el proceso desde la gran bola de roca a miles de grados que era en un principio. La Tierra pierde energ¨ªa a un ritmo de decenas de billones de vatios, el equivalente a lo que producir¨ªan un par de miles de plantas de energ¨ªa tan potentes como la hidroel¨¦ctrica de Las Tres Gargantas, la mayor nunca construida. Sin el continuo calentamiento del interior terrestre que producen elementos radiactivos como el uranio-238, el torio-232 o el potasio-40, es posible que la Tierra ya se hubiera solidificado completamente hace mucho tiempo. Hoy menos de la mitad o incluso solo un cuarto del calor interno de nuestro planeta proviene de la energ¨ªa inicial que adquiri¨® por el colapso gravitatorio y los choques de planetesimales. El resto, que domina el calentamiento, proviene del decaimiento radiactivo, principalmente de los 3 elementos antes mencionados. No es casualidad, esos elementos radiactivos tienen tiempos t¨ªpicos de decaimiento parecidos a la edad de la Tierra, por lo que todav¨ªa podemos contar con ellos para que hagan su trabajo.

El que el interior terrestre est¨¦ caliente y parcialmente fluido es responsable de que tengamos tect¨®nica de placas, que se deja notar en fen¨®menos como los terremotos y los volcanes. Ya rompimos lanzas en honor de ellos, no en vano la composici¨®n de nuestra atm¨®sfera est¨¢ ¨ªntimamente ligada a la existencia de esos fen¨®menos que tambi¨¦n han sido claves para regular la temperatura terrestre. Como consecuencia, la temperatura es templada en nuestro planeta, en media unos 16 ?C. Tener un interior parcialmente fundido y en movimiento tambi¨¦n nos permite tener una magnetosfera, que nos protege de la radiaci¨®n y el viento solares m¨¢s energ¨¦ticos.

La radiactividad, y en concreto elementos radiactivos como el uranio, nombrado en honor del dios de los cielos Urano, o el torio, nombrado en honor del dios de los truenos Thor, son claves en la evoluci¨®n de nuestro planeta y, por tanto, en la aparici¨®n y evoluci¨®n de la vida tal y como la conocemos. La radiactividad es, claramente, un regalo de los dioses.

Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez es investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas y del Instituto Nacional de T¨¦cnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA)

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de 1 ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa; Patricia S¨¢nchez Bl¨¢zquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa

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