Origen de los Elementos más pesados que el Helio

M. en C. Rafael Govea Villaseñor

La nucleosíntesis primordial duró apenas unos segundos, así que del “caldo de Hadrones” sólo se formaron núcleos de Helio y una pizca ínfima de otros núcleos más complejos y pesados que el Helio (número atómico Z >> 2). Al final de la Gran Explosión el Universo estaba hecho de dos elementos: Hidrógeno y Helio, en proporción de ¾ de la masa del Universo era H y ¼ de la masa era He. Los demás elementos biogenéticos se formaron después.

La formación elementos requiere de elevadas temperaturas, pero la expansión del Universo pronto hizo descender la temperatura del mismo. Así pues, mil millones de años después de la gran explosión el Cosmos ya estaba muy frío, tenía apenas 15ºK.

¿Dónde entonces pueden existir los millones de grados necesarios para formar los núcleos de otros elementos? Pues en las estrellas, ya que sólo en el centro de ellas existe la temperatura requerida, porque el peso del gas que lo rodea provoca una enorme presión y en consecuencia eleva la temperatura del centro de estos astros hasta millones de grados, lo suficiente para iniciar y mantener Reacciones de Fusión Nuclear.

En otras palabras, la aparición de las estrellas permitió que se llevara a cabo la Nucleosíntesis Estelar, proceso mediante el cual núcleos de H y He se fusionan dentro de las estrellas formando los núcleos atómicos de los elementos más pesados que el helio (Z >2).

Tú conoces la ecuación de Einstein: E = m c^2, es muy famosa y quiere decir que la masa puede
ser convertida en energía. Por ejemplo: en una reacción de fusión nuclear que produzca el núcleo de 4He^2+ a partir de la unión de 4 núcleos de 1H^+ se libera energía como consecuencia de que los cuatro núcleos de hidrógeno pesan más que el núcleo de helio formado. La diferencia de masa se transforma en energía:

4 núcleos de H1 -->-->--> 1 núcleo de He4 + energía + 1 neutrinos

La energía liberada en esas reacciones sirve para mantener la presión que sostiene a las capas superiores de la estrella. Todas las estrellas inician su historia fusionando hidrógeno en una serie de reacciones nucleares cuya ecuación global la puedes ver en la primer figura. ¿Cuántos protones y neutrones tiene un núcleo de He^2+? __________________________.

Al agotarse el hidrógeno del centro, disminuye la producción de energía y la presión se reduce ocasionando que el núcleo estelar se comprima bajo el peso de las capas superiores, eso logra que la temperatura aumente y entonces sea posible, por ejemplo, que el helio funcione como combustible de otra reacción de fusión nuclear
(nota como se suman las masas de los núcleos).

2 núcleos de He4 -------> núcleo de Be8 + energía + neutrinos

Cuando se agota el helio, el centro de la estrella vuelve a comprimirse y al aumentar la temperatura empieza otra reacción:

Nucleo de Be8 + núcleo de He4 -----> núcleo de C12 + energía + neutrinos

Este ciclo se repite varias veces formándose progresivamente los núcleos atómicos de elementos químicos cada vez más pesados.

Por ejemplo: ¿qué elemento se forma al fusionar carbono y helio?

Núcleo de C12 + núcleo de He4 ---> núcleo de __________16 + energía + neutrinos

Y así sucesivamente hasta que al formarse el Fierro:

Núcleo del Cr52 + núcleo de He4 ----> núcleo de Fe56 + energía + neutrinos

Entonces, se suspenden todas las reacciones nucleares porque de aquí en adelante las reacciones de fusión consumen energía en vez de producirla. La estrella queda entonces con una estructura semejante a la de una cebolla (varias capas concéntricas de diferente composición elemental).

Así pues se forma al centro de la estrella una esfera hecha de núcleos de Fierro (Fe). Como las reacciones nucleares en las que intervienen los núcleos de fierro son endotérmicas se suspenden todas las reacciones de fusión y ya no se libera más energía en el centro de la estrella.

Cuando esto ocurre el centro de Fe no puede sostener a las envolturas gaseosas superiores y es comprimido a tal grado que el Fe del centro se transforma en una esfera de neutrones (nº).

Como esa esfera central hecha de neutrones (nº) es incompresible, las capas superiores, que caían hacia el centro, rebotan en éste y se expanden hacia el espacio interestelar en una explosión que libera (durante unos meses) la energía equivalente a ¡100,000 millones de estrellas = Toda una galaxia!

Estas estrellas en explosión se llaman Supernovas porque se liberan inmensas cantidades de energía (durante 1 ó 2 meses) y el brillo de la estrella en explosión es equivalente al brillo de una galaxia completa. De modo que con frecuencia se hace visible en el firmamento como si fuera una estrella nueva, pues antes de la explosión ella no era visible. En ese instante la temperatura es tan alta y hay tantos neutrones (nº) que pueden formarse los núcleos de los elementos más pesados que el Fe. Por ejemplo:

Núcleo de Fe56 + 141 nº ----> núcleo de Au197, que produce al elemento llamado:______________

ó también:

Núcleo de Fe56 + 182 nº ----> núcleo de U237 , que forma al elemento denominado: ___________________.

En otras palabras, todos los elementos que forman nuestro planeta y a los seres vivos, menos el hidrógeno y el helio, se formaron en el interior de las estrellas, fíjate: “somos polvo de estrellas”
Analiza la tabla y escribe el símbolo de los 10 elementos más abundantes en el Universo: _______, _______, _______, _______, _______, _______, _______, _______, _______, __________.

Y a los 10 elementos más abundantes del cuerpo humano: ________, _______, _______, _______, _______, _______, _______, _______, _______, _______.

Tabla 4. Abundancia de los primeros 30 elementos químicos de cada 100, 000 átomos. Tomado de Zentella (1984).

Elemento	Universo	Tierra	Corteza	Océano	Cuerpo humano
H	92 714	120	2 882	66 200	60 563
He	7 185	-	-	-	-
Lit	-	-	9	-	-
Ber	-	-	-	-	-
B	-	-	-	-	-
C	8	99	55	1.4	10 680
N	15	0.3	7	-	2 440
O	50	48 880	60 425	33 100	25 670
F	-	3.8	77	-	-
Ne	20	-	-	-	-
Na	0.1	640	2 554	290	75
Mg	2.1	12 500	1 784	34	11
Al	0.2	1 300	6 251	-	-
Si	2.3	14 000	20 475	-	-
P	-	140	79	-	220
S	0.9	1 400	33	17	130
Cl	-	45	11	340	33
Ar	0.3	-	-	-	-
K	-	56	1 374	6	37
Ca	0.1	0.1	1 878	6	230
Sc	-	-	-	-	-
Tit	-	-	191	-	-
V	-	-	4	-	-
Cr	-	-	8	-	-
Mn	-	-	37	-	-
Fe	1.4	1.4	1 858	-	-
Co	-	-	1	-	-
Ni	0.1	0.1	3	-	-
Cu	-	-	1	-	-
Zn	-	-	2	-	-
Total	99 999.5	99998.1	99 999	99994.4	99 999

Los Elementos biogenéticos (gen = producir) y los seis más importantes según ciertos criterios además de representar el 99% de su masa pueden recordarse fácilmente memorizando la palabra "CHONPS". Escribe el nombre de esos seis elementos biogenéticos más abundantes:
____________, ______________, ______________, ___________, _____________, _____________.
¿En qué lugar del Universo se formaron los elementos biogenéticos? En __________________________.