La pregunta de dónde provienen los átomos requiere mucha física para responderla completamente, e incluso entonces, los físicos como yo solo tenemos buenas conjeturas para explicar cómo se forman algunos átomos.
¿Qué es un átomo?
Un átomo consta de un núcleo pesado, compuesto por partículas llamadas protones y neutrones. Un átomo tiene partículas más ligeras llamadas electrones , que orbitan alrededor del núcleo.
Cada electrón tiene una unidad de carga negativa, cada protón una unidad de carga positiva y los neutrones no tienen carga. Un átomo tiene el mismo número de protones que de electrones, por lo que es neutro: no tiene carga total.
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Ahora bien, la mayoría de los átomos del universo son de los dos tipos más simples: hidrógeno, que tiene un protón, cero neutrones y un electrón; y helio, que tiene dos protones, dos neutrones y dos electrones. Por supuesto, en la Tierra hay muchos átomos además de estos que son igual de comunes, como el carbono y el oxígeno, pero hablaré de ellos pronto.
Un elemento es lo que los científicos llaman un grupo de átomos que son todos iguales, porque todos tienen el mismo número de protones.
¿Cuando se formaron los primeros átomos?
La mayoría de los átomos de hidrógeno y helio del universo se formaron alrededor de 400.000 años después del Big Bang , que es el nombre que los científicos dan al momento en que comenzó el universo, hace unos 14 mil millones de años.
¿Por qué se formaron en ese momento? Los astrónomos, al observar la explosión de estrellas distantes, saben que el tamaño del universo ha ido aumentando desde el Big Bang . Cuando se formaron los átomos de hidrógeno y helio, el universo era aproximadamente 1000 veces más pequeño que ahora.
Y basándose en su comprensión de la física, los científicos creen que el universo era mucho más caliente cuando era más pequeño.
Antes de este momento, los electrones tenían demasiada energía para asentarse en órbitas alrededor de los núcleos de hidrógeno y helio. Por lo tanto, los átomos de hidrógeno y helio solo pudieron formarse cuando el universo se enfrió a unos 5000 grados Fahrenheit (2760 grados Celsius). Por razones históricas, este proceso se denomina erróneamente recombinación ; «combinación» sería más descriptivo.
Los núcleos de helio y deuterio —una forma más pesada del hidrógeno— se formaron incluso antes, apenas unos minutos después del Big Bang, cuando la temperatura superaba los 556 millones de °C (1000 millones de °F). Los protones y los neutrones solo pueden colisionar y formar núcleos como estos a temperaturas muy altas.
Los científicos creen que casi toda la materia ordinaria del universo está compuesta por aproximadamente un 90% de átomos de hidrógeno y un 8% de átomos de helio.
¿Cómo se forman átomos más masivos?
Así pues, los átomos de hidrógeno y helio se formaron durante la recombinación, cuando la temperatura más baja permitió que los electrones cayeran en órbita. Pero tú, yo y casi todo en la Tierra estamos hechos de átomos mucho más masivos que solo hidrógeno y helio. ¿Cómo se formaron estos átomos?
La sorprendente respuesta es que los átomos más masivos se forman en las estrellas . Para formar átomos con varios protones y neutrones unidos en el núcleo se requieren las colisiones de alta energía que ocurren en lugares muy calientes . La energía necesaria para formar un núcleo más pesado debe ser lo suficientemente grande como para superar la fuerza eléctrica repulsiva que las cargas positivas, como dos protones, sienten entre sí.
Los protones y neutrones también poseen otra propiedad —similar a un tipo de carga diferente— que los mantiene unidos una vez que se acercan mucho. Esta propiedad se denomina fuerza fuerte , y el proceso que une estas partículas se llama fusión.
Los científicos creen que la mayoría de los elementos, desde el carbono hasta el hierro, están fusionados en estrellas más pesadas que nuestro Sol, donde la temperatura puede superar los 1.000 millones de grados F (556 millones de grados C), la misma temperatura que tenía el universo cuando tenía sólo unos minutos de vida.
Pero incluso en estrellas calientes, no se forman elementos más pesados que el hierro y el níquel. Estos requieren energía adicional, ya que los elementos más pesados se fragmentan con mayor facilidad.
En un dramático evento llamado supernova , el núcleo interno de una estrella pesada colapsa repentinamente tras quedarse sin combustible. Durante la potente explosión que desencadena este colapso, se pueden formar elementos más pesados que el hierro y ser expulsados al universo.
Los astrónomos aún están descifrando los detalles de otros eventos estelares fantásticos que forman átomos más grandes. Por ejemplo, la colisión de estrellas de neutrones puede liberar enormes cantidades de energía —y elementos como el oro— en su camino hacia la formación de agujeros negros .
Comprender cómo se forman los átomos solo requiere un poco de relatividad general, además de física nuclear, de partículas y atómica. Pero para complicar aún más las cosas, existe otra materia en el universo que no parece estar compuesta de átomos normales: la materia oscura . Los científicos están investigando qué es la materia oscura y cómo podría formarse.
