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El (segundo) elemento más escaso

No todos los elementos químicos son igual de abundantes: el hidrógeno compone el 75% de la materia del universo , el helio un 23% y en el 2% restante encontramos los otros 96 que ocurren de manera natural (el resto hasta los 118 totales se sintetizan de manera artificial).

Casi toda la materia del universo es igual que el gas que hay en este botellín. Menudo chasco. (Fuente)

En nuestro planeta, las cosas son un poco diferentes (básicamente porque es sólido), pero sorprenden: un 46% de la masa de la corteza terrestre está compuesta por oxígeno. Esto es porque una enorme cantidad de los metales y demás elementos que la componen están oxidados. El silicio es el segundo elemento más común en la corteza terrestre (27,7%) seguido del aluminio (8%), el hierro (5%) y le siguen unos cuantos elementos comunes como el calcio, el sodio, el magnesio y el potasio. A partir del titanio (0,44%), las cosas empiezan a ser relativamente escasas.
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¿Cómo explota una bomba atómica?

Desde que empecé con Ciencia de Sofá me han llegado varios mensajes preguntándome cómo funcionan las bombas atómicas. Ha llegado el día de explicarlo.

Recomiendo que, antes de seguir leyendo, echéis un ojo a esta entrada sobre uranio empobrecido y a esta otra sobre el agua pesada, donde explicaba qué son la radiación y los isótopos.

La primera prueba con un dispositivo de fisión nuclear, Trinity (1945). Fotografía tomada 16 milisegundos después de la detonación. El “hongo” en formación mide unos 100 metros de diámetro. Crédito: wikimedia commons.

Las bombas atómicas están basadas en la fisión de los núcleos atómicos de plutonio o de uranio enriquecido (que no es más que una manera de decir una masa de uranio que tiene mucho isótopo U-235). Y, cuidado, que hablamos de fisión, no de fusión. La fisión consiste en destrozar los núcleos de los átomos mientras que la fusión se dedica a unirlos.La fisión funciona de la siguiente manera.

Un átomo es radiactivo cuando tiene tantos neutrones que su núcleo no es estable, así que tenderá a soltar de algún neutrón sobrante lanzándolo en una dirección aleatoria. Lo que llamamos radiación, por tanto, son éstas partículas expulsadas por núcleos atómicos inestables.

No hay manera de predecir cuándo un átomo inestable soltará un neutrón pero, como es un proceso muy energético y puedes aprovecharlo para generar trabajo, es posible forzar la situación desestabilizándolo de manera artificial para que lo suelte cuanto antes. Para desestabilizarlo, basta con pegarle una buena castaña y a nivel subatómico. Esto se hace disparándole otro neutrón que se incruste en el núcleo, de manera que el átomo esté más incómodo aún y le entren más ganas de deshacerse de alguno de ellos.

Como hemos dicho, este proceso libera una gran cantidad de energía así que, ¿No sería estupendo que este neutrón forajido consiguiera golpear otro átomo radiactivo y que éste soltara también otro? Claro que lo sería, pero el ese neutrón saldrá disparado de nuestro átomo en una dirección aleatoria que no podemos predecir. La solución, obviamente, es rodear al átomo de los mismos núcleos inestables. Así, salga en la dirección que salga el proyectil, estamos seguros de que impactará contra otro núcleo atómico.

Pasar neutrones de uno en uno es útil si lo que quieres es una cantidad de energía muy controlada. Más o menos, es el método que usan en las centrales nucleares para producir energía: el lento intercambio de neutrones calienta el material radiactivo y ese calor se aprovecha para evaporar agua.

Pero si lo que queremos es desatar el poder de la fisión nuclear, control es lo último que buscamos.

El objetivo de una explosión atómica es que cada átomo libere la mayor cantidad de energía posible. Se fabrican las bombas para que de cada núcleo atómico quede despedazados y salgan disparados unos cuantos neutrones que puedan impactar contra varios átomos, romperlos, y hacer que éstos liberen más neutrones, los que a su vez impactarán contra otros átomos y así hasta que los 151.800 trillones de átomos (en el caso de la bomba de fisión pura más grande jamás fabricada) de material fisible se hayan agotado.

Para ello, una bomba atómica contiene en un núcleo de plutonio con masa supercrítica (la masa necesaria para que la fisión aumente de manera exponencial) rodeado de explosivos convencionales de alta potencia. Cuando estos explosivos detonan, comprimen el material y obligan a los neutrones a escapar de los átomos que los contienen, con lo que el núcleo central de material fisible se convierte en el deseado caos de neutrones siendo disparados en todas direcciones, destrozando los núcleos atómicos y liberando a su vez más neutrones mientras la temperatura se dispara.

La potencia de las bombas atómicas se mide en tons, o toneladas, dicho en castellano. Un ton equivale a la explosión igual a la de una tonelada de TNT, aunque la mayoría de veces se habla de kilotones, (es decir, miles de toneladas) debido a la naturaleza violenta de estas reacciones. El siguiente vídeo es lo más cercano que hemos encontrado a la detonación de una tonelada de material explosivo (aunque probablemente no sea TNT).


www.youtube.com/watch?v=FAYVMXYYAp4

Para comparar todo esto con la realidad, pondré un ejemplo tristemente célebre, el de Hiroshima y Nagasaki, que se utiliza mucho en la prensa a la mínima oportunidad, pero mucha gente no tiene muy claros los datos exactos tras el asunto.

La bomba atómica que cayó sobre Hiroshima tenía una potencia de 13 a 18 kilotones (13.000-18.000 toneladas de TNT) y la de Nagasaki de 20 a 22 kilotones (20.000 a 22.000 toneladas de TNT). Es decir, que tenían de 13.000 a 22.000 veces la fuerza de la bomba del vídeo.

En las dos ciudades se observó más o menos el mismo patrón de daños: un radio de 1.6 kilómetros desde el punto de la explosión quedó devastado (menos las estructuras de hormigón armado), los edificios a una distancia de 1.6 a 3.2 kilómetros del mismo punto sufrieron daños graves y a partir de esa distancia los daños fueron superficiales. Los cristales de las ventanas se rompieron hasta casi 20 kilómetros de distancia.

Crédito: wikimedia commons.

En Hiroshima fueron destruidos el 67% de los edificios, mientras en Nagasaki este porcentaje representa el 40.2% entre dañados y destruidos.

Usando estos datos como referencia, podemos comparar, más o menos, el poder destructivo máximo del arsenal atómico actual.

La King Ivy, por ejemplo, es la bomba atómica (de fisión) más potente jamás probada con una potencia de 500 kilotones o 500.000 toneladas de TNT. Es decir, entre 27 y 38 veces más tonelaje que las de Hiroshima y Nagasaki. Eso no significa que si una bomba atómica arrasa un radio de 1 kilómetro, una 27 veces más potente vaya a arrasar 27 kilómetros. Hay que tener en cuenta que cuanto más se aleja la onda expansiva del punto de la explosión, más le cuesta a esta avanzar.

Aunque esta potencia no es ninguna broma, las armas basadas en la fisión son meras flatulencias comparadas con las bombas que aprovechan la fusión nuclear, que extraen su energía de la fusión entre los núcleos atómicos, lo mismo que hace brillar las estrellas.

Estos dispositivos son tan exageradamente potentes que utilizan explosiones atómicas sólo para activar la reacción de fusión nuclear. De estas armas, la más potente es la Tsar Bomba, fabricada por la URSS en la década de los sesenta y que tiene una potencia de 57 megatones. Esto son 57 millones de toneladas de TNT. A su vez, es 114 veces más potente que la King Ivy o, por decirlo de otra manera, tiene mayor poder destructivo que todos los explosivos utilizados durante la segunda guerra mundial, combinados y multiplicados por diez. Lo más impactante del asunto, de todas maneras, es que el diseño inicial estaba pensado para que la bomba desarrollara 100 megatones.

Rusos.

Y aquí me despido con la imagen de la detonación de una bomba termonuclear con una potencia de 15 megatones.

Prueba de la bomba termonuclear Castle Bravo, de 15 megatones. En vídeo, haciendo click aquí.

¿Qué es el uranio empobrecido?

Pobre uranio empobrecido, ¡Qué mala imagen tenemos de él!

Normal, mira qué grima da el uranio en estado natural.

Oye, oye, ¿Qué significa que el uranio esté empobrecido? 
¡Todo a su tiempo!
Ante nada, la radiación se presenta de tres maneras: la radiación alfa, que no llega a atravesar siquiera la piel, la radiación beta, que no atraviesa ni la ropa, y la radiación gamma, la realmente dañina y de la que sólo podemos protegernos poniéndonos detrás de un elemento denso como el plomo. El uranio empobrecido produce mucha radiación del primer tipo, prácticamente inofensiva, y muy poca de este último, de manera que apenas se nota su contribución por encima de la radiación de fondo.¿Radiación de fondo? ¿Qué dices? No me siento muy irradiado, que digamos.Dos átomos del mismo elemento pueden contener un número diferente de neutrones, por lo que variarán ligeramente sus propiedades, sin ser realmente elementos distintos. Como no se trata sustancias diferentes, decimos que estas variaciones son isótopos de un mismo elemento (hablábamos de ello con más profundidad en esta entrada sobre el agua pesada).

En estado natural podemos encontrar el uranio en forma de dos isótopos: el más común, que representa el 99.28% del elemento, es el uranio-238, relativamente estable y poco radiactivo. El 0.72% restante es uranio-235, que es el isótopo fisible y altamente radiactivo.

El uranio-235 es radiactivo porque tiene muchos más neutrones que protones en su núcleo, así que tiende a dejar escapar neutrones para intentar llegar a una configuración estable: se descompone a medida que lanza a su alrededor partículas que, al impactar contra materia viva, pueden dañar el material genético y provocar todo tipo de cánceres.

Una partícula cargada impacta contra una hebra de ADN (A). El material genético del lugar donde impacta queda destrozado y en llamas (B). La célula arregla los genes estropeados, pero puede  equivocarse y dar lugar a fallos que,  si se desarrollan, dan lugar a cáncer (C).

De manera natural, existen pequeñas cantidades de isótopos radiactivos de muchos elementos a nuestro alrededor: en las rocas, en el agua, en el material del que está hecho tu casa… Hasta en la comida. Por ejemplo, de todo el potasio que nos rodea, un 93.25% es potasio-39, un 6.73% potasio-41 y el 0.0117% restante es potasio-40. Este último isótopo no es estable y, por tanto, es ligeramente radiactivo.

Cualquiera que haga un poco de deporte sabrá que los plátanos tienen mucho potasio. Pues resulta que, a consecuencia de ello, este isótopo es la principal fuente de radiación en seres vivos. De hecho, comerte un sólo plátano te expone a la misma cantidad de radiación que vivir durante un año a 80 km de una central nuclear y si fueras capaz de comerte 200 plátanos seguidos, recibirías la misma cantidad de radiación que si te hicieras una radiografía.

Pero no sólo el potasio puede emitir radiación, aquí hay una lista de todos los isótopos radiactivos (ordenados por su vida media o “el tiempo que tarda la mitad de su masa en descomponerse”). De modo que estamos rodeados de átomos que se están descomponiendo y liberando partículas cargadas en todo momento.

Crédito: bbc.co.uk.

Toda esa radiación es la que conforma la llamada “radiación de fondo”, la dosis que recibimos cada día de manera natural y que, no nos alarmemos, es ínfima. La mayor parte proviene del gas radón desprendido por las rocas y otra parte importante llega directamente del espacio.

Aquí un gráfico de xkcd.com,  una web de tiras cómicas cuyo autor trabajó para la NASA, que muestra la cantidad de radiación recibida de varias fuentes.

En alta resolución: http://xkcd.com/radiation/

Total, toda esta parrafada para decir que el uranio empobrecido está empobrecido porque se le ha quitado su isótopo radiactivo, el 235, dejando sólo el poco radiactivo (en la medida de lo posible). Sin el problema de la radiación de por medio, el uranio tiene una propiedad interesante.

Su densidad es de 19.1 kg/l. Es decir, que una botella de plástico de un litro llena de uranio pesaría 19.1 kilos. El plomo, en comparación, tiene una densidad de 11.34 kg/l y el mercurio de 13.6 kg/l. Si habéis tenido en vuestras manos alguna vez plomo o mercurio (contenido en algún recipiente, preferentemente), podréis haceros una idea de lo pesado que es el uranio.

Debido a su densidad, el uranio empobrecido se utilizaba, por ejemplo, para fabricar contrapesos para barcos y aviones, ya que con densidades tan grandes se necesita una cantidad de material mucho menor para conseguir la misma cantidad de contrapeso. Dejó de utilizarse hace un par de décadas, no por que el uranio fuera radiactivo, sino porque es tóxico, y no conviene empeorar la situación con un material tóxico en llamas en caso de accidente aéreo.

Además, cuando se trata de proteger contra la radiación, la densidad del uranio empobrecido lo convierte en un mejor escudo que el plomo. Por ello, los equipos médicos o industriales que emiten mucha radiación contienen placas de uranio empobrecido para evitar que esta escape al exterior.

No sólo eso, sino que también se fabrican grandes recipientes de uranio empobrecido para contener otros materiales muy radiactivos.

Pero tal vez el uso más extravagante del uranio es en la fabricación de cristal: cuando, antes de fundir la mezcla, se añade polvo de uraninita (un óxido del elemento), al cristalizar y solidificarse el vidrio brillará bajo la luz ultravioleta en un tono verdoso.

Crédito: wikimedia.

Pese a que pueda parecer una locura, el bajo contenido en uranio (alrededor del 2%) de este tipo de cristal emite tan poca radiación que apenas se distingue de la radiación de fondo. Esta propiedad del óxido de uranio se aprovecha también en implantes dentales para simular la fluorescencia bajo la luz ultravioleta del diente natural.

PERO NO ES ORO TODO LO QUE RELUCE.

El uranio empobrecido es muy perjudicial para los seres vivos, no por la radiación que emite, si no por ser un metal muy tóxico una vez ingerido o inhalado, como pueden serlo el plomo o el mercurio.

Y aquí es donde la cosa se pone fea, “gracias” a la industria de la guerra.

Debido a su densidad, el uranio empobrecido se utiliza para hacer cosas blindadas: el mismo volumen de material contiene mucha más materia en su interior que cualquier otro metal (que no sea desproporcionadamente caro, claro) y, por tanto, un proyectil perderá más energía intentando atravesarlo.

Por el mismo motivo, los proyectiles destinados a atravesar armaduras gruesas también se fabrican con uranio empobrecido, ya que se consiguen balas del mismo tamaño, pero mucho más pesadas que con o9tro material, lo que les aporta más fuerza de impacto.

Otra ventaja del uranio empobrecido como proyectil es que, debido a su ligera ductilidad, se afila a medida que atraviesa la armadura.

Durante un conflicto bélico, tanto los proyectiles de uranio empobrecido como las armaduras del mismo material terminan pulverizados, a causa de explosiones e impactos, en forma de pequeñas partículas que flotan por el aire y pueden ser inhaladas o ingeridas por seres humanos. La química de estas partículas interacciona con la del cuerpo humano, dando lugar a un sinfín de enfermedades (es una lista).