Reactores de fusión nuclear

Reactores de fusión nuclear Tokamak y StellaratorEl presente libro de carácter público, se crea sin ánimo de lucro, con el único fin de difundir la cultura. Ciencia Solar by Juan Carlos Alves Tabernero is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-CompartirIgual 3.0 Unported License.

A mi esposa Belén…Que con fe, paciencia y amor, dándome luz y esperanza; cambiaste el argumento demi vida. “Si los días son eternos y las noches son amargas, los besos son la base, de nuestras esperanzas”.



Índice general1 Átomo 1 1.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Estructura atómica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.1 Partículas subatómicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.2 El núcleo atómico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.3 Nube de electrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Propiedades atómicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3.1 Masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3.2 Tamaño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3.3 Niveles de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3.4 Interacciones eléctricas entre protones y electrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 Historia de la teoría atómica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.5 Evolución del modelo atómico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5.1 Modelo de Dalton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5.2 Modelo de Thomson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.3 Modelo de Rutherford . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.4 Modelo de Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.5 Modelo de Sommerfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5.6 Modelo de Schrödinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5.7 Modelo de Dirac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5.8 Modelos posteriores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.6 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.7 Notas y referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.7.1 Notas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.7.2 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.8 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.9 Enlaces externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Energía 102.1 El concepto de energía en física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.1 Mecánica clásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.2 Mecánica relativista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 i

ii ÍNDICE GENERAL 2.1.3 Mecánica cuántica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.4 Expresión matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.5 Energía en diversos tipos de sistemas físicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.6 Energía potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.7 Energía cinética de una masa puntual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.8 Magnitudes relacionadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.9 Transformación de la energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.10 Unidades de medida de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Energía como recurso natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.1 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.2 Enlaces externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Reactores de fusión nuclear 153.1 Proyectos y experimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.2 Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.3 Combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.4 El plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.5 Confinamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.6 El campo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.7 Campo toroidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.8 Trampa magnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.9 Inicio de la reacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.10 Tokamak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.11 Stellarator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.12 Ventajas y desventajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.13 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.14 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.15 Enlaces externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 ITER 224.1 Objetivos de ITER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.2 Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.3 Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.4 Selección de la sede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.5 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.6 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.7 Enlaces externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Plasma (estado de la materia) 255.1 Ejemplos de plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

ÍNDICE GENERAL iii5.2 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.3 Parámetros de un plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 5.3.1 Neutralidad y especies presentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 5.3.2 Longitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 5.3.3 La frecuencia de plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 5.3.4 Temperatura: velocidad térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 5.3.5 El parámetro de plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275.4 Modelos teóricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 5.4.1 Modelos discretos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 5.4.2 Modelos cinéticos continuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 5.4.3 Modelos de fluidos o hidrodinámicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.5 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.6 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.7 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.8 Enlaces externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Trampa atómica 306.1 Principio de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306.2 Trampa atómica de microchip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306.3 Aplicaciones del condensado de Bose-Einstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316.4 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316.5 Enlaces externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Hidrógeno 327.1 Etimología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327.2 Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337.2.1 Descubrimiento del hidrógeno y uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337.2.2 Papel del hidrógeno en la teoría cuántica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347.3 Abundancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347.4 Propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357.4.1 Combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357.4.2 Niveles energéticos electrónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357.4.3 Formas elementales moleculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367.4.4 Hidrógeno metálico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377.4.5 Compuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377.4.6 Isótopos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387.5 Reacciones biológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437.6 Producción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437.6.1 Laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437.6.2 Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437.6.3 Termoquímicos solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447.6.4 Corrosión anaerobia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

iv ÍNDICE GENERAL 7.6.5 Ocurrencia geológica: la reacción de serpentinización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 7.6.6 Formación en transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447.7 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447.8 Portador de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457.9 Industria de semiconductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457.10 Seguridad y precauciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457.11 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467.12 Nota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467.13 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467.14 Bibliografía adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487.15 Enlaces externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498 Helio 508.1 Características principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 8.1.1 El átomo de helio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 8.1.2 Fases de gas y de plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 8.1.3 Fases líquida y sólida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538.2 Compuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548.3 Isótopos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548.4 Abundancia y obtención . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 8.4.1 Abundancia natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 8.4.2 Extracción moderna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 8.4.3 Agotamiento en los suministros de helio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568.5 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568.6 Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 8.6.1 Descubrimiento científico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 8.6.2 Extracción y uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598.7 Precauciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608.8 Efectos biológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608.9 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.10 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.11 Enlaces externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649 Deuterio 659.1 Aplicaciones del deuterio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659.2 Antideuterio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659.3 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6510 Tritio 6710.1 Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6710.2 Véase también . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6710.3 Notas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

ÍNDICE GENERAL v11 Helio-3 6811.1 Producción y aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6811.2 Reservas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6811.3 Enlaces externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6811.4 Origen del texto y las imágenes, colaboradores y licencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6911.4.1 Texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6911.4.2 Imágenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7111.4.3 Licencia del contenido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Capítulo 1Átomo nes, entonces tiene una carga global negativa o positiva, respectivamente, y se denomina ion. Los electrones de un átomo son atraídos por los protones en un núcleo atómico por esta fuerza electromagnética. 1 fm Los protones y los neutrones en el núcleo son atraídos el uno al otro por una fuerza diferente, la fuerza nuclear, que es generalmente más fuerte que la fuerza electromagné- tica que repele los protones cargados positivamente entre sí. Bajo ciertas circunstancias, la fuerza electromagnéti- ca repelente se vuelve más fuerte que la fuerza nuclear y los nucleones pueden ser expulsados del núcleo, dejando tras de sí un elemento diferente: desintegración nuclear que resulta en transmutación nuclear. 1 Å = 100,000 fm El número de protones en el núcleo define a qué elemento químico pertenece el átomo: por ejemplo, todos los áto-Representación de un átomo de helio. mos de cobre contienen 29 protones. El número de neu- trones define el isótopo del elemento.[3] El número deUn átomo es la unidad constituyente más pequeña de la electrones influye en las propiedades magnéticas de unmateria que tiene las propiedades de un elemento quími- átomo. Los átomos pueden unirse a otro u otros átomosco.[1] Cada sólido, líquido, gas y plasma se compone de por enlaces químicos para formar compuestos químicosátomos neutros o ionizados. Los átomos son muy peque- tales como moléculas. La capacidad de los átomos de aso-ños; los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (diez ciarse y disociarse es responsable de la mayor parte de losmil millonésima parte de un metro).[2] No obstante, los cambios físicos observados en la naturaleza y es el temaátomos no tienen límites bien definidos y hay diferentes de la disciplina de la química.formas de definir su tamaño que dan valores diferentespero cercanos. Los átomos son lo suficientemente peque- No toda la materia del universo está compuesta de áto-ños para que la física clásica dé resultados notablemente mos. La materia oscura constituye más del universo queincorrectos. A través del desarrollo de la física, los mo- la materia y no se compone de átomos, sino de partículasdelos atómicos han incorporado principios cuánticos para de un tipo actualmente desconocido.explicar y predecir mejor su comportamiento. 1.1 IntroducciónCada átomo se compone de un núcleo y uno o más El nombre «átomo» proviene del latín atomum, y esteelectrones unidos al núcleo. El núcleo está compuesto de del griego ἄτομον 'no cortado, sin porciones, indivisible';uno o más protones y típicamente un número similar de también, se deriva de a- ('no') y tómo- 'trozo cortado, por-neutrones (ninguno en el hidrógeno-1). Los protones y los ción, parte'.[4] El concepto de átomo como bloque bási-neutrones son llamados nucleones. Más del 99,94 % de co e indivisible que compone la materia del universo fuela masa del átomo está en el núcleo. Los protones tienen postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia.una carga eléctrica positiva, los electrones tienen una car- Sin embargo, no fueron considerados seriamente por losga eléctrica negativa y los neutrones tienen ambas cargas científicos hasta el siglo XIX, cuando fueron introducidoseléctricas, haciéndolos neutros. Si el número de protones para explicar ciertas leyes químicas. Con el desarrollo dey electrones son iguales, ese átomo es eléctricamente neu- la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomotro. Si un átomo tiene más o menos electrones que proto- puede subdividirse en partículas más pequeñas.[5][6] 1

2 CAPÍTULO 1. ÁTOMOLos átomos son objetos muy pequeños con masas igual- 1.2.2 El núcleo atómicomente minúsculas: su diámetro y masa son del orden dela billonésima parte de un metro y cuatrillonésima parte Los protones y neutrones de un átomo se encuentran liga-de un gramo. Solo pueden ser observados mediante ins- dos en el núcleo atómico, en la parte central del mismo.trumentos especiales tales como un microscopio de efec- El volumen del núcleo es aproximadamente proporcio-to túnel. Más de un 99,94 % de la masa del átomo está nal al número total de nucleones, el número másico A,[8]concentrada en su núcleo, en general repartida de mane- lo cual es mucho menor que el tamaño del átomo, cuyora aproximadamente equitativa entre protones y neutro- radio es del orden de 105 fm o 1 ångström (Å). Los nu-nes. El núcleo de un átomo puede ser inestable y sufrir cleones se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear,una transmutación mediante desintegración radioactiva. que es mucho más intensa que la fuerza electromagnéti-Los electrones en la nube del átomo están repartidos en ca a distancias cortas, lo cual permite vencer la repulsióndistintos niveles de energía u orbitales, y determinan las eléctrica entre los protones.[9]propiedades químicas del mismo. Las transiciones entrelos distintos niveles dan lugar a la emisión o absorción de Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo nú-radiación electromagnética en forma de fotones, y son la mero de protones, que se denomina número atómico y sebase de la espectroscopia. representa por Z. Los átomos de un elemento dado pue- den tener distinto número de neutrones: se dice entonces que son isótopos. Ambos números conjuntamente deter- minan el núclido.1.2 Estructura atómica El núcleo atómico puede verse alterado por procesos muy energéticos en comparación con las reacciones químicas.1.2.1 Partículas subatómicas Los núcleos inestables sufren desintegraciones que pue- den cambiar su número de protones y neutrones emitien-A pesar de que átomo significa ‘indivisible’, en realidad do radiación. Un núcleo pesado puede fisionarse en otrosestá formado por varias partículas subatómicas. El átomo más ligeros en una reacción nuclear o espontáneamente.contiene protones, neutrones y electrones, con la excep- Mediante una cantidad suficiente de energía, dos o másción del hidrógeno-1, que no contiene neutrones, y del ca- núcleos pueden fusionarse en otro más pesado.tión hidrógeno o hidrón, que no contiene electrones. Los En átomos con número atómico bajo, los núcleos con unaprotones y neutrones del átomo se denominan nucleones, cantidad distinta de protones y neutrones tienden a desin-por formar parte del núcleo atómico. tegrarse en núcleos con proporciones más parejas, más estables. Sin embargo, para valores mayores del núme-El electrón es la partícula más ligera de cuantas compo- ro atómico, la repulsión mutua de los protones requie-nen el átomo, con una masa de 9,11 · 10−31 kg. Tiene una re una proporción mayor de neutrones para estabilizar elcarga eléctrica negativa, cuya magnitud se define como la núcleo.[10]carga eléctrica elemental, y se ignora si posee subestruc-tura, por lo que se lo considera una partícula elemental. 1.2.3 Nube de electronesLos protones tienen una masa de 1,67 · 10−27 kg, 1836veces la del electrón, y una carga positiva opuesta a la de 1s 2s 2px 2py 2pzeste. Los neutrones tienen una masa de 1,69 · 10−27 kg,1839 veces la del electrón, y no poseen carga eléctrica. Los cinco primeros orbitales atómicos.Las masas de ambos nucleones son ligeramente inferio-res dentro del núcleo, debido a la energía potencial del Los electrones en el átomo son atraídos por los protones amismo; y sus tamaños son similares, con un radio del or- través de la fuerza electromagnética. Esta fuerza los atra-den de 8 · 10−16 m o 0,8 femtómetros (fm).[7] pa en un pozo de potencial electrostático alrededor del núcleo, lo que hace necesaria una fuente de energía ex-El protón y el neutrón no son partículas elementales, sino terna para liberarlos. Cuanto más cerca está un electrónque constituyen un estado ligado de quarks u y d, partícu- del núcleo, mayor es la fuerza atractiva, y mayor por tantolas fundamentales recogidas en el modelo estándar de la la energía necesaria para que escape.física de partículas, con cargas eléctricas iguales a +2/3 y Los electrones, como otras partículas, presentan simultá-−1/3 respectivamente, respecto de la carga elemental. Un neamente propiedades de partícula puntual y de onda, yprotón contiene dos quarks u y un quark d, mientras que el tienden a formar un cierto tipo de onda estacionaria alre-neutrón contiene dos d y un u, en consonancia con la car- dedor del núcleo, en reposo respecto de este. Cada una dega de ambos. Los quarks se mantienen unidos mediantela fuerza nuclear fuerte, mediada por gluones —del mis-mo modo que la fuerza electromagnética está mediadapor fotones—. Además de estas, existen otras partículassubatómicas en el modelo estándar: más tipos de quarks,leptones cargados (similares al electrón), etc.

1.3. PROPIEDADES ATÓMICAS 3estas ondas está caracterizada por un orbital atómico, una los electrones. En la práctica, se define el radio atómicofunción matemática que describe la probabilidad de en- estimándolo en función de algún fenómeno físico, comocontrar al electrón en cada punto del espacio. El conjunto la cantidad y densidad de átomos en un volumen dado, ode estos orbitales es discreto, es decir, puede enumerar- la distancia entre dos núcleos en una molécula.se, como es propio en todo sistema cuántico. La nube deelectrones es la región ocupada por estas ondas, visuali- Los diversos métodos existentes arrojan valores para elzada como una densidad de carga negativa alrededor del radio atómico de entre 0,5 y 5 Å. Dentro de la tabla pe-núcleo. riódica de los elementos, el tamaño de los átomos tiende a disminuir a lo largo de un periodo —una fila—, para au-Cada orbital corresponde a un posible valor de ener- mentar súbitamente al comienzo de uno nuevo, a medidagía para los electrones, que se reparten entre ellos. El que los electrones ocupan niveles de energía más altos.[12]principio de exclusión de Pauli prohíbe que más de doselectrones se encuentren en el mismo orbital. Pueden Las dimensiones del átomo son miles de veces más pe-ocurrir transiciones entre los distintos niveles de ener- queñas que la longitud de onda de la luz (400-700 nm) porgía: si un electrón absorbe un fotón con energía suficiente, lo que estos no pueden ser observados utilizando instru-puede saltar a un nivel superior; también desde un nivel mentos ópticos. En comparación, el grosor de un cabellomás alto puede acabar en un nivel inferior, radiando el humano es equivalente a un millón de átomos de carbono.resto de la energía en un fotón. Las energías dadas por Si una manzana fuera del tamaño de la Tierra, los átomoslas diferencias entre los valores de estos niveles son las en ella serían tan grandes como la manzana original.[13]que se observan en las líneas espectrales del átomo. 1.3.3 Niveles de energía1.3 Propiedades atómicas Un electrón ligado en el átomo posee una energía poten- cial inversamente proporcional a su distancia al núcleo y1.3.1 Masa de signo negativo, lo que quiere decir que esta aumenta con la distancia. La magnitud de esta energía es la can-La mayor parte de la masa del átomo viene de los tidad necesaria para desligarlo, y la unidad usada habi-nucleones, los protones y neutrones del núcleo. También tualmente para expresarla es el electrónvoltio (eV). Encontribuyen en una pequeña parte la masa de los electro- el modelo mecanocuántico solo hay un conjunto discretones, y la energía de ligadura de los nucleones, en virtud de de estados o niveles en los que un electrón ligado puedela equivalencia entre masa y energía. La unidad de masa encontrarse —es decir, enumerables—, cada uno con unque se utiliza habitualmente para expresarla es la unidad cierto valor de la energía. El nivel con el valor más bajode masa atómica (u). Esta se define como la doceava par- se denomina el estado fundamental, mientras que el restote de la masa de un átomo neutro de carbono-12 libre, se denominan estados excitados.cuyo núcleo contiene 6 protones y 6 neutrones, y equiva-le a 1,66 · 10−27 kg aproximadamente. En comparación Cuando un electrón efectúa una transición entre dos es-el protón y el neutrón libres tienen una masa de 1,007 tados distintos, absorbe o emite un fotón, cuya energía esy 1,009 u. La masa de un átomo es entonces aproxima- precisamente la diferencia entre los dos niveles. La ener-damente igual al número de nucleones en su núcleo — gía de un fotón es proporcional a su frecuencia, así queel número másico— multiplicado por la unidad de masa cada transición se corresponde con una banda estrechaatómica. El átomo estable más pesado es el plomo-208, del espectro electromagnético denominada línea espec-con una masa de 207,98 u.[11] tral.En química se utiliza también el mol como unidad de KH h Gg f e Fd h c Ehb D CB Amasa. Un mol de átomos de cualquier elemento equiva-le siempre al mismo número de estos (6,022 · 1023), lo 4-1 3-1 acual implica que un mol de átomos de un elemento conmasa atómica de 1 u pesa aproximadamente 1 gramo. En 390 450 500 550 600 650 700 750general, un mol de átomos de un cierto elemento pesa deforma aproximada tantos gramos como la masa atómica 400de dicho elemento. wavelength in nm1.3.2 Tamaño Un ejemplo de líneas de absorción en un espectroLos átomos no están delimitados por una frontera clara,por lo que su tamaño se equipara con el de su nube elec- Cada elemento químico posee un espectro de líneas ca-trónica. Sin embargo, tampoco puede establecerse una racterístico. Estas se detectan como líneas de emisión enmedida de esta, debido a las propiedades ondulatorias de la radiación de los átomos del mismo. Por el contrario, si se hace pasar radiación con un espectro de frecuen- cias continuo a través de estos, los fotones con la energía adecuada son absorbidos. Cuando los electrones excita- dos decaen más tarde, emiten en direcciones aleatorias, por lo que las frecuencias características se observan co-

4 CAPÍTULO 1. ÁTOMOmo líneas de absorción oscuras. Las medidas espectros- de Maxwell del electromagnetismo aplicadas al átomo decópicas de la intensidad y anchura de estas líneas permite Rutherford llevan a que en un tiempo del orden de 10−10determinar la composición de una sustancia. s, toda la energía del átomo se habría radiado, con la con- siguiente caída de los electrones sobre el núcleo.[16]Algunas líneas espectrales se presentan muy juntas entresí, tanto que llegaron a confundirse con una sola histó- 1.4 Historia de la teoría atómicaricamente, hasta que fue descubierta su subestructura oestructura fina. La causa de este fenómeno se encuentraen las diversas correcciones a considerar en la interac-ción entre los electrones y el núcleo. Teniendo en cuentatan solo la fuerza electrostática, ocurre que algunas de lasconfiguraciones electrónicas pueden tener la misma ener-gía aun siendo distintas. El resto de pequeños efectos yfuerzas en el sistema electrón-núcleo rompe esta redun-dancia o degeneración, dando lugar a la estructura final.Estos incluyen las correcciones relativistas al movimientode electrón, la interacción de su momento magnético conel campo eléctrico y con el núcleo, etc.[14]Además, en presencia de un campo externo los niveles deenergía se ven modificados por la interacción del electróncon este, en general produciendo o aumentando la divi-sión entre los niveles de energía. Este fenómeno se cono-ce como efecto Stark en el caso de un campo eléctrico, yefecto Zeeman en el caso de un campo magnético.Las transiciones de un electrón a un nivel superior ocurren Varios átomos y moléculas como se muestra en A New Systemen presencia de radiación electromagnética externa, que of Chemical Philosophy de John Dalton (1808).provoca la absorción del fotón necesario. Si la frecuenciade dicha radiación es muy alta, el fotón es muy energé- El concepto de átomo existe desde la antigua Grecia pro-tico y el electrón puede liberarse, en el llamado efecto puesto por los filósofos griegos Demócrito, Leucipo yfotoeléctrico. Epicuro, sin embargo, no se generó el concepto por me- dio de la experimentación sino como una necesidad filo-Las transiciones a un nivel inferior pueden ocurrir de ma- sófica que explicara la realidad, ya que, como proponíannera espontánea, emitiendo la energía mediante un fotón estos pensadores, la materia no podía dividirse indefini-saliente; o de manera estimulada, de nuevo en presencia damente, por lo que debía existir una unidad o bloque in-de radiación. En este caso, un fotón «entrante» apropiado divisible e indestructible que al combinarse de diferentesprovoca que el electrón decaiga a un nivel con una dife- formas creara todos los cuerpos macroscópicos que nosrencia de energía igual a la del fotón entrante. De este rodean.[17] El siguiente avance significativo no se realizómodo, se emite un fotón saliente cuya onda asociada está hasta que en 1773 el químico francés Antoine-Laurent desincronizada con la del primero, y en la misma dirección. Lavoisier postuló su enunciado: «La materia no se crea niEste fenómeno es la base del láser. se destruye, simplemente se transforma». La ley de con- servación de la masa o ley de conservación de la materia;1.3.4 Interacciones eléctricas entre proto- demostrado más tarde por los experimentos del químico nes y electrones inglés John Dalton quien en 1804, luego de medir la masa de los reactivos y productos de una reacción, y concluyóAntes del experimento de Rutherford la comunidad cien- que las sustancias están compuestas de átomos esféricostífica aceptaba el modelo atómico de Thomson, situación idénticos para cada elemento, pero diferentes de un ele-que varió después de la experiencia de Ernest Rutherford. mento a otro.[18]Los modelos posteriores se basan en una estructura de losátomos con una masa central cargada positivamente ro- Luego en 1811, el físico italiano Amedeo Avogadro,deada de una nube de carga negativa.[15] postuló que a una temperatura, presión y volumen dados, un gas contiene siempre el mismo número de partículas,Este tipo de estructura del átomo llevó a Rutherford a sean átomos o moléculas, independientemente de la na-proponer su modelo en que los electrones se moverían al- turaleza del gas, haciendo al mismo tiempo la hipótesisrededor del núcleo en órbitas. Este modelo tiene una difi- de que los gases son moléculas poliatómicas con lo quecultad proveniente del hecho de que una partícula car- se comenzó a distinguir entre átomos y moléculas.[19]gada acelerada, como sería necesario para mantenerseen órbita, radiaría radiación electromagnética, perdiendo El químico ruso Dmítri Ivánovich Mendeléyev creó enenergía. Las leyes de Newton, junto con las ecuaciones 1869 una clasificación de los elementos químicos en or-

1.5. EVOLUCIÓN DEL MODELO ATÓMICO 5den creciente de su masa atómica, remarcando que existíauna periodicidad en las propiedades químicas. Este traba-jo fue el precursor de la tabla periódica de los elementoscomo la conocemos actualmente.[20]La visión moderna de su estructura interna tuvo que es-perar hasta el experimento de Rutherford en 1911. Es-te experimento llevó al modelo atómico de Rutherfordque no podía explicar adecuadamente la estabilidad delos átomos ni los espectros atómicos, por lo que NielsBohr formuló su modelo atómico de Bohr en términosheurísticos, que daba cuenta de esos hechos sin explicar-los convenientemente. Posteriores descubrimientos cien-tíficos, como la teoría cuántica, y avances tecnológicos,como el microscopio electrónico, han permitido conocercon mayor detalle las propiedades físicas y químicas delos átomos.[21]1.5 Evolución del modelo atómico Tamaño relativo de las diferentes partículas atómicas.Los elementos básicos de la materia son tres. propuestos por los científicos de diferentes épocas. Algu- nos de ellos son completamente obsoletos para explicar los fenómenos observados actualmente, pero se incluyen a manera de reseña histórica. 1.5.1 Modelo de Dalton Fue el primer modelo atómico con bases científicas, fue formulado en 1803 por John Dalton, quien imaginaba a los átomos como diminutas esferas.[22] Este primer mo- delo atómico postulaba:Cuadro general de las partículas, quarks y leptones. • La materia está formada por partículas muy peque- ñas llamadas átomos, que son indivisibles y no seLa concepción del átomo que se ha tenido a lo largo de pueden destruir.la historia ha variado de acuerdo a los descubrimientosrealizados en el campo de la física y la química. A conti- • Los átomos de un mismo elemento son iguales entrenuación se hará una exposición de los modelos atómicos sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos de los diferentes elementos tienen pesos di- ferentes. • Los átomos permanecen sin división, aun cuando se combinen en las reacciones químicas. • Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples. • Los átomos de elementos diferentes se pueden com- binar en proporciones distintas y formar más de un compuesto. • Los compuestos químicos se forman al unirse áto- mos de dos o más elementos distintos.

6 CAPÍTULO 1. ÁTOMOSin embargo desapareció ante el modelo de Thomson yaque no explica los rayos catódicos, la radioactividad ni lapresencia de los electrones (e-) o protones(p+).1.5.2 Modelo de Thomson Modelo atómico de Rutherford.Modelo atómico de Thomson. mantiene que el átomo se compone de una parte positi- va y una negativa. Sin embargo, a diferencia del anterior,Luego del descubrimiento del electrón en 1897 por postula que la parte positiva se concentra en un núcleo,Joseph John Thomson, se determinó que la materia se el cual también contiene virtualmente toda la masa delcomponía de dos partes, una negativa y una positiva. La átomo, mientras que los electrones se ubican en una cor-parte negativa estaba constituida por electrones, los cua- teza orbitando al núcleo en órbitas circulares o elípticasles se encontraban, según este modelo, inmersos en una con un espacio vacío entre ellos. A pesar de ser un mo-masa de carga positiva a manera de pasas en un pastel delo obsoleto, es la percepción más común del átomo del(de la analogía del inglés plum-pudding model) o uvas en público no científico.gelatina. Posteriormente Jean Perrin propuso un modelomodificado a partir del de Thomson donde las «pasas» Rutherford predijo la existencia del neutrón en el año(electrones) se situaban en la parte exterior del «pastel» 1920, por esa razón en el modelo anterior (Thomson),(protones). no se habla de este.Para explicar la formación de iones, positivos y negativos, Por desgracia, el modelo atómico de Rutherford presen-y la presencia de los electrones dentro de la estructura taba varias incongruencias:atómica, Thomson ideó un átomo parecido a un pastel defrutas. Una nube positiva que contenía las pequeñas par- • Contradecía las leyes del electromagnetismo detículas negativas (los electrones) suspendidos en ella. El James Clerk Maxwell, las cuales estaban muy com-número de cargas negativas era el adecuado para neutra- probadas mediante datos experimentales. Según laslizar la carga positiva. En el caso de que el átomo perdiera leyes de Maxwell, una carga eléctrica en movimien-un electrón, la estructura quedaría positiva; y si ganaba, la to (en este caso el electrón) debería emitir energíacarga final sería negativa. De esta forma, explicaba la for- constantemente en forma de radiación y llegaría unmación de iones; pero dejó sin explicación la existencia momento en que el electrón caería sobre el núcleo yde las otras radiaciones. la materia se destruiría. Todo ocurriría muy breve- mente. • No explicaba los espectros atómicos. 1.5.4 Modelo de Bohr1.5.3 Modelo de Rutherford Este modelo es estrictamente un modelo del átomo de hidrógeno tomando como punto de partida el modelo deEste modelo fue desarrollado por el físico Ernest Ruther- Rutherford. Niels Bohr trata de incorporar los fenóme-ford a partir de los resultados obtenidos en lo que hoy se nos de absorción y emisión de los gases, así como la nue-conoce como el experimento de Rutherford en 1911. Re- va teoría de la cuantización de la energía desarrollada porpresenta un avance sobre el modelo de Thomson, ya que Max Planck y el fenómeno del efecto fotoeléctrico obser- vado por Albert Einstein.

1.5. EVOLUCIÓN DEL MODELO ATÓMICO 7 5s (ℓ=0) 5p (ℓ=1) 5d (ℓ=2) 5f (ℓ=3) 5g (ℓ=4) Órbitas elípticas en el modelo de Sommerfeld.Modelo atómico de Bohr. feld había encontrado que en ciertos átomos las velocida- des de los electrones alcanzaban una fracción apreciable«El átomo es un pequeño sistema solar con un núcleo en de la velocidad de la luz. Sommerfeld estudió la cuestiónel centro y electrones moviéndose alrededor del núcleo en para electrones relativistas.órbitas bien definidas». Las órbitas están cuantizadas (lose- pueden estar solo en ciertas órbitas) El físico alemán finalmente Arnold Sommerfeld, con la ayuda de la teoría de la relatividad de Albert Einstein, hizo las siguientes modificaciones del modelo de Bohr: • Cada órbita tiene una energía asociada. La más ex- 1. Los electrones se mueven alrededor del núcleo, en terna es la de mayor energía. órbitas circulares o elípticas. • Los electrones no irradian energía (luz) mientras 2. A partir del segundo nivel energético existen dos o permanezcan en órbitas estables. más subniveles en el mismo nivel. • Los electrones pueden saltar de una a otra órbita. Si 3. El electrón es una corriente eléctrica minúscula. lo hace desde una de menor energía a una de mayor energía absorbe un cuanto de energía (una cantidad) En consecuencia, el modelo atómico de Sommerfeld es igual a la diferencia de energía asociada a cada órbi- una generalización del modelo atómico de Bohr desde el ta. Si pasa de una de mayor a una de menor, pierde punto de vista relativista, aunque no pudo demostrar las energía en forma de radiación (luz). formas de emisión de las órbitas elípticas, solo descartó su forma circular.El mayor éxito de Bohr fue dar la explicación al espectrode emisión del hidrógeno, pero solo la luz de este ele- 1.5.6 Modelo de Schrödingermento proporciona una base para el carácter cuántico dela luz, el fotón es emitido cuando un electrón cae de una Después de que Louis-Victor de Broglie propuso laórbita a otra, siendo un pulso de energía radiada. naturaleza ondulatoria de la materia en 1924, la cual fue generalizada por Erwin Schrödinger en 1926, se actualizóBohr no pudo explicar la existencia de órbitas estables y nuevamente el modelo del átomo.para la condición de cuantización. En el modelo de Schrödinger se abandona la concepciónBohr encontró que el momento angular del electrón es de los electrones como esferas diminutas con carga queh/2π por un método que no puede justificar. giran en torno al núcleo, que es una extrapolación de la experiencia a nivel macroscópico hacia las diminutas1.5.5 Modelo de Sommerfeld dimensiones del átomo. En vez de esto, Schrödinger describe a los electrones por medio de una función deEl modelo atómico de Bohr funcionaba muy bien para el onda, el cuadrado de la cual representa la probabilidadátomo de hidrógeno, sin embargo, en los espectros reali- de presencia en una región delimitada del espacio. Estazados para átomos de otros elementos se observaba que zona de probabilidad se conoce como orbital. La gráficaelectrones de un mismo nivel energético tenían distinta siguiente muestra los orbitales para los primeros nivelesenergía, mostrando que existía un error en el modelo. Su de energía disponibles en el átomo de hidrógeno.conclusión fue que dentro de un mismo nivel energéticoexistían subniveles, es decir, energías ligeramente dife-rentes. Además desde el punto de vista teórico, Sommer-

8 CAPÍTULO 1. ÁTOMO tructura del núcleo atómico y de las propias partículas que forman el núcleo son mucho más complicadas que la estructura electrónica de los átomos. Dado que las pro- piedades químicas dependen exclusivamente de las pro- piedades de la estructura electrónica, se considera que las teorías actuales explican satisfactoriamente las propieda- des químicas de la materia, cuyo estudio fue el origen del estudio de la estructura atómica. 1.6 Véase también • Elemento químico • Molécula • Teoría atómicaDensidad de probabilidad de ubicación de un electrón para los Notas y referencias1.7primeros niveles de energía.1.5.7 Modelo de Dirac 1.7.1 NotasEl modelo de Dirac usa supuestos muy similares al 1.7.2 Referenciasmodelo de Schrödinger aunque su punto de partida es unaecuación relativista para la función de onda, la ecuación [1] «Atom». Compendium of Chemical Terminology (IUPACde Dirac. El modelo de Dirac permite incorporar de ma- Gold Book) (2nd edición). IUPAC. Consultado el 25 denera más natural el espín del electrón. Predice niveles abril de 2015.energéticos similares al modelo de Schrödinger propor-cionando las correcciones relativistas adecuadas. [2] Ghosh, D. C.; Biswas, R. (2002). «Theoretical calculation of Absolute Radii of Atoms and Ions. Part 1. The Atomic Radii». Int. J. Mol. Sci. 3: 87-113. doi:10.3390/i3020087.1.5.8 Modelos posteriores [3] Leigh, G. J., ed. (1990). International Union of Pure and Applied Chemistry, Commission on the Nomenclature ofTras el establecimiento de la ecuación de Dirac, la teo- Inorganic Chemistry, Nomenclature of Organic Chemistryría cuántica evolucionó hasta convertirse propiamente en – Recommendations 1990. Oxford: Blackwell Scientificuna teoría cuántica de campos. Los modelos surgidos a Publications. p. 35. ISBN 0-08-022369-9. «An atom ispartir de los años 1960 y 1970 permitieron construir teo- the smallest unit quantity of an element that is capable ofrías de las interacciones de los nucleones. La vieja teoría existence whether alone or in chemical combination withatómica quedó confinada a la explicación de la estructura other atoms of the same or other elements.»electrónica que sigue siendo explicada de manera ade-cuada mediante el modelo de Dirac complementado con [4] «Átomo», en Diccionario de la Lengua Española (22ª ed.).correcciones surgidas de la electrodinámica cuántica. De- Real Academia Española (2001). Consultado el 20 de juliobido a la complicación de las interacciones fuertes solo de 2009.existen modelos aproximados de la estructura del núcleoatómico. Entre los modelos que tratan de dar cuenta de la [5] Haubold, Hans; Mathai, A. M. (1998). «Microcosmos:estructura del núcleo atómico están el modelo de la gota From Leucippus to Yukawa». Structure of the Universe.líquida y el modelo de capas. Common Sense Science. Archivado desde el original el 25 de noviembre de 2015. Consultado el 17 de enero dePosteriormente, a partir de los años 1960 y 1970, apare- 2008.cieron evidencias experimentales y modelos teóricos quesugerían que los propios nucleones (neutrones, protones) [6] Harrison (2003:123-139).y mesones (piones) que constituyen el núcleo atómico es-tarían formados por constituyentes fermiónicos más ele- [7] Este es el radio de la distribución de carga observada en losmentales denominados quarks. La interacción fuerte en- nucleones. Véase Cottingham y Greenwood, 2004, §3.1.tre quarks entraña problemas matemáticos complicados,algunos aún no resueltos de manera exacta. En cualquier [8] La fórmula exacta es 1,12 ³√A fm. Véase Cottingham ycaso lo que se conoce hoy en día deja claro que la es- Greenwood, 2004, §4.3. [9] Kramer, 1988, p. 80. [10] Kramer, 1988, p. 67,68.

1.9. ENLACES EXTERNOS 9[11] «Nuclear wallets results. Z=82». 2012. (Recopilado por 1.9 Enlaces externos el National Nuclear Data Center). Citan también co- mo estable el bismuto-209, pero existe evidencia de que • Wikimedia Commons alberga contenido multi- es inestable. Véase Marcillac, Pierre de; Noël Coron, media sobre ÁtomoCommons. Gérard Dambier, Jacques Leblanc, Jean-Pierre Moalic (abril de 2003). «Experimental detection of α-particles • Wikcionario tiene definiciones y otra informa- from the radioactive decay of natural bismuth». Natu- ción sobre átomo.Wikcionario re 422 (6934): 876-878. Bibcode:2003Natur.422..876D. doi:10.1038/nature01541. PMID 12712201.[12] Para el radio atómico, véase Demtröder, 2006, §2.4, • Wikiquote alberga frases célebres de o sobre §6.2.3. Átomo. Wikiquote[13] Feynman, Richard; Leighton, R.; Sands, M. (1970). The • El Diccionario de la Real Academia Española tiene Feynman lectures on Physics (en inglés) 1. p. 1-3. ISBN una definición para átomo. 0-201-02115-3.[14] Un estudio de los efectos responsables de la estructura fina e hiperfina en los átomos hidrogenoides puede encontrarse en Bransden y Joachain, 1983, §5.[15] Rañada, Antonio (1990), Dinámica Clásica. Madrid, Alianza Editorial, S. A. 84-206-8133-4[16] Bransden, B. H. y C. J. Joachain (1992), Physics of Atomos and Molecules. Harlow-Essex-England, Longman Group Limited. 0-582-44401-2[17] presocraticos/Atomistas/atomis.html Filósofos Presocrá- ticos: Atomistas, Leucipo y Demócrito[18] Protagonistas de la revolución: Lavoisier, A.L.[19] Amedeo Avogadro (en italiano)[20] Elements and Atoms: Chapter 12: Mendeleev’s First Pe- riodic Table (en inglés)[21] Experimento de Rutherford[22] Rincón Arce, Álvaro (1983) ABC de Química Primer Curso, Editorial Herrero, México, ISBN 968-420-294-6.1.8 Bibliografía • «Teaching Standard Model at high school» (en in- glés). Cronología del modelo atómico. • Sokolovsky, Silvia (2002). «El Átomo».. • Bransden, B.H.; Joachain, J.C. (1983). Physics of atoms and molecules (en inglés). Longman Group Limited. ISBN 0-582-44401-2. • Cottingham, W.N.; Greenwood, D.A. (2004). An introduction to nuclear physics (en inglés). Cambrid- ge University Press. ISBN 0-521-65149-2. • Demtröder, Wolfgang (2006). Atoms, molecules and photons (en inglés). Springer-Verlag. ISBN 978-3- 540-20631-6. • Kramer, Kenneth (1988). Introductory nuclear phy- sics (en inglés). ISBN 047180553X. • «Los ladrillos del Universo: los bloques constituyen- tes de la materia». Archivado desde el original el 8 de febrero de 2009. Material divulgativo del CERN.

Capítulo 2Energía 2.1.1 Mecánica clásica En física clásica, la ley universal de conservación de la energía —que es el fundamento del primer principio de la termodinámica—, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece constante en el tiempo. Eso significa que para multitud de sistemas físicos clásicos la suma de la energía mecánica, la energía calorífica, la energía electromagnética, y otros tipos de energía po- tencial es un número constante. Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica en función del movimiento de la materia, la energía potencial según propiedades como el estado de deformación o a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre ella, la energía térmica según su capacidad calorífica, y la energía quími- ca según la composición química. 2.1.2 Mecánica relativistaUn rayo es una forma de transmisión de energía. En teoría de la relatividad el principio de conservación de la energía se cumple, aunque debe redefinirse la me-El término energía (del griego ἐνέργεια enérgeia, «acti- dida de la energía para incorporar la energía asociada avidad», «operación»; de ἐνεργóς energós, «fuerza de ac- la masa, ya que en mecánica relativista, si se consideraración» o «fuerza de trabajo») tiene diversas acepciones y la energía definida al modo de la mecánica clásica en-definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad tonces resultaría una cantidad que no conserva constante.para obrar, transformar o poner en movimiento. Así pues, la teoría de la relatividad especial establece una equivalencia entre masa y energía por la cual todos losEn física, «energía» se define como la capacidad para rea- cuerpos, por el hecho de estar formados de materia, po-lizar un trabajo. En tecnología y economía, «energía» se seen una energía adicional equivalente a E=mc2 , y si serefiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología considera el principio de conservación de la energía estaasociada) para poder extraerla, transformarla y darle un energía debe ser tomada en cuenta para obtener una leyuso industrial o económico. de conservación (naturalmente en contrapartida la masa no se conserva en relatividad, sino que la única posibili- dad para una ley de conservación es contabilizar juntas la energía asociada a la masa y el resto de formas de ener- gía). 2.1.3 Mecánica cuántica En mecánica cuántica el resultado de la medida de una2.1 El concepto de energía en física magnitud en el caso general no da un resultado determi- nista, por lo que solo puede hablarse del valor de la ener- gía de una medida no de la energía del sistema. El valor 10

2.1. EL CONCEPTO DE ENERGÍA EN FÍSICA 11de la energía en general es una variable aleatoria, aunque complementarias entre sí, y todas ellas siempre relacio-su distribución sí puede ser calculada, si bien no el resul- nadas con el concepto de trabajo.tado particular de una medida. En mecánica cuántica elvalor esperado de la energía de un estado estacionario se Física clásicamantiene constante. Sin embargo, existen estados que noson propios del hamiltoniano para los cuales la energía En la mecánica se encuentran:esperada del estado fluctúa, por lo que no es constante.La varianza de la energía medida además puede depen- • Energía mecánica, que es la combinación o suma deder del intervalo de tiempo, de acuerdo con el principio los siguientes tipos:de indeterminación de Heisenberg.2.1.4 Expresión matemática • Energía cinética: relativa al movimiento. • Energía potencial: la asociada a la posiciónLa energía es una propiedad de los sistemas físicos, noes un estado físico real, ni una «sustancia intangible». En dentro de un campo de fuerzas conservativo.mecánica clásica se representa como una magnitud esca- Por ejemplo, está la energía potencial gravita-lar. La energía es una abstracción matemática de una pro- toria y la energía potencial elástica (o energíapiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo, se puede de- de deformación, llamada así debido a las de-cir que un sistema con energía cinética nula está en repo- formaciones elásticas). Una onda también esso. En problemas relativistas la energía de una partícula capaz de transmitir energía al desplazarse porno puede ser representada por un escalar invariante, sino un medio elástico.por la componente temporal de un cuadrivector energía-momento (cuadrimomento), ya que diferentes observa- En electromagnetismo se tiene a la:dores no miden la misma energía si no se mueven a lamisma velocidad con respecto a la partícula. Si se consi- • Energía electromagnética, que se compone de:deran distribuciones de materia continuas, la descripciónresulta todavía más complicada y la correcta descripción • Energía radiante: la energía que poseen las on-de la cantidad de movimiento y la energía requiere el uso das electromagnéticas.del tensor de energía-impulso. • Energía calórica: la cantidad de energía que laSe utiliza como una abstracción de los sistemas físicos unidad de masa de materia puede desprenderpor la facilidad para trabajar con magnitudes escalares, al producirse una reacción química de oxida-en comparación con las magnitudes vectoriales como la ción.velocidad o la aceleración. Por ejemplo, en mecánica, sepuede describir completamente la dinámica de un sistema • Energía potencial eléctrica (véase potencialen función de las energías cinética, potencial, que compo- eléctrico)nen la energía mecánica, que en la mecánica newtonianatiene la propiedad de conservarse, es decir, ser invariante • Energía eléctrica: resultado de la existencia deen el tiempo. una diferencia de potencial entre dos puntos.Matemáticamente, la conservación de la energía para un En la termodinámica están:sistema es una consecuencia directa de que las ecuacionesde evolución de ese sistema sean independientes del ins- • Energía interna, que es la suma de la energía mecá-tante de tiempo considerado, de acuerdo con el teorema nica de las partículas constituyentes de un sistema.de Noether. • Energía térmica, que es la energía liberada en forma2.1.5 Energía en diversos tipos de sistemas de calor. físicos • Potencial termodinámico, la energía relacionada con las variables de estado. Física relativistaLa energía también es una magnitud física que se pre- En la relatividad están:senta bajo diversas formas, está involucrada en todos losprocesos de cambio de estado físico, se transforma y se • Energía en reposo, que es la energía debida a la masatransmite, depende del sistema de referencia y fijado es- según la conocida fórmula de Einstein, E=mc2, quete se conserva.[1] Por lo tanto, todo cuerpo es capaz de establece la equivalencia entre masa y energía.poseer energía en función de su movimiento, posición,temperatura, masa, composición química, y otras propie- • Energía de desintegración, que es la diferencia dedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, energía en reposo entre las partículas iniciales y fi-se dan varias definiciones de energía, todas coherentes y nales de una desintegración.

12 CAPÍTULO 2. ENERGÍAAl redefinir el concepto de masa, también se modifi- biológicos, como norma general resultante delca el de energía cinética (véase relación de energía- metabolismo celular (véase Ruta metabólica).momento). Dada una partícula material, no puede ha-blarse de una energía bien definida e idéntica para todos Podemos encontrar ejemplos de energía química en la vi-los observadores, de hecho la energía y el momentum li- da de los seres vivos, es decir, en la vida biológica. Dos deneal son parte del un único cuadrimomentum que es un los procesos más importantes que necesitan de este tipocuadrivector. La «energía» es la componente temporal de de energía es el proceso de fotosíntesis en vegetales y laeste cuadrimomentum, pero debido a la naturaleza de la respiración en los animales. En la fotosíntesis, los vegeta-relatividad de la misma manera que el intervalo de tiempo les utilizan clorofila para separar el agua y así convertirlao la distancia espacial es relativa al observador, las com- después en hidrógeno y oxígeno: el hidrógeno, combina-ponentes espaciales (momentum lineal) y temporal (ener- do con el carbono del ambiente, producirá carbohidratos.gía) del cuadrimomentum son relativas al observador. Pa- En la respiración sucede lo contrario: el oxígeno es utili-ra un medio continuo o un campo físico, las dificultades zado para quemar moléculas de carbohidratos.son aún mayores y en general la energía no está asociadaa un cuadrimomentum sino al tensor energía-impulso. 2.1.6 Energía potencialEn relatividad general, el «campo» gravitatorio no es pro- Es la energía que se le puede asociar a un cuerpo o sis-piamente un campo físico ordinario, lo cual lleva a difi- tema conservativo en virtud de su posición o de su con-cultades para atribuir una energía dada a un sistema no figuración. Si en una región del espacio existe un campoaislado, ya que un campo gravitatorio no estacionario no de fuerzas conservativo, la energía potencial del campoda lugar a una energía potencial bien definida. en el punto (A) se define como el trabajo requerido para mover una masa desde un punto de referencia (nivel deFísica cuántica tierra) hasta el punto (A). Por definición el nivel de tie- rra tiene energía potencial nula. Algunos tipos de energíaEn física cuántica, la energía es una magnitud ligada al potencial que aparecen en diversos contextos de la físicaoperador hamiltoniano. La energía total de un sistema no son:aislado de hecho puede no estar definida: en un instantedado la medida de la energía puede arrojar diferentes va- • La energía potencial gravitatoria asociada a la po-lores con probabilidades definidas. En cambio, para los sición de un cuerpo en el campo gravitatorio (ensistemas aislados en los que el hamiltoniano no depen- el contexto de la mecánica clásica). La energía po-de explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí tencial gravitatoria de un cuerpo de masa m en untienen una energía bien definida. Además de la energía campo gravitatorio constante viene dada por: Ep =asociada a la materia ordinaria o campos de materia, en mgh donde h es la altura del centro de masas res-física cuántica aparece la: pecto al cero convencional de energía potencial. • Energía del vacío: un tipo de energía existente en el • La energía potencial electrostática V de un siste- espacio, incluso en ausencia de materia. ma se relaciona con el campo eléctrico mediante la relación:Química E = − grad VEn química aparecen algunas formas específicas no men-cionadas anteriormente: siendo E el valor del campo eléctrico. • Energía de ionización, una forma de • La energía potencial elástica asociada al campo de energía potencial, es la energía que hace tensiones de un cuerpo deformable. falta para ionizar una molécula o átomo. La energía potencial puede definirse solamente cuando • Energía de enlace, es la energía potencial existe un campo de fuerzas que es conservativa, es decir, almacenada en los enlaces químicos de que cumpla con alguna de las siguientes propiedades: un compuesto. Las reacciones químicas liberan o absorben esta clase de energía, 1. El trabajo realizado por la fuerza entre dos puntos en función de la entalpía y energía caló- es independiente del camino recorrido. rica. 2. El trabajo realizado por la fuerza para cualquier ca-Si estas formas de energía son consecuencia mino cerrado es nulo.de interacciones biológicas, la energía resul-tante es bioquímica, pues necesita de las mis- 3. Cuando el rotor de F es cero (sobre cualquier domi-mas leyes físicas que aplican a la química, pe- nio simplemente conexo).ro los procesos por los cuales se obtienen son

2.2. ENERGÍA COMO RECURSO NATURAL 13Se puede demostrar que todas las propiedades son equi- se realiza con un 100 % de rendimiento, ya quevalentes (es decir que cualquiera de ellas implica la otra). siempre se producen unas pérdidas de energía tér-En estas condiciones, la energía potencial en un punto ar- mica no recuperable. El rendimiento de un sistemabitrario se define como la diferencia de energía que tiene energético es la relación entre la energía obtenida yuna partícula en el punto arbitrario y otro punto fijo lla- la que suministramos al sistema.mado «potencial cero».2.1.7 Energía cinética de una masa pun- 2.1.10 Unidades de medida de energía tual La unidad de energía definida por el Sistema Internacio-La energía cinética es un concepto fundamental de la físi- nal de Unidades es el julio, que se define como el trabajoca que aparece tanto en mecánica clásica, como mecánica realizado por una fuerza de un newton en un desplaza-relativista y mecánica cuántica. La energía cinética es una miento de un metro en la dirección de la fuerza. Es de-magnitud escalar asociada al movimiento de cada una de cir, equivale a multiplicar un newton por un metro. Exis-las partículas del sistema. Su expresión varía ligeramente ten muchas otras unidades de energía, algunas de ellas ende una teoría física a otra. Esta energía se suele designar desuso.como K, T o Ec. 2.2 Energía como recurso naturalEl límite clásico de la energía cinética de un cuerpo rí-gido que se desplaza a una velocidad v viene dada por la En tecnología y economía, una fuente de energía es unexpresión: recurso natural, así como la tecnología asociada para ex- plotarla y hacer un uso industrial y económico del mismo.Ec = 1 mv2 La energía en sí misma nunca es un bien para el consumo 2 final sino un bien intermedio para satisfacer otras nece- sidades en la producción de bienes y servicios. Al ser unUna propiedad interesante es que esta magnitud es bien escaso, la energía ha sido históricamente fuente deextensiva por lo que la energía de un sistema puede ex- conflictos para el control de los recursos energéticos.presarse como «suma» de las energías de partes disjuntasdel sistema. Así por ejemplo puesto que los cuerpos es- Es común clasificar las fuentes de energía según inclu-tán formados de partículas, se puede conocer su energía yan el uso irreversible o no ciertas materias primas, comosumando las energías individuales de cada partícula del combustibles o minerales radioactivos. Según este crite-cuerpo. rio se habla de dos grandes grupos de fuentes de energía explotables tecnológicamente:2.1.8 Magnitudes relacionadas Energías renovables:La energía se define como la capacidad de realizar un tra-bajo. Energía y trabajo son equivalentes y, por tanto, se • Energía eólicaexpresan en las mismas unidades. El calor es una formade energía, por lo que también hay una equivalencia entre • Energía geotérmicaunidades de energía y de calor. La capacidad de realizarun trabajo en una determinada cantidad de tiempo es la • Energía hidráulicapotencia. • Energía mareomotriz2.1.9 Transformación de la energía • Energía solar • Energía cinéticaPara la optimización de recursos y la adaptación a nues- • Biomasatros usos, necesitamos transformar unas formas de ener- • Energía maremotérmicagía en otras. Todas ellas se pueden transformar en otra • Energía azulcumpliendo los siguientes principios termodinámicos:• «La energía no se crea ni se destruye; solo se trans- • Energía termoeléctrica forma». De este modo, la cantidad de energía inicial • Energía nuclear de fusión es igual a la final.• «La energía se degrada continuamente hacia una Fuentes de Energías no renovables (o nuclear-fósil): forma de energía de menor calidad (energía térmi- ca)». Dicho de otro modo, ninguna transformación • Carbón

14 CAPÍTULO 2. ENERGÍA• Gas natural 2.4.1 Bibliografía • Petróleo • Alonso, Marcelo; Edward J. Finn (1976). Físi- • Energía nuclear o atómica, que requiere de uranio o ca. Fondo Educativo Interamericano. ISBN 84-03- 20234-2. plutonio. • Callen, Herbert B. (1985). Thermodynamics and an2.3 Véase también Introduction to Thermostatistics. John Wiley & Sons. • Portal:Energía. Contenido relacionado con • Landau, L. D.; Lifshitz, E. M. (1972). Mechanics Energía. and Electrodynamics, Vol. 1. Franklin Book Com- pany, Inc. ISBN 0-08-016739-X. • Aceleración • Anexo:Temas relacionados con el uso de la energía • Kleppner, D. and Kolenkow, R. J., An Introduc- • Conservación de la energía tion to Mechanics, McGraw-Hill (1973). ISBN 0-07- • Electromecánica 035048-5 • Energía de Gibbs • Energía de Helmholtz • Herbert Goldstein, Charles P. Poole, John L. Safko, • Energía del punto cero Classical Mechanics (3rd Edition), Addison Wesley; • Energía interna ISBN 0-201-65702-3 • Entalpía • Entropía • Robert Martin Eisberg, Fundamentals of Modern • Exergía Physics, John Wiley and Sons, 1961 • Fuerza • Inercia • Richard Feynman (1974). Feynman lectures on Phy- sics Volume 2 (en inglés). Addison Wesley Long- man. ISBN 0-201-02115-3. • Reif, Federick (1985). Fundamentals of Statistical and Thermal Physics. McGraw-Hill. • G. J. Sussmann & J. Wisdom, Structure and Inter- pretation of Classical Mechanics, MIT Press (2001). ISBN 0-262-019455-4 • Zemansky, Mark W. (1985). Calor y termodinámi- ca. Madrid: McGraw-Hill. ISBN 84-85240-85-5.• Julio (unidad) 2.4.2 Enlaces externos• Masa• Neguentropía • Wikimedia Commons alberga contenido multi-• Señal media sobre Energía. Commons• Sostenibilidad energética • Wikiquote alberga frases célebres de o sobre• Teoría de la relatividad Energía. Wikiquote • Trabajo (física) • Wikcionario tiene definiciones y otra informa- ción sobre energía.Wikcionario2.4 Referencias Wikinoticias[1] Alomá Chávez, Eduardo; Malaver, Manuel (7 de marzo • Artículos en Wikinoticias: La Comisión Europea de 2007). Los conceptos de calor, trabajo, energía y teo- debate desde hoy el futuro de la política energética rema de Carnot en textos universitarios de termodinámi- europea. ca (38). Caracas, Venezuela: EDUCERE. p. 481. ISSN 1316-4910. Consultado el 30 de noviembre de 2014. • Teoría física sobre energía y trabajo, en la web de la Universidad del País Vasco.[2] «Measurement unit conversion: cheval vapeur heure» (en inglés). Consultado el 6 de julio de 2009. «The SI derived • Apuntes de mecánica clásica. unit for energy is the joule. 1 joule = 3,77672671473E-7 cheval vapeur heure».

Capítulo 3Reactores de fusión nuclear 3.1 Proyectos y experimentación Existen proyectos de mini-reactores de fusión compactos muy interesantes, que se espera sean viables a corto pla- zo. Como el High beta fusion reactor y el The Polywell Nuclear Reactor, que de ser factibles, harían realidad el sueño del ser humano, de contener la energía de las estre- llas, dentro de una botella.[4][5][6]El Reactor de fusión experimental JET, del tipo tokamak, es el Hasta el momento, uno de los reactores de fusión que hamás grande del mundo en la actualidad. demostrado alguna eficiencia energética, fue en1991 el Joint European Torus (JET). Logró un pico de 1,7 MW,Los reactores de fusión nuclear son proyectos experi- el cual fue el mejor registro en el mundo hasta el 2004. Enmentales, viables, que se hallan en proceso de diseño y este mismo experimento se consiguió un valor de Q=~0,7realización. Se utilizarán para generación de energía a donde Q es el ratio entre la energía saliente y la energíapartir de la fusión termonuclear de iones confinados por entrante del reactor, es decir en este caso para producircampos magnéticos. los 16 MW de potencia se requirió 22,8 MW, lo cual co- mo es lógico imposibilita por ahora su viabilidad (UnaEn 1854, Hermann von Helmholtz propuso que era la planta autosuficiente requiere mínimo un Q>1).[7]propia gravedad del Sol la que permitía liberar gran canti-dad de energía. Postulaba que si la materia de una estrella Los reactores experimentales en construcción, como elcae hacia su centro, la estrella se contraerá gradualmen- proyecto internacional (ITER), siglas de Internationalte, y en contrapartida emitirá radiación durante mucho Thermonuclear Experimental Reactor, guiarán la viabili-tiempo.[1][2] dad de los distintos sistemas de generación de energía por fusión en nuestro planeta.[8] Demostrará que científica yToda esa masa estelar, al contraerse y fusionarse bajo la técnicamente el método de fusión es viable. Tendrá quepresión extrema de la gravedad, hace que el hidrógeno se ser capaz de generar 500 megavatios de energía durantereconvierta en helio (He). En estas reacciones, aproxima- cierto tiempo. El proyecto tendrá una función experimen-damente 0,5% de la masa del hidrógeno se convierte en tal para probar tecnologías imprescindibles con el fin deenergía, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein crear multitud de centrales de fusión industrial en todo elE=mc2, que relaciona la masa y la energía. De este mo- mundo. Se estima que para 2040 estará terminado tododo, las estrellas irradian energía en modalidad de luz y de el proyecto de investigación. El ITER producirá diez vecescalor. más que la energía requerida como combustible.Para emular al Sol y reproducir una fusión artificial a pe- Los socios del proyecto ITER, liderados por la Unión Eu-queña escala, en lugar de hidrógeno, como combustibles ropea, son Estados Unidos, China, Rusia, Japón y Corease utilizan deuterio (²H) y tritio (³H), según los criterios del Sur.de Lawson, aunque en algunos proyectos, también se ex-perimenta con Helio-3 (³He),[3] dado que, para fusionar- El Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambienta-se, estos tres isótopos del hidrógeno y el helio, necesitan les y Tecnológicas (CIEMAT) es el referente de investiga-menor energía calorífica que la utilizada por las estrellas. ción española en el campo de la fusión nuclear. En junio de 2005 los socios del proyecto ITER acordaron construir- lo en Francia. Su coste de construcción será de unos 4700 millones de euros, con posibilidad de llegar el total de la financiación a 15 000 millones de euros. El ITER entrará en funcionamiento aproximadamente el año 2025. Se espera que para mediados de siglo las nue-15

16 CAPÍTULO 3. REACTORES DE FUSIÓN NUCLEARvas generaciones puedan disfrutar de una energía que no tado, superior al estado gaseoso. A este cuarto estado seembargue el futuro de la humanidad. 11 le denomina «plasma».3.2 Funcionamiento Para conservar estas altas temperaturas, hay que evitar que el plasma choque contra las paredes del reactor. ACon el fin de entender algo mejor el fenómeno de fusión fin de evitar estos choques se utilizan campos magnéti-nuclear hay que adentrarse en la física atómica y tener en cos. Con ayuda de estos campos las partículas del plasmacuenta que el átomo se compone de un núcleo central for- siguen las líneas magnéticas, como si fuesen guiadas pormado por protones, que tienen carga eléctrica positiva, y un carril. Para evitar que las partículas choquen contraneutrones, que son eléctricamente neutros. Orbitando al- los extremos del reactor, científicos rusos inventaron elrededor del núcleo se encuentran los electrones, cargados reactor «Tokamak».negativamente. Un tokamak (cámara toroidal) es un reactor de fusión deLa fuerza nuclear fuerte es la fuerza fundamental que forma cilíndrica y anular (algo parecido a una rosquillamantiene unido el núcleo, los protones y los neutrones. «(dona)» o a la cámara de goma de una rueda de auto-Debido a su carga negativa, los electrones resultan atraí- móvil): un tubo sin extremos rodeado exteriormente condos hacia el núcleo por fuerzas eléctricas menos potentes unas bobinas que deben proporcionarle el campo mag-que la fuerza nuclear fuerte. nético. Este tipo de reactor también recibe el nombre de «toro». 2H 3H Dentro del tokamak la temperatura es muy alta: unos 150 millones de grados. Para que el reactor sea seguro nece- sita presión baja con el fin de que la densidad del plasma también lo sea. Tecnológicamente esto puede ser compli- cado, pero es indispensable para el buen funcionamiento del reactor.[10] En caso de accidente, en un reactor de fusión los combus- tibles (D y T) no generan reacción en cadena que pueda contaminar el ambiente como ocurre con la fisión nuclear. Si al reactor de fusión se le deja de suministrar combus- tible, cesa la reacción. Ello implica que este tipo de reac- ción, por fusión, sea limpio, seguro y ecológico.4He + 3.5 MeVn + 14.1 MeVFusión: Deuterio + Tritio = Helio + neutrón + energía.Para que pueda ocurrir una reacción de fusión, dos áto-mos ligeros tienen que unir sus núcleos, cuyo resultado esun núcleo mayor. En este proceso se libera energía queproviene de la fuerza nuclear fuerte que unía el núcleo.[9]Con el fin de conseguir la fusión de dos átomos, hay que Interior de un reactor de fusión Tokamak.superar la fuerza de repulsión mutua que ejercen los pro-tones de los dos núcleos. Sólo si ambos núcleos se acercan En la fusión hay que fusionar al deuterio con un átomolo suficiente pueden superar la cresta de repulsión. Esto se de tritio, cuyo resultado de la reacción es un neutrón, unconsigue haciéndolos chocar a gran velocidad y elevando átomo de helio y mucho calor, como consecuencia de lala temperatura del reactor entre 100 y 150 millones de destrucción de la fuerza nuclear fuerte de los núcleos degrados. los átomos de deuterio y de tritio.A esas temperaturas los átomos se mueven a una veloci- Fusionando litio (Li) se obtendrían tritio y helio (He). Lasdad tal que provocan la separación en núcleos y electroneslibres, pues dejan de estar unidos por la fuerza eléctricaque los unía. Tal condición de la materia es el cuarto es-

3.4. EL PLASMA 17reservas de litio en el planeta son muy abundantes, por lo cera generación. La tercera generación de combustiblesque se dispondría de T durante miles de años. de fusión producen sólo partículas cargadas en el proce- so de fusión y no hay reacciones laterales. Por lo tanto,El deuterio se obtiene del hidrógeno del agua, por lo cual no habría ninguna activación radioactiva en el reactor dese convierte en una fuente casi inagotable de combustible. fusión. A menudo esto es visto como el objetivo final deEn un litro de agua hay 33 miligramos de deuterio. Si se la investigación de la fusión. El ³He es el combustible dele fusiona con tritio se obtiene energía comparable a 350 tercera generación que es más probable que se utilice pri-litros de gasolina. mero ya que tiene la menor reactividad de Maxwell en comparación con otros combustibles de fusión de terceraEn un reactor de fusión la presencia de tritio es un asunto generación.de seguridad importante, porque es un gas radiactivo queen estado natural tarda doce años en volverse inocuo. Ar- ³He + ³He → 2p + 4He (12,86 MeV)tificialmente se produce en el interior del reactor a partirde litio. Por ello no hay que transportar el material ra- Otra reacción de fusión aneutrónica podría ser la dediactivo. En una central en funcionamiento nunca se acu- protón-boro:mularía mucha cantidad de este elemento químico. Lasparedes del reactor se vuelven radiactivas; esta radiacti- p + 11B → 34Hevidad desaparece totalmente en unos cincuenta años. Según estimaciones razonables, las reacciones laterales3.3 Combustible serían de alrededor del 0,1% de la energía de fusión lle- vada a término por los neutrones. Con 123 keV, la tem-Aunque a día de hoy, no existen reactores de fusión que peratura óptima de esta reacción es cerca de diez veceshayan operado durante períodos de tiempo relevantes, ni más que para las reacciones de hidrógeno puro, el confi-que hayan permitido aprovechar su energía, los principa- namiento de energía debiera ser 500 veces mejor que lales combustibles que podrían utilizarse en estos reactores requerida para la reacción D-T, y la densidad de energíaserían el tritio (³H) y el deuterio (²H), pudiendo usar tam- seria 2.500 veces más baja que para D-T.[11][12]bién el helio tres (³He). Muchos otros elementos puedenfusionarse si se les fuerza a acercarse entre sí lo suficiente, 3.4 El plasmapara lo cual es necesario alcanzar temperaturas suficien-temente altas. En general, se considera que habrá tres ge- Es el cuarto estado de la materia; es un gas ionizado, o seaneraciones de combustibles de fusión dependiendo de la que los núcleos están separados en dos tipos de partículas:factibilidad técnica de poder lograr la fusión de distintos iones (positivos) y electrones (negativos).[13] De este mo-núcleos atómicos de elementos ligeros. do el plasma es un estado parecido al gas, pero compuesto por electrones, cationes (iones de carga positiva) y neu-Combustible de fusión de primera generación: trones, todos separados entre sí y libres. Por esta razón es un excelente conductor.[14]El deuterio y el tritio son considerados la primera genera-ción de combustibles de fusión; existen varias reacciones 3.5 Confinamientoen las cuales pueden fusionarse juntos. Las tres reaccio-nes más habituales son:²H + ³H → n (14,07 MeV) + 4He (3,52 MeV) Existen tres clases principales de confinamiento:²H + ²H → n (2,45 MeV) + ³He (0,82 MeV) • Confinamiento gravitatorio. Su creación es natu- ral. Se basa en confinamiento de las partículas por²H + ²H → p (3,02 MeV) + ³H (1,01 MeV) creación del potente campo gravitatorio de las estre- llas, fenómeno que actualmente no es posible imitarCombustible de fusión de segunda generación: en la Tierra, por lo cual se investiga la factibilidad de otros campos.La segunda generación de combustibles requiere o bienalcanzar temperaturas más altas de confinamiento para • Confinamiento magnético. Se basa en creación delograr la fusión o tiempos de confinamiento más prolon- campos magnéticos, con el objetivo de confinar ygados, que los requeridos para los combustibles de pri- guiar el gas plasmático ionizado en el interior delmera generación. Este grupo está formado por deuterio reactor. Para conseguir un funcionamiento óptimoy helio tres. Los productos de estos reactivos son todas es esencial contener el plasma confinado, para quepartículas cargadas, pero existen reacciones laterales no se mantenga unido y circule únicamente por sen-beneficiosas que llevan a la activación radioactiva de los deros previamente delimitados, sin contacto algunocomponentes del reactor de fusión. con las paredes del reactor, a fin de mantener una temperatura y una densidad plasmática óptimas pa-²H + ³He → p (14,68 MeV) + 4He (3,67 MeV) ra la fusión. Así se evitan:Combustible de fusión de tercera generación:Hay varios combustibles de fusión potenciales en la ter-

18 CAPÍTULO 3. REACTORES DE FUSIÓN NUCLEAR 1. Contaminaciones del plasma 2. Deterioro de la vasija 3. Fugas de radiación 4. Pérdidas de temperatura • Confinamiento inercial. Se basa en generación rá- pida de energía antes que el plasma pueda expandir- se. El combustible a baja temperatura se calienta rá- pidamente desde la superficie, cuyo resultado es un plasma que se comprime hasta alcanzar densidades muy elevadas y temperaturas termonucleares. Esto se logra generando calentamiento del combustible mediante láseres, por lo cual se obtiene presión muy potente, que se aplica sobre un punto concreto del gas ionizado, que lo presiona y genera ignición y fu- sión del combustible, así como expansión y calor de la reacción nuclear. El momento del confinamiento en sí es el tiempo de inercia entre la presión máxima y la expansión.[15][16]Proceso de implosión, comienzo de la fusión y de liberación de Trampa magnética toroidal.energía de una cápsula de combustible de fusión. 1. El rayo • Electroimanes, que inducen corriente en el plasma.láser calienta rápidamente la superficie del objetivo o blanco, locual genera plasma alrededor. 2. El objetivo se comprime debi-do a expulsión del material que lo rodeaba en la superficie. 3. Seproduce la implosión de la microcápsula, alcanza a obtener unadensidad de 20 veces la del plomo y hace ignición a 100 000 000°C. 4. La reacción termonuclear se distribuye por el combustible,provoca salida de varias veces la energía entrante, después ge-nera un efecto parecido al de una supernova y el objetivo quedaquemado.3.6 El campo magnético Todo esto se hace posible gracias a Hendrik Antoon Lo- rentz, que demuestra como las cargas eléctricas que circu-Este campo consta de sólo dos componentes: uno toroidal lan en el interior de un campo magnético, experimentany otro poloidal. una fuerza, llamada de Lorentz. La Ley de Lorentz ex-Los fundamentos magnéticos del confinamiento plasmá- plica, como una partícula cargada, que se mueve dentrotico son: de un campo magnético, expresa una fuerza que será per- pendicular al vector del campo y al vector del desplaza- miento, con lo que conseguiremos que la partícula circule siempre en el interior de dicho campo.• Campo magnético toroidal, generado por las bobi- 3.7 Campo toroidal nas equidistantes que hay alrededor del toroide. Está compuesto por bobinas. El giro tridimensional del• Campo magnético poloidal, producido por una co- eje central de la configuración se genera mediante dos bo- rriente eléctrica que fluye en el interior del plasma, binas centrales: una circular y otra helicoidal. La posición inducida principalmente por el solenoide central. horizontal del plasma se controla mediante las bobinas de campo vertical.• Campo magnético helicoidal, resultante de la suma de los campos toroidal y poloidal. Tiene forma de muelle enrollado sobre sí mismo.

3.10. TOKAMAK 193.8 Trampa magnética • Bobina poloidal: superconductora que confina y po- siciona el plasma del toroide. Se ubica en la parteSe obtiene por medio de varios conjuntos de bobinas (cir- más exterior, longitudinalmente al toroide.cular y helicoidal) que configuran totalmente las superfi-cies magnéticas antes de generar el plasma. • Cámara de vacío: mantiene en vacío el plasma. Es la primera barrera de confinamiento para el tritio.La acción conjunta de estos campos magnéticos origina Se encuentra en el interior del toroide.superficies magnéticas que guían las partículas del plasmapara que no choquen contra las paredes de la cámara. • Transformadores: conducen la electricidad que abastece a las bobinas toroidales y poloidales.3.9 Inicio de la reacción Los componentes que ayudan a elevar la temperaturaEl plasma se calienta con microondas a la frecuencia del plasma, hasta que alcance la temperatura crítica, sonciclotrónica de los electrones e inserción de haces de la inyección de haces o chorros de átomos neutros muyátomos neutros de hidrógeno. También se experimenta energéticos y las radiofrecuencias.con láseres para calentar el combustible e iniciar lareacción. Los Tokamak tienen varias cryopomps (criobombas), que trabajan bajo un frío extremo para refrigerar los imanes3.10 Tokamak de la trampa magnética, crear el vacío y así extraer mejor las cenizas del helio generado por la reacción de fusiónPara evitar que las partículas del plasma, choquen contra de deuterio-tritio.[18][19] Estas entran en funcionamientolos extremos del reactor, científicos rusos inventaron el después de que las bombas mecánicas hayan vaciado lareactor «Tokamak». mayor parte de las moléculas de aire y las impurezas de la cámara toroidal.Un Tokamak es un reactor de fusión, que tiene forma decámara toroidal o cilindro anular toroide, algo parecido El plasma que circula en el interior del «torus» central es-a una rosquilla sin extremos. Es un tubo hueco, rodea- tá compuesto por 50% de deuterio y 50% de tritio, lo cualdo exteriormente con unas bobinas que harán posible la puede generar millones de watts,,[20] que podrían abaste-trampa magnética. Este tipo de reactor también recibe el cer miles de casas, pero también hay que tener en cuentanombre de «toro». Por su interior circula el plasma con- que todo el proceso, requiere mucha energía, para man-finado, a más de 150 millones de grados, guiado desde tener el plasma circulando a tales temperaturas.el exterior por un campo magnético, con la finalidad deque el plasma no toque las paredes del Tokamak, lo cual En caso de accidente en un reactor de fusión, los combus-causaría pérdida de temperatura. tibles (D y T) no generan reacción en cadena que pueda contaminar el ambiente, como ocurre con la fisión nu-Si esta trampa magnética es lo suficientemente fuerte y clear. Si al reactor de fusión se le deja de suministrarsus guías magnetizadas forman confinamientos aislantes, combustible, cesa la reacción. Ello implica que este tipolos iones y electrones permanecerán atrapados en estas de reacción, por fusión, sea limpio, seguro y ecológico.vías magnéticas hasta que colisionan con otras partículasy se produzca la fusión. El proyecto ITER demostrará que científica y técnicamen- te el método Tokamak de fusión es viable. Tendrá queDentro del tokamak la temperatura es muy alta: unos 150 ser capaz de generar 500 megavatios de energía durantemillones de grados. Para que el reactor sea seguro nece- cierto tiempo. El proyecto tendrá una función experimen-sita presión baja con el fin de que la densidad del plasma tal para probar tecnologías imprescindibles con el fin detambién lo sea. Tecnológicamente esto puede ser compli- crear multitud de centrales de fusión industrial en todo elcado, pero es indispensable para el buen funcionamiento mundo. Se estima que para 2040 estará terminado tododel reactor.[17] el proyecto de investigación. El ITER producirá diez veces más que la energía requerida como combustible.El campo magnético de un Tokamak está compuesto por: Los socios del proyecto ITER, liderados por la Unión Eu- • Solenoide central: superconductor que induce la co- ropea, son Estados Unidos, China, Rusia, Japón y Corea rriente en el plasma. del Sur. • Bobina toroidal: superconductora que confina y es- El Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambienta- tabiliza el plasma. Está situada exteriormente en es- les y Tecnológicas (CIEMAT) es el referente de investiga- piral alrededor del toroide. ción española en el campo de la fusión nuclear. En junio de 2005 los socios del proyecto ITER acordaron construir- lo en Francia. Su coste de construcción será de unos 4 700 000 000 (cuatro mil setecientos millones) de euros, con posibilidad de llegar el total de la financiación a 15 000 000 000 (quince mil millones) de euros.

20 CAPÍTULO 3. REACTORES DE FUSIÓN NUCLEAREl ITER entrará en funcionamiento aproximadamente el No obstante, la vasija del núcleo en un reactor de fusión,año 2025. Se espera que para mediados de siglo las nue- no es 100% limpia y segura, ya que la radiación y las ex-vas generaciones puedan disfrutar de una energía que no tremas temperaturas a las que se encuentra sometido elembargue el futuro de la humanidad.[21] plasma, producen contaminación y peligrosidad. Al no existir reacción en cadena, la radiación se concentra úni-3.11 Stellarator camente en la vasija y sus inmediaciones.[22] A la espera de una fuente energética mejor, la fusión nu-Los Stellarators («estelaratores») son reactores de fusión clear es una posible esperanza, que aspira a terminar contoroidales con un campo magnético poloidal producido el uso inadecuado de los combustibles fósiles y la peligro-por bobinas exteriores al plasma. Su funcionamiento es sidad de la fisión nuclear.[23]continuo, pues no existe corriente plasmática inductivaalguna, ni implica riesgo de interrupciones, por no existir 3.13 Véase tambiéncorriente interna en el plasma.Existen tres tipos de estelaratores: • Campo magnético • Torsatrones: tienen bobinas helicoidales continuas. • Confinamiento magnético • Confinamiento inercial• Modulares: de bobinas no planas. • Fusión nuclear • Deuterio• Helíacos: conjunto de bobinas planas circulares, dis- • Combustible nuclear tribuidas a lo largo de una hélice enrollada alrededor • Tritio de una bobina central circular.Los resultados de los stellarators actuales han sido buenos, • Reactor Tokamak de Fusióniguales a los obtenidos en tokamaks. • Reactor Stellarator de Fusión • ITER - Reactor Tokamak experimental3.12 Ventajas y desventajasEl ser humano siempre ha soñado con alcanzar una fuente 3.14 Referenciasde energía inagotable, limpia y segura. Sin efectos noci-vos para el medio ambiente y la salud. Que cubra todas [1] «Clave Tech Systems. Hermann von Helmholtz.». Con-las necesidades del planeta, sin embargar el futuro de las sultado el 12 de marzo de 2015.nuevas generaciones. [2] «Ciencia Solar.». Consultado el 18 de diciembre de 2012.Estudiando el modelo de fusión termonuclear, que se pro- [3] «Helium-3 mining on the lunar surface.» (en inglés). Con-duce de forma permanente en el interior del Sol, se están sultado el 12 de marzo de 2015.realizando proyectos ecológicos, seguros y viables, cuyasreservas del combustible utilizado, (deuterio y tritio) son [4] «The Polywell Nuclear Reactor.» (en inglés). Consultadoprácticamente inagotables y pueden demostrar, además el 12 de marzo de 2015.de alta generación de energía, los mejores estándares deseguridad y respeto del entorno. [5] «Can the High beta fusion reactor work?.» (en inglés). Consultado el 12 de marzo de 2015.Sucede lo contrario en la fisión nuclear, donde el uranio [6] «Skunk Works Reveals Compact Fusion Reactor De-es un combustible altamente peligroso y escaso, ya que tails.» (en inglés). Consultado el 12 de marzo de 2015.fuera de control genera una reacción en cadena, de efec-tos catastróficos. Se calcula que las reservas de uranio en [7] «JET EUROPE'S LARGEST FUSION DEVICE.» (enel planeta se agotarán en unos cuantos decenios. En caso inglés). Consultado el 12 de marzo de 2015.de accidente en un reactor de fusión, bastaría suspenderel suministro de combustible, con lo cual deja de funcio- [8] «Fusion on Earth .» (en inglés). Consultado el 12 de marzonar el reactor y pocos metros más allá de la vasija cesa de 2015.la radiactividad, ya que el deuterio es inocuo y el tritioes un isótopo escasamente radiactivo (unas 10 000 veces [9] «Ciemat - Laboratorio Nacional de fusión.». Consultadomenor que el uranio), que además se podría reciclar en el el 18 de diciembre de 2012.interior del reactor. [10] «EFDA - JET & Fusión.» (en inglés). Consultado el 18 de diciembre de 2012.

3.15. ENLACES EXTERNOS 21[11] «Reacciones en la Fusión del Hidrógeno.». Consultado el 3 de mayo de 2015.[12] «Combustible nuclear.». Consultado el 3 de mayo de 2015.[13] «PPL Princeton Plasma Physics Laboratory is a U.S.» (en inglés). Consultado el 18 de diciembre de 2012.[14] «University of Wisconsin - Plasma Rotation in Toka- maks.» (en inglés). Consultado el 18 de diciembre de 2012.[15] «CIEMAT - El confinamiento.». Consultado el 7 de abril de 2011.[16] «The HiPER Project - The European High Power laser Energy Research.» (en inglés). Consultado el 7 de abril de 2011.[17] «EFDA - JET & Fusión.» (en inglés). Consultado el 18 de diciembre de 2012.[18] «UCM - FLUJOS DE ENERGíA Y PARTÍCULAS EN EL BORDE DEL PLASMA DEL TOKAMAK JET.». Consultado el 18 de diciembre de 2012.[19] «ITER NEWSLINE - Cold, cold world - Robert Arnoux.» (en inglés). Consultado el 11 de marzo de 2015.[20] «Princeton Plasma Physics Laboratory» (en inglés). Ar- chivado desde el original el 26 de noviembre de 2015. Consultado el 7 de abril de 2011.[21] «Proyecto internacional ITER. - Reactor Tokamak.» (en inglés). Consultado el 18 de diciembre de 2012.[22] «El País - Una fuente de energía del futuro.». Consultado el 18 de diciembre de 2012.[23] «ABC Periódico Electrónico S.A. - Un nuevo paso para lograr la fusión.». Consultado el 18 de diciembre de 2012.3.15 Enlaces externos • Ciencia Solar (Enciclopedia de la ciencia, la litera- tura, la historia y la tecnología). • Trampas magnéticas (Tres milenios del imán). • EUROPEAN FUSION DEVELOPMENT AGREEMENT (tomorrow’s energy supply). • ITER (The stellarator renaissance-Robert Arnoux). • Fusión (Fusión nuclear, la energía del futuro).

Capítulo 4 4.1 Objetivos de ITERITER Su objetivo es probar todos los elementos necesarios para la construcción y funcionamiento de un reactor de fusiónLogotipo de la organización. nuclear que serviría de demostración comercial, además de reunir los recursos tecnológicos y científicos de los programas de investigación desarrollados en ese enton- ces por la Unión Soviética, los Estados Unidos, Europa (a través de EURATOM) y Japón. El ITER cuenta con el auspicio de la IAEA, así como una forma de compartir los gastos del proyecto. 4.2 DiseñoLos participantes del proyecto ITEREl ITER es un experimento científico a gran escala que Sección del interior de la máquina.intenta demostrar que es posible producir energía de for-ma comercial mediante fusión nuclear. Los participantes El reactor experimental de fusión nuclear está basado enen el diseño conceptual de actividades del ITER eligie- el diseño ruso, llamado tokamak. Éste es la base de laron esta palabra para expresar sus esperanzas comunes construcción del modelo de demostración comercial.en que el proyecto podría conducir al desarrollo de unanueva forma de energía. El acrónimo original (Interna-tional Thermonuclear Experimental Reactor, en españolReactor Termonuclear Experimental Internacional) ya nose usa. Es un proyecto de gran complejidad ideado, en1986, para demostrar la factibilidad científica y tecnoló-gica de la fusión nuclear. El ITER se está construyendo enCadarache (Francia) y costará 14 000 millones de euros,convirtiéndolo en el quinto proyecto más costoso de lahistoria, después del Programa Apolo, de la Estación Es-pacial Internacional, del Proyecto Manhattan y del desa-rrollo del sistema GPS.[1] Iter, además, significa el caminoen latín, y este doble sentido refleja el rol de ITER en elperfeccionamiento de la fusión nuclear como una fuentede energía para usos pacíficos. 22

4.4. SELECCIÓN DE LA SEDE 23El ITER está diseñado para calentar un plasma de Hidró- 4.4 Selección de la sedegeno gaseoso hasta 100 millones de grados Celsius. ElITER debería generar su primer plasma en noviembre de Durante el proceso para definir emplazamiento del centro2020 y estar plenamente operativo en marzo de 2027.[2] de investigación y del futuro reactor de fusión se presen- taron varios inconvenientes. Durante el mes de noviem-ITER se basa en el concepto de “tokamak” de bre existe una pugna entre Francia y España por la ob-confinamiento magnético, en la que se contiene el plasma tención de la candidatura de la UE para situar el ITER.en una cámara de vacío con forma toroidal. El combus- La opción española tras descartar algunas fue Vandellós.tible - una mezcla de deuterio y tritio, dos isótopos del En diciembre de 2003 los seis miembros no pudieron de-hidrógeno - se calienta a temperaturas superiores a los cidirse entre situarlo en Francia o en Japón. Al parecer,150 millones °C, formando un plasma caliente. Los fuer- por motivos políticos los Estados Unidos estuvieron entes campos magnéticos se utilizan para mantener el plas- contra de la candidatura de Francia (se presume que sema lejos de las paredes, los cuales son producidos por bo- debió a su negativa a apoyar la invasión de Irak de 2003),binas superconductoras que rodean al contenedor, y por lo cual dificultó la decisión definitiva. El 26 de diciembreuna corriente eléctrica impulsada a través del plasma. El de 2003, se elige finalmente la candidatura de Cadaracheproblema reside en la enorme dificultad de comprimir el como la opción de la UE.hidrógeno de un modo uniforme. En las estrellas la gra-vedad comprime el hidrógeno en una esfera perfecta demodo que el gas se calienta uniforme y limpiamente. Enlas condiciones del diseño del reactor esta uniformidad esmuy difícil de alcanzar.4.3 HistoriaEl 21 de mayo de 2000 se anuncia que físicos estadou- Mapa de Cadarache, Francia, lugar escogido como sede denidenses han superado uno de los problemas de la fusión ITER.nuclear en dispositivos de tipo Tokamak, el fenómeno lla-mado modos localizados en el borde, o ELMs (por sus si- Se llegó a plantear la posibilidad de que la UE siguieseglas en inglés). Los ELM provocarían una erosión de las adelante con el proyecto sin Japón y Estados Unidos. Es-protecciones interiores de la cámara de vacío del reactor, to fue sugerido por la Comisión Europea y por Francia,obligando a su reemplazo frecuente. que contaban con que la aportación de estos dos paísesEn un artículo publicado el domingo 21 de mayo de 2000 podría sustituirse con la entrada de nuevos socios y conen la revista británica Nature Physics, un equipo dirigido aumentos de los países de la UE. Se había anunciado quepor Todd Evans de la empresa General Atomics, Cali- India, Suiza y Brasil estarían dispuestos a participar en elfornia, anuncia que descubrieron que un pequeño campo proyecto europeo.magnético resonante, proveniente de las bobinas especia-les ubicadas en el interior de la vasija del reactor, crea una Los sitios candidatos fueron:interferencia magnética “caótica” en el borde del plasmaque detiene la formación de flujos. • Cadarache (Cerca de Marsella), (contaba con el apo- yo de la UE, Rusia y China)El 24 de mayo de 2006 los siete socios del proyecto ITER--Unión Europea, Japón, Estados Unidos, Corea del Sur, • Rokkasho (Japón), (contaba con el apoyo de Estadosla India, Rusia y China-- firmaron en Bruselas el acuer- Unidos, Japón y Corea del Sur)do internacional para el lanzamiento del reactor de fusióninternacional con el modelo Tokamak, que se construirá • Vandellós (Tarragona, España), (no contaba con elen Cadarache, en el Sudeste de Francia usando el diseño apoyo de sus habitantes)Tokamak. Los costes de construcción del reactor se es-timaron en 4.570 millones de euros y la duración de laconstrucción en 10 años. La UE y Francia se comprome-tieron a contribuir con el 50% del coste, mientras que lasotras seis partes acordaron aportar cada una alrededor del10%.

24 CAPÍTULO 4. ITEREl 28 de junio de 2005 en Moscú, se llegó finalmente a unacuerdo sobre la localización del reactor, que fue ubicadoen Cadarache.La UE asumirá el 40% de los costes de construcción,Francia costeará un 10% adicional mientras que los cincosocios restantes sufragarán 10% cada uno.El Primer ministro de Francia en ese momento,Dominique de Villepin, consideró que el ITER conlle-varía la creación de 4.000 puestos de trabajo en su país.4.5 Véase también • Investigación e innovación en la Unión Europea • National Ignition Facility • JET • Proyecto IFMIF(International Fusion Materials Irradiation Facility)4.6 Referencias [1] Los proyectos científicos más costosos de nuestro tiempo [2] http://www.iter.org/faq#When_will_ITER_be_ operational4.7 Enlaces externos • Wikimedia Commons alberga contenido multi- media sobre ITER. Commons • Infografía sobre el proyecto ITER • Página web del Comisariado de Energía Atómica (CEA) sobre fusión magnética en francés • Gráfico interactivo en español. • Sitio oficial ITER • Sitio oficial de la Agencía EuropeaWikinoticias • Artículos en Wikinoticias: El ITER se construirá en FranciaCoordenadas: 43°41′15″N 5°45′42″E / 43.68750,5.76167

Capítulo 5Plasma (estado de la materia)Una lámpara de plasma. Las luces de neón generan luz gracias al plasma que hay en su interior. Una pista de plasma de transbordador espacial Atlantis durante la reentrada en la atmósfera de la Tierra, como se ha visto desde la Estación Espacial Internacional.Tormenta eléctrica.En física y química, se denomina plasma (del latín plas- conductores eléctricos y sus partículas responden fuer-ma, y del griego πλάσμα, formación) al cuarto estado temente a las interacciones electromagnéticas de largode agregación de la materia, un estado fluido similar alcance.[1]al estado gaseoso pero en el que determinada propor-ción de sus partículas están cargadas eléctricamente y no El plasma presenta características propias que no se danposeen equilibrio electromagnético, por eso son buenos en los sólidos, líquidos o gases, por lo que es considerado otro estado de agregación de la materia. Como el gas, el 25

26 CAPÍTULO 5. PLASMA (ESTADO DE LA MATERIA) v1 Δ t = s1 v2 Δ t = s2 v2 p1 p2 A1 h1 v1 A2 h2Mecánica de medios continuos.plasma no tiene una forma o volumen definido, a no ser El sol quizás sea el ejemplo de plasma más identificable.que esté encerrado en un contenedor; pero a diferenciadel gas en el que no existen efectos colectivos importan-tes, el plasma bajo la influencia de un campo magnéticopuede formar estructuras como filamentos, rayos y capasdobles.[2] Los átomos de este estado se mueven libremen-te; cuanto más alta es la temperatura más rápido se mue-ven los átomos en el gas, y en el momento de colisionar lavelocidad es tan alta que se produce un desprendimientode electrones.[3]Calentar un gas puede ionizar sus moléculas o átomos (re-duciendo o incrementado su número de electrones paraformar iones), convirtiéndolo en un plasma.[4] La ioniza-ción también puede ser inducida por otros medios, co-mo la aplicación de un fuerte campo electromagnéticomediante un láser o un generador de microondas, y esacompañado por la disociación de los enlaces covalentes,si están presentes.[5]El plasma es el estado de agregación más abundante de lanaturaleza, y la mayor parte de la materia en el Universovisible se encuentra en estado de plasma, la mayoría delcual es el enrarecido plasma intergaláctico (particular-mente el centro de intracúmulos) y en las estrellas.[6]5.1 Ejemplos de plasmasAlgunos ejemplos de plasmas son:[7]5.2 AplicacionesLa física de plasmas puede encontrar aplicación en diver- Las LCF son ejemplo de aplicación del plasma.sas áreas:[9] • Láseres de gas. • Descargas de gas (electrónica gaseosa).• Fusión termonuclear controlada. 5.3 Parámetros de un plasma• Física del espacio.• Astrofísica moderna. Puesto que existen plasmas en contextos muy diferentes y con características diversas, la primera tarea de la física• Conversión de energía de MHD del plasma es definir apropiadamente los parámetros que (magnetohidrodinámica) y propulsión iónica. deciden el comportamiento de un plasma. Los principales parámetros son los siguientes:• Plasmas de estado sólido.

5.4. MODELOS TEÓRICOS 275.3.1 Neutralidad y especies presentesEl plasma está formado por igual número de cargas posi-tivas y negativas, lo que anula la carga total del sistema.En tal caso se habla de un plasma neutro o casi-neutro.También existen plasmas no neutros o inestables, comoel flujo de electrones dentro de un acelerador de partícu-las, pero requieren algún tipo de confinamiento externopara vencer las fuerzas de repulsión electrostática.Los plasmas más comunes son los formados por Los relámpagos son un plasma que alcanza una temperatura deelectrones e iones. En general puede haber varias especies 27.000 °C.de iones dentro del plasma, como moléculas ionizadas po-sitivas (cationes) y otras que han capturado un electrón yaportan una carga negativa (aniones).5.3.2 LongitudesLa longitud de Debye o de apantallamiento mente incorrecto, hablar también de velocidad térmi-electromagnético.[10] También la longitud de una ca y de temperatura en plasmas lejos del equilibrio termodinámico.[cita requerida] En tal caso, se menciona laonda plasmática depende del contenido cóncavo de su temperatura que correspondería a una velocidad cuadrá- tica media determinada. La velocidad térmica de los elec-recipiente, el cual influye porque su paralelismo con trones es:respecto del eje x sobre la tierra afecta la longitud dedicha onda de espectro electromagnético.[cita requerida]5.3.3 La frecuencia de plasma vT e = (kTe/me)1/2Así como la longitud de Debye proporciona una medida 5.3.5 El parámetro de plasmade las longitudes típicas en un plasma, la frecuencia deplasma ( ωp ) describe sus tiempos característicos. Su- El parámetro de plasma ( Γ ) indica el número medio depóngase que en un plasma en equilibrio y sin densida- partículas contenidas en una esfera cuyo radio es la lon-des de carga se introduce un pequeño desplazamiento de gitud de Debye (esfera de Debye). La definición de plas-todos los electrones en una dirección. Estos sentirán la ma, según la cual la interacción electromagnética de unaatracción de los iones en la dirección opuesta, se moverán partícula con la multitud de partículas distantes dominahacia ella y comenzarán a oscilar en torno a la posición sobre la interacción con los pocos vecinos próximos, pue-original de equilibrio. La frecuencia de tal oscilación es de escribirse en términos del parámetro de plasma comolo que se denomina frecuencia de plasma. La frecuencia Γ ≫ 1 .[12][13] Esto es: hay un gran número de partículasde plasma de los electrones es:[11] contenidas en una esfera de Debye. Es común referirse a esta desigualdad como “condición de plasma”.ωpe = (nee2/meε0)1/2 Algunos autores adoptan una definición inversa del pará-donde me es la masa del electrón y e su carga. metro de plasma ( g = 1/Γ ), con lo que la condición de plasma resulta ser g ≪ 1 .[14] El parámetro de plasma de los electrones es:5.3.4 Temperatura: velocidad térmicaPor lo general las partículas de una determinada espe- Γ = (4π/3)neλD3cie localizadas en un punto dado no tienen igual veloci-dad: presentan por el contrario una distribución que en 5.4 Modelos teóricosel equilibrio térmico es descrita por la distribución deMaxwell-Boltzmann. A mayor temperatura, mayor será Tras conocer los valores de los parámetros descritos enla dispersión de velocidades (más ancha será la curva que la sección anterior, el estudioso de los plasmas deberá es-la representa). coger el modelo más apropiado para el fenómeno que le ocupe. Las diferencias entre diferentes modelos residenUna medida de tal dispersión es la velocidad cuadrá- en el detalle con el que describen un sistema, de modotica media que, en el equilibrio, se denomina tam-bién velocidad térmica. Es frecuente, aunque formal-

28 CAPÍTULO 5. PLASMA (ESTADO DE LA MATERIA)que se puede establecer así jerarquía en la que descrip- 5.4.2 Modelos cinéticos continuosciones de nivel superior se deducen de las inferiores trasasumir que algunas de las variables se comportan de for- Cuando la densidad de partículas del plasma es suficiente-ma prescrita. Estas asunciones o aproximaciones razona- mente grande es conveniente reducir la distribución de lasbles no son estrictamente ciertas pero permiten entender mismas a una función de distribución promediada.[18] Es-fenómenos que serían difíciles de tratar en modelos más ta representa la densidad de partículas contenida en unadetallados. región infinitesimal del espacio de fases, es decir el es- pacio cuyas coordenadas son posiciones y cantidades dePor supuesto, no todas las especies han de ser descritas de movimiento. La ecuación que gobierna la evolución tem-una misma forma: por ejemplo, debido a que los iones son poral de las funciones de distribución es la ecuación demucho más pesados que los electrones, es frecuente ana- Boltzmann. En el caso particular en el que las colisioneslizar la dinámica de los últimos tomando a los iones como son despreciables la ecuación de Boltzmann se reduce a lainmóviles o estudiar los movimientos de los iones supo- ecuación de Vlasov, demostrada por Anatoly Vlasov.[19]niendo que los electrones reaccionan mucho más rápidoy por tanto están siempre en equilibrio termodinámico. Los modelos físicos cinéticos suelen emplearse cuando la densidad numérica de partículas es tan grande que unPuesto que las fuerzas electromagnéticas de largo alcance modelado discreto resulta inabordable. Por otra parte, losson dominantes, todo modelo de plasma estará acoplado modelos cinéticos constituyen la base de los estudios ana-a las ecuaciones de Maxwell,[15] que determinan los cam- líticos sobre plasmas calientes.pos electromagnéticos a partir de las cargas y corrientesen el sistema.Los modelos fundamentales más usados en la física del 5.4.3 Modelos de fluidos o hidrodinámicosplasma, listados en orden decreciente de detalle, es decirde microscópicos a macroscópicos, son los modelos dis- Para plasmas a bajas temperaturas, en los que estudia-cretos, los modelos cinéticos continuos y los modelos de mos procesos cuyas velocidades características son mu-fluidos o hidrodinámicos. cho mayores que la velocidad térmica del plasma, pode- mos simplificar el modelo y asumir que todas las partícu-5.4.1 Modelos discretos las de una especie en un punto dado tienen igual veloci- dad o que están suficientemente cerca del equilibrio comoEl máximo detalle en el modelado de un plasma consiste para suponer que sus velocidades siguen la distribuciónen describir la dinámica de cada una de sus partículas se- de Maxwell-Boltzmann con una velocidad media depen-gún la segunda ley de Newton. Para hacer esto con total diente de la posición.[cita requerida] Entonces se pueden de-exactitud en un sistema de N partículas habría que cal- rivar unas ecuaciones de fluidos para cada especie que, encular del orden de N 2 interacciones. En la gran mayoría su forma más general, son llamadas ecuaciones de Navier-de los casos, esto excede la capacidad de cálculo de los Stokes. Lamentablemente en muchos casos estas ecua-mejores ordenadores actuales. ciones son excesivamente complejas e inmanejables; hay que recurrir entonces a simplificaciones adicionales. 5.5 Véase tambiénSin embargo, gracias al carácter colectivo de los plasmas, • Estado de agregación de la materiareflejado en la condición de plasma, es posible una sim- • Corte por plasmaplificación que hace mucho más manejable el cálculo. Es- • Lámpara de plasmata simplificación es la que adoptan los llamados modelos • Interacción plasma-parednuméricos Particle-In-Cell (PIC; Partícula-En-Celda): el • Sólidoespacio del sistema se divide en un número no muy gran- • Líquidode de pequeñas celdas.[16][17] En cada instante de la evo- • Gaslución se cuenta el número de partículas y la velocidadmedia en cada celda, con lo que se obtienen densidadesde carga y de corriente que, insertadas en las ecuacionesde Maxwell permiten calcular los campos electromagné-ticos. Tras ello, se calcula la fuerza ejercida por estoscampos sobre cada partícula y se actualiza su posición,repitiendo este proceso tantas veces como sea oportuno.Los modelos PIC gozan de gran popularidad en el estudio 5.6 Referenciasde plasmas a altas temperaturas, en los que la velocidadtérmica es comparable al resto de velocidades caracterís- [1] «Plasma». Consultado el 28 de octubre de 2011.ticas del sistema.

5.7. BIBLIOGRAFÍA 29[2] Serway, R.A.; Faughn, J.S. (2004). Fundamentos de físi- 5.7 Bibliografía ca 2 (6a edición). Cengage Learning Editores. p. 3. ISBN 9789706863812. Consultado el 28 de octubre de 2011. • Bittencourt, J.A. (2004). Fundamentals of plasma physics (en inglés). Ilustrada (3a edición). Springer.[3] Bittencourt, pp. 1-2 p. 678. ISBN 9780387209753. Consultado el 28 de octubre de 2011.[4] Luo, Q-Z; D'Angelo, N; Merlino, R. L. (1998). Shock for- mation in a negative ion plasma 5 (8). Department of Phy- • Chen, Francis F. (1984). Introduction to Plasma sics and Astronomy. Consultado el 20 de noviembre de Physics and Controlled Fusion: Plasma physics (en 2011. inglés) 1. Ilustrada, reimpresa (2a edición). Sprin- ger. p. 421. ISBN 9780306413322. Consultado el 28[5] Sturrock, Peter A. (1994). Plasma Physics: An Intro- de octubre de 2011. duction to the Theory of Astrophysical, Geophysical & Laboratory Plasmas. Cambridge University Press. ISBN • Sturrock, P.A. (1994). Plasma physics: an introduc- 0521448107. tion to the theory of astrophysical, geophysical, and laboratory plasmas (en inglés). Ilustrada (3a edi-[6] Se asegura ocasionalmente que más del 99% de la ma- ción). Cambridge University Press. p. 335. ISBN teria en el universo visible es plasma. Véase, por ejem- 9780521448109. Consultado el 28 de octubre de plo, D. A. Gurnett, A. Bhattacharjee (2005). Introduction 2011. to Plasma Physics: With Space and Laboratory Applica- tions. Cambridge, UK: Cambridge University Press. p. 2. 5.8 Enlaces externos ISBN 0521364833. y K Scherer, H Fichtner, B Heber (2005). Space Weather: The Physics Behind a Slogan. Ber- • Wikimedia Commons alberga contenido multi- lin: Springer. p. 138. ISBN 3540229078. Esencialmente, media sobre Plasma. Commons toda la luz visible del espacio viene de las estrellas, que son plasmas con una temperatura tal que emiten fuerte- • El Diccionario de la Real Academia Española tiene mente radiación en longitudes de onda visibles. Sin em- una definición para plasma. bargo, la mayoría de la materia ordinaria (o bariónica) en el universo se encuentra en el espacio intergaláctico, que es también un plasma, pero mucho más caliente, así que emite radiación primeramente como rayos X. El consenso científico actual es que alrededor del 96% de la densidad de energía total en el universo no es plasma o cualquier otra forma de materia ordinaria, sino una combinación de materia oscura fría y energía oscura.[7] Plasma science and technology (en inglés)[8] IPPEX Glossary of Fusion Terms (en inglés) Consultado el 28 de octubre de 2011.[9] Chen, pp. 13-16[10] Bittencourt, pp. 7-8[11] Bittencourt, p. 10[12] Sturrock, pp. 11-14[13] Chen, p. 11[14] Bittencourt, p. 9[15] Chen, pp. 54-55[16] Büchner, J.; Dum, C.T. (2003). Space plasma simu- lation (en inglés). Ilustrada. Springer. p. 1. ISBN 9783540006985. Consultado el 28 de octubre de 2011.[17] Dawson, J.M. (1983). «Particle simulation of plasmas». Rev. Mod. Phys. 55 (2): 403-447.[18] Chen, p. 225[19] Chen, pp. 230-236

Capítulo 6Trampa atómicaUna trampa atómica o trampa magnética es un dis- Normalmente las trampas atómicas tienen un campo re-positivo que utiliza un campo magnético para atrapar lativamente mínimo y sólo son capaces de atrapar átomosneutrones mediante un momento magnético. Aunque ta- cuya energía cinética corresponde a temperaturas del or-les dispositivos se han utilizado con diferentes propósi- den de una fracción de kelvin.tos en física, se los conoce especialmente por constituirla última etapa en el proceso de enfriamiento de átomos El mínimo requerido para la trampa magnética pue-para lograr el condensado de Bose-Einstein. Esta aplica- de producirse de diferentes formas, incluyendo trampasción fue propuesta originalmente por el físico David Prit- magnéticas permanentes, trampas con configuración Iof-chard.[1] fe, trampas QUIC, y otras.6.1 Principio de operación 6.2 Trampa atómica de microchipMuchos átomos tiene un momento magnético, es decir,que su energía cambia en un campo magnético de acuerdoa la ecuación:∆E = −µ⃗ · B⃗De acuerdo con los principios de mecánica cuántica, elmomento magnético de un átomo será cuantizado, valedecir, tomará alguno de ciertos valores discretos. Si elátomo se coloca en un fuerte campo magnético su mo-mento se alineará con el campo. Si un número de átomosse colocan en el mismo campo, se distribuirán sobre losvarios valores permitidos de quantum magnético para eseátomo.Si un campo magnético variable se superpone al campo fi- Trampa atómica de microchip desarrollada en el ILS,2005.jo, aquellos átomos cuyos momentos están alineados conel campo tendrán menor energía en un campo mayor. Co-mo una pelota cuesta abajo en una colina, los átomos ten-derán a ocupar lugares con un campo mayor, por lo quese los denomina átomos «buscadores de campo fuerte».A la inversa, aquellos átomos con un momento opues- La magnitud mínima del campo magnético puede lograr-to al campo tendrán mayor energía en un campo fuerte, se mediante el llamado «microchip atómico».[2] En la fi-tendiendo a ocupar lugares en un campo más débil, por gura se muestra uno de los primeros microchips utiliza-lo que se los llama átomos «buscadores de campo débil». dos como trampa atómica. El conductor en forma de Z (el circuito dorado impreso sobre la superficie de silicio) seEs imposible producir un máximo local de magnitud de coloca dentro del campo magnético uniforme cuya fuentecampo magnético en el espacio. Sin embargo sí puede no se vé en la figura. Solo serán atrapados los átomos conproducirse un mínimo local. Este mínimo puede atrapar campo magnético de spin positivo. A fin de prevenir laátomos buscadores de campo débil, si no tienen suficiente mezcla de estados de spin, el campo magnético externoenergía cinética como para escapar. 30

6.5. ENLACES EXTERNOS 31se inclinó en el plano del chip, proveyendo la rotación GNU y la Licencia Creative Commons Atribución-adiabática del spin al movimiento del átomo. En una pri- CompartirIgual 3.0 Unported.mera aproximación sólo la magnitud, pero no la orienta-ción del campo magnético es responsable de la energía • Grupos de investigación trabajando con trampasnecesaria para atrapar al átomo. atómicas (en inglés)El chip mostrado tiene un tamaño de 2 x 2 cm, pensa-do par simplificar su fabricación: no obstante podría sermucho menor. Con métodos litográficos convencionalespuede fabricarse un conjunto de trampas, donde cadaconjunto se considera como prototipo de una celda dememoria de q-bits en una computadora cuántica. La for-ma de transferir átomos o q-bits entre trampas está aúnen desarrollo. Se asume que existe un control eléctricomediante electrodos adicionales o uno óptico-adiabático,sin frecuencias resonantes.6.3 Aplicaciones del condensado de Bose-EinsteinEl condensado de Bose-Einstein requiere condiciones demuy alta densidad y muy baja temperatura en una nu-be de átomos. Se utiliza típicamente el enfriamiento porláser en una trampa magneto-óptica. Sin embargo, tal en-friamiento está limitado por el impulso de retroceso querecibe el átomo de un fotón simple. Lograr el condensa-do requiere enfriar a los átomos más allá del enfriamientopor láser, lo que significa que los láseres utilizados debenapagarse e iniciar un nuevo método de captura. Las tram-pas magnéticas se han usado para mantener muy fríos losátomos mientras el enfriamiento por evaporación reducela temperatura para alcanzar el condensado.6.4 Referencias [1] David E. Pritchard. “Cooling neutral atoms in a magnetic trap for precision spectroscopy.” Phys. Rev. Lett., 51, 1336 (1983). [2] M.Horikoshi; K.Nakagawa (2006). «Atom chip based fast production of Bose–Einstein condensate». Applied Phy- sics B (3 edición) 82: 363-366. doi:10.1007/s00340-005- 2083-z. • M. H. Anderson, et al. “Observation of Bose- Einstein condensation in a dilute atomic vapor.” Science, 269, 198 (1995).6.5 Enlaces externos • Esta obra deriva de la traducción de Magnetic trap (atoms) de Wikipedia en inglés, concreta- mente de esta versión, publicada por sus edito- res bajo la Licencia de documentación libre de

Capítulo 7Hidrógeno tes). El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural.[3]Representación animada de un átomo de deuterio, uno de los El isótopo del hidrógeno más común, conocido co-isótopos del hidrógeno. mo protio, está formado por un único protón y nin- gún neutrón. En los compuestos iónicos, puede tenerEl hidrógeno (en griego, de ὕδωρ hýdōr, genitivo ὑδρός una carga positiva (convirtiéndose en un catión llama-hydrós, y γένος génos «que genera o produce agua») es do hidrón, H+, compuesto únicamente por un protón, ael elemento químico de número atómico 1 representado veces en presencia de 1 o 2 neutrones); o carga negati-por el símbolo H. Con una masa atómica de 1,00794 (7) va (convirtiéndose en un anión conocido como hidruro,u, es el más ligero de la tabla de los elementos. Por lo H-). También se pueden formar otros isótopos, como elgeneral, se presenta en su forma molecular, formando el deuterio, con un neutrón, y el tritio, con dos neutrones. Engas diatómico H2 en condiciones normales. Este gas es 2001, fue creado en laboratorio el isótopo 4H y, a partirinflamable, incoloro, inodoro, no metálico e insoluble en de 2003, se sintetizaron los isótopos 5H hasta 7H.[4][5]agua.[1] El hidrógeno forma compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en la mayoría deDebido a sus distintas propiedades, el hidrógeno no se los compuestos orgánicos. Tiene un papel particularmen-puede encuadrar claramente en ningún grupo de la tabla te importante en la química ácido-base, en la que muchasperiódica, aunque muchas veces se sitúa en el grupo 1 reacciones implican el intercambio de protones (iones hi-(o familia 1A) por poseer un solo electrón en la capa de drógeno, H+) entre moléculas solubles. Puesto que es elvalencia o capa superior. único átomo neutro para el que se puede resolver ana- líticamente la ecuación de Schrödinger, el estudio de laEl hidrógeno es el elemento químico más abundante, al energía y del enlace del átomo de hidrógeno ha sido fun-constituir aproximadamente el 75 % de la materia visi- damental hasta el punto de haber desempeñado un papelble del universo.[2][nota 1] En su secuencia principal, las principal en el desarrollo de la mecánica cuántica.estrellas están compuestas principalmente por hidrógenoen estado de plasma. El hidrógeno elemental es relativa- Las características de este elemento y su solubilidad enmente raro en la Tierra y es producido industrialmente a diversos metales son muy importantes en la metalurgia,partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La puesto que muchos metales pueden sufrir fragilidad enmayor parte del hidrógeno elemental se obtiene in situ, es su presencia,[6] y en el desarrollo de formas seguras de al-decir, en el lugar y en el momento en que se necesita. Los macenarlo para su uso como combustible.[7] Es altamentemayores mercados del mundo disfrutan de la utilización soluble en diversos compuestos que poseen tierras rarasdel hidrógeno para el mejoramiento de combustibles fósi- y metales de transición,[8] y puede ser disuelto tanto enles (en el proceso de hidrocraqueo) y en la producción de metales cristalinos como amorfos.[9] La solubilidad delamoníaco (principalmente para el mercado de fertilizan- hidrógeno en los metales está influenciada por las distor- siones locales o impurezas en la estructura cristalina del metal.[10] 7.1 Etimología Hidrógeno, del latín «hydrogenium», y éste del griego antiguo ὕδωρ (hydro): ‘agua’ y γένος-ου(genos): ‘gene- rador’. 32

7.2. HISTORIA 33La palabra hidrógeno puede referirse tanto al átomo de de hierro por los protones de agua a alta temperatura pue-hidrógeno (descrito en este artículo), como a la molécu- de ser representada esquemáticamente por el conjunto dela diatómica (H2) que se encuentra a nivel de trazas en las siguientes reacciones:la atmósfera terrestre. Los químicos tienden a referirse aesta molécula como dihidrógeno,[11] molécula de hidró- Fe + H2O → FeO + H2geno, o hidrógeno diatómico, para distinguirla del átomodel elemento, que no existe de forma aislada en las con- 2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2diciones ordinarias.7.2 Historia 3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H27.2.1 Descubrimiento del hidrógeno y uso Muchos metales tales como circonio se someten a una reacción similar con agua lo que conduce a la producción de hidrógeno. El hidrógeno fue licuado por primera vez por James De- war en 1898 al usar refrigeración regenerativa y su in- vención se aproxima mucho a lo que conocemos hoy en día como termo.[14] Produjo hidrógeno sólido al año siguiente.[14] El deuterio fue descubierto en diciembre de 1931 por Harold Urey, y el tritio fue preparado en 1934 por Ernest Rutherford, Marcus Oliphant, y Paul Har- teck.[13] El agua pesada, que tiene deuterio en lugar de hidrógeno regular en la molécula de agua fue descubierto por el equipo de Urey en 1932.[14]Dirigible Hindenburg, 1936. François Isaac de Rivaz construyó el primer dispositivo de combustión interna propulsado por una mezcla de hi-El hidrógeno diatómico gaseoso, H2, fue el primero pro- drógeno y oxígeno en 1806. Edward Daniel Clarke inven-ducido artificialmente y formalmente descrito por T. tó el rebufo de gas de hidrógeno en 1819. La lámpara deVon Hohenheim (más conocido como Paracelso, 1493- Döbereiner y la Luminaria Drummond fueron inventadas1541) que lo obtuvo artificialmente mezclando metales en 1823.[14]con ácidos fuertes. Paracelso no era consciente de queel gas inflamable generado en estas reacciones químicas El llenado del primer globo con gas hidrógeno, fue docu-estaba compuesto por un nuevo elemento químico. En mentado por Jacques Charles en 1783.[14] El hidrógeno1671, Robert Boyle redescubrió y describió la reacción proveía el ascenso a la primera manera confiable de via-que se producía entre limaduras de hierro y ácidos dilui- jes aéreos después de la invención del primer dirigible dedos, o que resulta en la producción de gas hidrógeno.[12] hidrógeno retirado en 1852 por Henri Giffard.[14] El con-En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer de alemán Ferdinand von Zeppelin promovió la idea deel hidrógeno gaseoso como una sustancia discreta, iden- utilizar el hidrógeno en dirigibles rígidos, que más tardetificando el gas producido en la reacción metal - ácido fueron llamados zepelines; el primero de los cuales tuvocomo “aire inflamable” y descubriendo más profunda- su vuelo inaugural en 1900.[14] Los vuelos normales co-mente, en 1781, que el gas produce el agua cuando se menzaron en 1910 y para el inicio de la Primera Guerraquema a él. Generalmente se le da el crédito por su des- Mundial, en agosto de 1914, se habían trasladado 35 000cubrimiento como un elemento químico.[13][14] En 1783, pasajeros sin ningún incidente grave. Los dirigibles le-Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidró- vantados con hidrógeno se utilizan como plataformas degeno, (del griego υδρώ (hydro), agua y γένος-ου (genes) observación y bombarderos durante la guerra.[16]generar)[15] cuando él y Laplace reprodujeron el descu-brimiento de Cavendish, donde se produce agua cuando La primera travesía transatlántica sin escalas fue hechase quema hidrógeno.[14] por el dirigible británico R34 en 1919. A partir de 1928, con el Graf Zeppelin LZ 127,[17] el servicio regular deLavoisier produjo hidrógeno para sus experimentos sobre pasajeros prosiguió hasta mediados de la década de 1930conservación de la masa haciendo reaccionar un flujo de sin ningún incidente. Con el descubrimiento de las reser-vapor con hierro metálico a través de un tubo de hierro vas de otro tipo de gas ligero en los Estados Unidos es-incandescente calentado al fuego. La oxidación anaerobia te proyecto debió ser modificado, ya que el otro elemen- to prometió más seguridad, pero el gobierno de Estados Unidos se negó a vender el gas a tal efecto. Por lo tanto, H2 fue utilizado en el dirigible Hindenburg, el cual fue destruido en un incidente en vuelo sobre Nueva Jersey el 6 de mayo de 1937.[14] El incidente fue transmitido en vivo por radio y filmado. El encendido de la fuga de

34 CAPÍTULO 7. HIDRÓGENOhidrógeno se atribuyó como la causa del incidente, perolas investigaciones posteriores señalaron a la ignición delel revestimiento de tejido aluminizado por la electricidadestática.7.2.2 Papel del hidrógeno en la teoría cuánticaLas líneas del espectro de emisiones de hidrógeno en la regiónvisible. Estas son las cuatro líneas visibles de la serie de Balmer.Gracias a su estructura atómica relativamente simple, NGC 604, una enorme región de hidrógeno ionizado en laconsistente en un solo protón y un solo electrón para el Galaxia del Triángulo.isótopo más abundante (protio), el átomo de hidrógenoposee un espectro de absorción que pudo ser explica- planetas gaseosos gigantes. Las nubes moleculares de H2do cuantitativamente lo que supuso un punto central del están asociadas a la formación de las estrellas. El hidró-modelo atómico de Bohr que sirvió como un hito en el geno también juega un papel fundamental como combus-desarrollo la teoría de la estructura atómica. Además, tible de las estrellas por medio de las reacciones de fusiónla consiguiente simplicidad de la molécula de hidrógeno nuclear entre núcleos de hidrógeno.diatómico y el correspondiente catión dihidrógeno, H2+,permitió una comprensión más completa de la naturaleza En el universo, el hidrógeno se encuentra principalmentedel enlace químico, que continuó poco después con el tra- en su forma atómica y en estado de plasma, cuyas propie-tamiento mecano-cuántico del átomo de hidrógeno, que dades son bastante diferentes a las del hidrógeno molecu-había sido desarrollado a mediados de la década de 1920 lar. Como plasma, el electrón y el protón del hidrógenopor Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg. no se encuentran ligados, por lo que presenta una alta conductividad eléctrica y una gran emisividad (origen deUno de los primeros efectos cuánticos que fue explícita- la luz emitida por el Sol y otras estrellas). Las partículasmente advertido (pero no entendido en ese momento) fue cargadas están fuertemente influenciadas por los camposuna observación de Maxwell en la que estaba involucra- eléctricos y magnéticos. Por ejemplo, en los vientos so-do el hidrógeno, medio siglo antes de que se estableciera lares las partículas interaccionan con la magnetosfera te-completamente la teoría mecano-cuántica. Maxwell ob- rrestre generando corrientes de Birkeland y el fenómenoservó que el calor específico del H2, inexplicablemente, de las auroras.se desviaba del correspondiente a un gas diatómico pordebajo de la temperatura ambiente y comenzaba a pare- Bajo condiciones normales de presión y temperatura, elcerse cada vez más al correspondiente a un gas monoató- hidrógeno existe como gas diatómico, H2. Sin embargo,mico a temperaturas muy bajas. De acuerdo con la teoría el hidrógeno gaseoso es extremadamente poco abundantecuántica, este comportamiento resulta del espaciamiento en la atmósfera de la Tierra (1 ppm en volumen), debi-de los niveles energéticos rotacionales (cuantizados), que do a su pequeña masa que le permite escapar al influjose encuentran particularmente separados en el H2 debi- de la gravedad terrestre más fácilmente que otros gasesdo a su pequeña masa. Estos niveles tan separados im- más pesados. Aunque los átomos de hidrógeno y las mo-piden el reparto equitativo de la energía calorífica para léculas diatómicas de hidrógeno abundan en el espaciogenerar movimiento rotacional en el hidrógeno a bajas interestelar, son difíciles de generar, concentrar y purifi-temperaturas. Los gases diatómicos compuestos de áto- car en la Tierra. El hidrógeno es el decimoquinto elemen-mos pesados no poseen niveles energéticos rotacionales to más abundante en la superficie terrestre[20] La mayortan separados y, por tanto, no presentan el mismo efecto parte del hidrógeno terrestre se encuentra formando parteque el hidrógeno.[18] de compuestos químicos tales como los hidrocarburos o el agua.[21] El hidrógeno gaseoso es producido por algu-7.3 Abundancia nas bacterias y algas, y es un componente natural de las flatulencias. El metano es una fuente de enorme impor-El hidrógeno es el elemento químico más abundante del tancia para la obtención del hidrógeno.universo, suponiendo más del 75 % en materia normalpor masa y más del 90 % en número de átomos.[19] Esteelemento se encuentra en abundancia en las estrellas y los

7.4. PROPIEDADES 357.4 Propiedades muertes que se produjeron fueron de caída o quema del combustible diésel.[28]7.4.1 Combustión H2 reacciona directamente con otros elementos oxidan- tes. Una reacción espontánea y violenta puede ocurrir a temperatura ambiente con cloro y flúor, formando los ha- luros de hidrógeno correspondientes: Cloruro de hidró- geno y fluoruro de hidrógeno.[29] 7.4.2 Niveles energéticos electrónicosLa Turbina principal del transbordador espacial quema hidró-geno líquido con oxígeno puro, produciendo una llama casi invi-sibleEl gas hidrógeno (dihidrógeno[22]) es altamente inflama- Representación de los niveles energéticos del átomo de hidrógeno.ble y quema en las concentraciones de 4 % o más H2 enaire.[23] la entalpía de combustión de hidrógeno es −286kJ/mol;[24] él quema de acuerdo con la siguiente ecuaciónbalanceada.2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286kJ/mol)[25]Cuando se mezcla con oxígeno a través de una variedad Los primeros orbitales del átomo de hidrógeno (números cuánti-de proporciones, de hidrógeno explota por ignición. El cos principales y azimutales).hidrógeno quema violentamente en el aire, ignición au-tomáticamente en la temperatura de 560 °C.[26] Llamas El nivel energético del estado fundamental electrónicode hidrógeno-oxígeno puros queman en la gama del color de un átomo de hidrógeno es −13,6 eV, que equivaleultravioleta y son casi invisibles a simple vista, como lo a un fotón ultravioleta de, aproximadamente, 92 nm dedemuestra la debilidad de la llama de las turbinas princi- longitud de onda.pales del transbordador espacial (a diferencia de las lla-mas fácilmente visibles del cohete acelerador del sólido).Así que se necesita un detector de llama para detectar siuna fuga de hidrógeno está quemando. La explosión deldirigible Hindenburg era un caso infame de combustiónde hidrógeno, a causa se debatida, pero los materialescombustibles en la piel de la aeronave fueron responsa-bles del color de las llamas.[27] Otra característica de losfuegos de hidrógeno es que las llamas tienden a ascenderrápidamente con el gas en el aire, como se ilustra por lasllamas del Hindenburg, causando menos daño que fuegosde hidrocarburos. Dos terceras partes de los pasajeros delHindenburg sobrevivieron al incendio, y muchas de las

36 CAPÍTULO 7. HIDRÓGENOLos niveles energéticos del hidrógeno pueden calcularse Las primeras trazas observadas en una cámara de burbujas decon bastante precisión empleando el modelo atómico de hidrógeno líquido en el Bevatron.Bohr, que considera que el electrón orbita alrededor delprotón de forma análoga a la órbita terrestre alrededor del y temperatura el hidrógeno gaseoso contiene aproxima-Sol. Sin embargo, la fuerza electromagnética hace que el damente un 25 % de la forma para y un 75 % de la formaprotón y el electrón se atraigan, de igual modo que los orto, también conocida como “forma normal”.[32] La re-planetas y otros cuerpos celestes se atraen por la fuerza lación del equilibrio entre ortohidrógeno y parahidrógenogravitatoria. Debido al carácter discreto (cuantizado) del depende de la temperatura, pero puesto que la forma ortomomento angular postulado en los inicios de la Mecánica es un estado excitado, y por tanto posee una energía su-Cuántica por Bohr, el electrón en el modelo de Bohr so- perior, es inestable y no puede ser purificada. A tempe-lo puede orbitar a ciertas distancias permitidas alrededor raturas muy bajas, el estado de equilibrio está compuestodel protón y, por extensión, con ciertos valores de ener- casi exclusivamente por la forma para. Las propiedadesgía permitidos. Una descripción más precisa del átomo de físicas del para-hidrógeno puro difieren ligeramente dehidrógeno viene dada mediante un tratamiento puramen- las de la forma normal (orto).[33] La distinción entre for-te mecano - cuántico que emplea la ecuación de onda de mas orto/para también se presenta en otras moléculas oSchrödinger o la formulación equivalente de las integrales grupos funcionales que contienen hidrógeno, tales comode camino de Feynman para calcular la densidad de pro- el agua o el metileno.babilidad del electrón cerca del protón.[30] El tratamientodel electrón a través de la hipótesis de De Broglie (duali- La interconversión no catalizada entre el parahidrógenodad onda - partícula) reproduce resultados químicos (ta- y el ortohidrógeno se incrementa al aumentar la tempe-les como la configuración del átomo de hidrógeno) de ratura; por esta razón, el H2 condensado rápidamentemanera más natural que el modelo de partículas de Bohr, contiene grandes cantidades de la forma orto que pasaaunque la energía y los resultados espectrales son los mis- a la forma para lentamente.[34] La relación orto/para enmos. Si en la construcción del modelo se emplea la masa el H2 condensado es algo importante a tener en cuentareducida del núcleo y del electrón (como se haría en el para la preparación y el almacenamiento del hidrógenoproblema de dos cuerpos en Mecánica Clásica), se obtie- líquido: la conversión de la forma orto a la forma parane una mejor formulación para los espectros del hidró- es exotérmica y produce el calor suficiente para evaporargeno, y los desplazamientos espectrales correctos para el el hidrógeno líquido, provocando la pérdida del materialdeuterio y el tritio. Pequeños ajustes en los niveles energé- licuado. Catalizadores para la interconversión orto/para,ticos del átomo de hidrógeno, que corresponden a efectos tales como compuestos de hierro, son usados en procesosespectrales reales, pueden determinarse usando la teoría de refrigeración con hidrógeno.[35]mecano-cuántica completa, que corrige los efectos de larelatividad especial (ver ecuación de Dirac), y computan- Una forma molecular llamada \"hidrógeno molecular pro-do los efectos cuánticos originados por la producción de tonado\", H3+, se encuentra en el medio interestelar, don-partículas virtuales en el vacío y como resultado de loscampos eléctricos (ver Electrodinámica Cuántica).En el hidrógeno gaseoso, el nivel energético del estadoelectrónico fundamental está dividido a su vez en otrosniveles de estructura hiperfina, originados por el efecto delas interacciones magnéticas producidas entre los espinesdel electrón y del protón. La energía del átomo cuandolos espines del protón y del electrón están alineados essuperior que cuando los espines no lo están. La transiciónentre esos dos estados puede tener lugar mediante la emi-sión de un fotón a través de una transición de dipolo mag-nético. Los radiotelescopios pueden detectar la radiaciónproducida en este proceso, lo que sirve para crear mapasde distribución del hidrógeno en la galaxia.7.4.3 Formas elementales molecularesExisten dos tipos distintos de moléculas diatómicas de hi-drógeno que difieren en la relación entre los espines de susnúcleos:[31] En la forma de ortohidrógeno, los espines delos dos protones son paralelas y forman un estado triplete,en forma de para-hidrógeno, los spins son antiparalelas yforman un singular. En condiciones normales de presión

7.4. PROPIEDADES 37de se genera por la ionización del hidrógeno molecular el caso del monóxido de carbono, o los carbonatos metá-provocada por los rayos cósmicos. También se ha obser- licos. La mayoría de los compuestos orgánicos tambiénvado en las capas superiores de la atmósfera de Júpiter. contienen hidrógeno y, puesto que es el enlace carbono-Esta molécula es relativamente estable en el medio del es- hidrógeno el que proporciona a estos compuestos muchaspacio exterior debido a las bajas temperaturas y a la bají- de sus principales características, se hace necesario men-sima densidad. El H3+ es uno de los iones más abundantes cionar el enlace carbono-hidrógeno en algunas definicio-del universo, y juega un papel notable en la química del nes de la palabra “orgánica” en Química. (Estas recien-medio interestelar.[36] tes definiciones no son perfectas, sin embargo, ya que un compuesto indudablemente orgánico como la urea no po-7.4.4 Hidrógeno metálico dría ser catalogado como tal atendiendo a ellas).Si bien se suele catalogar al hidrógeno como no me- En la Química Inorgánica, los hidruros pueden servirtal, a altas temperaturas y presiones puede comportar- también como ligandos puente que unen dos centros me-se como metal. En marzo de 1996, un grupo de cientí- tálicos en un complejo de coordinación. Esta función esficos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore in- particularmente común en los elementos del grupo 13,formó de que habían producido casualmente, durante un especialmente en los boranos (hidruros de boro) y enmicrosegundo y a temperaturas de miles de kelvins y pre- los complejos de aluminio, así como en los clústers desiones de más de un millón de atmósferas (> 100 GPa), carborano.[21]el primer hidrógeno metálico identificable.[37] Algunos ejemplos de compuestos covalentes importantes7.4.5 Compuestos que contienen hidrógeno son: amoniaco (NH3), hidracina (N2H4), agua (H2O), peróxido de hidrógeno (H2O2), sulfuro de hidrógeno (H2S), etc.Compuestos covalentes y orgánicos HidrurosA pesar de que el H2 no es muy reactivo en condiciones A menudo los compuestos del hidrógeno se denominannormales, forma multitud de compuestos con la mayoría hidruros, un término usado con bastante inexactitud. Pa-de los elementos químicos. Se conocen millones de hi- ra los químicos, el término “hidruro” generalmente im-drocarburos, pero no se generan por la reacción directa plica que el átomo de hidrógeno ha adquirido carga par-del hidrógeno elemental con el carbono (aunque la pro- cial negativa o carácter aniónico (denotado como H-). Laducción del gas de síntesis seguida del proceso Fischer - existencia del anión hidruro, propuesta por G. N. LewisTropsch para sintetizar hidrocarburos parece ser una ex- en 1916 para los hidruros iónicos del grupo 1 (I) y 2 (II),cepción pues comienza con carbón e hidrógeno elemen- fue demostrada por Moers en 1920 con la electrolisis deltal generado in situ). El hidrógeno puede formar com- hidruro de litio (LiH) fundido, que producía una cantidadpuestos con elementos más electronegativos, tales como estequiométrica de hidrógeno en el ánodo.[38] Para los hi-los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo) o los calcógenos druros de metales de otros grupos, el término es bastante(oxígeno, azufre, selenio); en estos compuestos, el hidró- erróneo, considerando la baja electronegatividad del hi-geno adquiere carga parcial positiva debido a la polari- drógeno. Una excepción en los hidruros del grupo II esdad del enlace covalente. Cuando se encuentra unido al el BeH2, que es polimérico. En el tetrahidruroaluminatoflúor, al oxígeno o al nitrógeno, el hidrógeno puede par- (III) de litio, el anión AlH4- posee sus centros hidrúricosticipar en una modalidad de enlace no covalente llamado firmemente unidos al aluminio (III).\"enlace de hidrógeno\" o “puente de hidrógeno”, que esfundamental para la estabilidad de muchas moléculas bio- Aunque los hidruros pueden formarse con casi todos loslógicas. El hidrógeno puede también formar compuestos elementos del grupo principal, el número y combinacióncon elementos menos electronegativos, tales como meta- de posibles compuestos varía mucho; por ejemplo, exis-les o semi - metales, en los cuales adquiere carga parcial ten más de 100 hidruros binarios de boro conocidos, peronegativa. Estos compuestos se conocen como hidruros. solamente uno de aluminio.[39] El hidruro binario de in- dio no ha sido identificado aún, aunque existen complejosEl hidrógeno forma una enorme variedad de compues- mayores.[40]tos con el carbono. Debido a su presencia en los seresvivos, estos compuestos se denominan compuestos orgá- «Protones» y ácidosnicos; el estudio de sus propiedades es la finalidad de laQuímica Orgánica, y el estudio en el contexto de los or- La oxidación del H2 formalmente origina el protón, H+.ganismos vivos se conoce como Bioquímica. Atendien- Esta especie es fundamental para explicar las propieda-do a algunas definiciones, los compuestos “orgánicos” re- des de los ácidos, aunque el término «protón» se usa im-quieren la presencia de carbono para ser denominados así precisamente para referirse al hidrógeno catiónico o ion(ahí tenemos el clásico ejemplo de la urea) pero no todos hidrógeno, denotado H+. Un protón aislado H+ no puedelos compuestos de carbono se consideran orgánicos (es existir en disolución debido a su fuerte tendencia a unirse

38 CAPÍTULO 7. HIDRÓGENO Tubo de descarga lleno de hidrógeno puro. Tubo de descarga lleno de deuterio puro.Representación del ion hidronio (H3O+), en la que se puede apre-ciar la condensación de carga negativa en el átomo de oxígeno,y el carácter positivo de los átomos de hidrógeno.a átomos o moléculas con electrones mediante un enlacecoordinado o enlace dativo. Para evitar la cómoda, aun-que incierta, idea del protón aislado solvatado en disolu-ción, en las disoluciones ácidas acuosas se considera lapresencia del ion hidronio (H3O+) organizado en clústerspara formar la especie H9O4+.[41] Otros iones oxonio es-tán presentes cuando el agua forma disoluciones con otrosdisolventes.[42]Aunque exótico en la Tierra, uno de los iones más comu-nes en el universo es el H3+, conocido como hidrógenomolecular protonado o catión hidrógeno triatómico.[43]7.4.6 Isótopos El protio, el isótopo más común del hidrógeno, tiene un protón y un electrón. Es el único isótopo estable que no posee neutrones. ee e inestables (del 4H al 7H), que fueron sintetizados en el la-p p n pn n boratorio, pero nunca observados en la naturaleza.[44][45]H1 H2 H3 • 1H, co-1 1 1 no- cido水素 重水素 三重水素 co- moProtio, deuterio y tritio. protio, es elEl isótopo más común de hidrógeno no posee neutrones, isó-existiendo otros dos, el deuterio (D) con uno y el tritio (T), toporadiactivo con dos. El deuterio tiene una abundancia na- mástural comprendida entre 0,0184 y 0,0082 % (IUPAC). El co-hidrógeno es el único elemento químico que tiene nom- múnbres y símbolos químicos distintos para sus diferentes isó- deltopos. hi- dró-El hidrógeno también posee otros isótopos altamente

7.4. PROPIEDADES 39 geno topo con esta- una ble abun- del dan- hi- cia dró- de geno, más es del co- 99,98 no- %. cido De- co- bido mo a que deuterio el y su nú- nú- cleo cleo de con- este tiene isó- un topo pro- está tón for- y un ma- neu- do trón. por El un deu- solo terio pro- re- tón pre- se le senta ha el bau- 0,0026 tiza- % do o el co- 0,0184 mo % pro- (se- tio, gún nom- sea bre en que a fracción pesar mo- de lar o ser frac- muy ción des- ató- crip- mi- tivo, ca) es del poco hi- usa- dró- do. geno pre- • ²H, sente el en la otro Tie- isó- rra,

40 CAPÍTULO 7. HIDRÓGENO en- mo- con- lécu- trán- las dose que las in- me- clu- nores yen con- deu- cen- terio tra- en cio- lugar nes de en el hi- hi- dró- dró- geno geno 1H ga- (pro- seo- tio), so, y se las de- ma- no- yores mina (0,015 agua %o pe- 150 sada. ppm) El en deu- aguas terio oceá- y sus ni- com- cas. pues- El tos deu- se terio em- no es plean ra- en diac- mar- tivo, cado y no no re- ra- pre- diac- senta tivo un en ries- ex- go peri- sig- men- nifi- tos y cati- tam- vo de bién toxi- en ci- di- dad. sol- El ven- agua tes enri- usa- que- dos cida en en espectroscopia

7.4. PROPIEDADES 41 1H - tiene RMN. un El pro- agua tón y pesa- dos da se neu- uti- tro- liza nes co- en su mo nú- mo- cleo. dera- Es dor ra- de diac- neu- tivo, tro- de- nes y sin- refri- te- ge- grán- rante dose en en reactores ³2He+ nu- a tra- clea- vés res. de El una deu- emisión terio beta. es Po- tam- see bién un un periodo po- de ten- se- cial mi- com- de- bus- sin- tible te- para gra- la ción fusión de nu- 12,33 clear años.[21] con Pe- fines que- co- ñas mer- can- cia- tida- les. des de • ³H se tritio co- se noce en- co- cuen- mo tran tritio en la y na- con- tura-