Cadena protón próton

¿En qué creés vos? ¿En Dios, en Zeus, en Messi, en Stephen Hawking, en el amor, en mí, en un dios solar dador de vida, derivado de antiguos ritos de oriente? O tal vez sos ateo, agnóstico, indeciso o indiferente. No importa, creas en lo que creas o no creas, es tu propia fe o falta de fe y yo no tengo porque cuestionarla o refutarla, solo respetarla. Pero lo que me permito es avisarte que si tu creencia es alguna variante del culto al dios Sol, por ser dador de luz, calor, energía y responsable de la vida sobre la Tierra, deberás tener en cuenta que ese dios dadivoso y bienhechor es solo una fachada, que cubre al verdadero hacedor y responsable de todo cuanto crece, ama, traiciona, guerrea, tuitea y camina sobre la faz de la Tierra.

Al igual que todas las civilizaciones que le rindieron culto a Febo, estás prosternado, sin saberlo, frente a la fusión de núcleos de hidrógeno, que de a dos se convierten en un núcleo de helio. Tu dios es la conversión de masa en energía en un infierno de 15.000.000 de grados centígrados (o 15.000.273  Kelvins), es el resultado de E=mc². Tu dios es el proceso llamado Cadena protón-protón, que tiene lugar en el núcleo de las estrellas de masa igual o menor a la del Sol.

Y ahora lo prometido, le cedo la palabra y la imagen a Patita Blanca.

Usted y yo estamos acá

Tal vez nunca lo vió de esta manera, pero saber que estamos ahí, donde señala la flecha, en esa coordenada del diagrama Hertzsprung-Russell, es más tranquilizador e importante para nuestros intereses de supervivencia, que saber en qué lugar del espacio estamos. Da lo mismo si el Sol está en el brazo Carina-Sagitario, más cerca o más lejos del plano de la Vía láctea, en la galaxia de Andrómeda o en cualquier otra galaxia del espacio profundo. De hecho el Sol se está moviendo a lo largo de la Galaxia, tomándole 200.000.000 de años dar una vuelta de calesita completa alrededor del centro galáctico. Pero no es lo mismo estar donde estamos en el H-R que estar en otro lado del mismo. Estamos en cierto punto de la llamada secuencia principal. Esto es, el Sol, como nosotros, nació, está creciendo y morirá, y manteniéndonos en esa metáfora, para no complicarnos astrofísicamente, se puede decir que ahora se encuentra algo así como llegando a la mitad de su vida (se formó hace unos 4.650 millones de años y tiene combustible para unos 5.500 millones más). Estar en la secuencia principal, esa banda diagonal que va de la parte superior izquierda a la inferior derecha del diagrama significa que en el Sol hay un equilibrio entre la presión de radiación generada por la fusión nuclear y la gravedad. La situación se viene dando desde hace miles de millones de años y seguirá por otros miles de millones (cada segundo, casi cada latido de tu corazón, el Sol convierte unas 600 millones de toneladas de hidrógeno en helio). O dicho de otra manera, esto sucedió y seguirá sucediendo gracias a la cadena protón protón, La cadena protón protón es el proceso por el cual el Sol, o estrellas de masa similar o menor que la del Sol, convierte su hidrógeno en helio mediante el proceso de fusión nuclear: dos núcleos de hidrógeno (en este caso dos protones) logran vencer la repulsión electróstatica y se unen para formar, junto con dos neutrones el helio-4. El otro proceso posible, en estrellas de mayor masa, es el llamado ciclo del carbono CNO.

El Modelo Estandar de partículas

En este proceso de conversión de hidrógeno a helio intervienen partículas, fotones y fuerzas que estan descriptas por el llamado modelo estándar, la teoría que describe las relaciones entre las interacciones fundamentales entre las partículas elementales de que está constituída la materia. Este modelo es como la democracia, no es perfecto pero por ahora es lo mejor que tenemos y nos alcanza para las explicaciones de este tema. Incluye la mecánica cuántica y la relatividad especial pero no la gravedad.

En el proceso protón protón nos encontraremos con esto:
- Protones y neutrones, integrantes básicos de los núcleos. Los protones a su vez están formados por tres quarks: un down y dos up, y el neutrón por dos: undown y un up. Las cargas de los quarks son fracciones de la carga elemental del electrón: el up +2/3 y el down -1/3
- Electrones y positrones: los positrones son antielectrones, su antimateria; tienen la masa del electrón pero con carga positiva. Un encuentro de un electrón con un positrón termina en la conversión total de masa en energía, específicamente en dos fotones gamma.
- Neutrinos: responsables del equilibrio de energia y cantidad de movimiento en las transformaciones. Son partíulas sin carga y espín 1/2 y se ha descubierto que tienen masa, pero es extremadamente pequeña. En nuestro caso interviene el neutrino electrónico.
- Fotones gamma.
- Fuerza de interacción nuclear débil: responsable fundamental en las transformaciones protón a neutrón y viceversa, así como en la desintegración beta y la captura electrónica, temas que se tratan en los siguientes párrafos.

Alfa, beta, gamma

En el proceso de desintegración radiactiva de los núcleos hay emisión de partículas alfa y beta y radiación gamma, también puede haber emisión de neutrones, protones y positrones. Veamos ciertos detalles específicos, de cada una de esas emisiones, que van a ser de nuestro interés.

Partículas alfa

Las partículas alfa son núcleos doblemente mágicos, compuestos por dos protones y dos neutrones, los cuatro en una capa (nuclear) s1/2, con espín total cero y paridad par. Esto hace que tengan una estabilidad extraordinaria y que muchas veces se comporten como una unidad semejante a un protón o un neutrón. Advertencia: eso no significa que en los núcleos se comporten necesariamente como unidades independientes y distinguibles.

Partículas beta

Las partículas beta son electrones (de carga -e): cuando el núcleo emite una partícula beta su número atómico aumenta en una unidad, pero el número de masa se mantiene. Cuando el núcleo libera positrones (de carga +e), el número atómico disminuye en una unidad, manteniéndose, como en el caso anterior, el número de masa. Los dos tipos de desintegración se denominan beta menos y beta más, respectivamente. La desintegración beta menos (electrones) es la que tiene lugar específicamente en la desintegración radiactiva.
A veces el núcleo en lugar de emitir un positrón, captura un electrón de las capas atómicas externas. Los electrones "s" tienen órbitas muy penetrantes que llegan muy cerca del núcleo, esto hace que sea relativamente grande la probabilidad de ser capturados por un protón. Este proceso se llama "captura electrónica" y lo mismo que la desintegración beta más produce el reemplazo de un protón por un neutrón.

Importante: Estos tres procesos muestran que el núcleo se puede deshacer de sus neutrones o protones en exceso, sin emitir ninguna de esas partículas. Emitiendo en cambio electrones y positrones o absorbiendo electrones.

Radiación gamma

Un núcleo puede tener varios estados excitados, además de la configuración del estado fundamental. Así como sucede con los electrones, esos niveles presentan también una determinada estructura de capas. Como hay dos clases de particulas, hay una serie doble de capas: una para protones y otra para neutrones. Un núcleo excitado puede devolver la energía en exceso a través de una transición (radiativa, si, radiativa, no radiactiva) al nivel fundamental con emisión electromagnética llamada rayos gamma. Es el caso de las desintegraciones beta más y beta menos, donde a veces el núcleo residual queda en un estado excitado y en la transición a su estado fundamental emite rayos gamma.
En general, la emisión gamma (que produce un espectro como las otras radiaciones) resulta del reacomodamiento de nucleones (protones y neutrones) en una transición entre dos estados estacionarios nucleares.

Cadena protón protón

El proceso de conversión de hidrógeno en helio ni es simple ni es directo a través de una única secuencia o cadena. De hecho hay dos formas posibles de inicio del proceso, si bien la frecuencia de una de ellas se da en el 0,23% de los casos, siendo entonces la principal en el 99,77 %. Después vuelve a darse esta diferencia de frecuencia en las cuatro cadenas posibles, como se indica en el gráfico.

Liberación de la energía

La masa final del átomo de helio-4 perdió 0,7% de la masa correspondiente a los cuatro protones iniciales. Esta masa se convirtió en energía, en forma de rayos gama y neutrinos. La energía neta liberada por la cadena completa es de 26,73 MeV.

Sólo la energía liberada en forma de rayos gamma interactúa con protones y electrones y calienta el interior del Sol. Este calentamiento es lo que lo sostiene en equilibrio, evitando el colapso gravitatorio bajo su propio peso. Y es lo que mantiene al Sol en la secuencia principal según se explicó más arriba.

Con respecto a los neutrinos, estos no interactúan en forma significativa con la materia, ni intervienen físicamente en evitar el colapso gravitatorio. Los neutrinos en las cadenas ppI, ppII y ppIII se llevan, respectivamente, el 2,0%, 4,0% y 28,3% de la energía.

Saltos en la tabla

Aquí la vemos en dos diagramitas en un sector de la tabla periódica de los elementos, que nos muestran en forma clara y panorámica los saltos que van pegando los núcleos en los distintos pasos de su transformación en las ramas del proceso. El sueño de los alquimistas, pero con mucho, mucho calor de por medio. Y de manera similar a lo que dijera alguna vez el gran tenista argentino Guillermo Vilas, el proceso no termina hasta que el núcleo salta por última vez hacia la casilla del Helio.