¿Cómo suenan los átomos?

Autor: 

Kenneth Fowler Berenguer
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19 Septiembre 2020
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Crédito de fotografía: 

tomada de Gizmodo

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“La radiación remanente del Big Bang es del mismo tipo que la que usan los hornos microondas para calentar las pizzas, lo que mucho más debil. Solo puede calentar una pizza a -273,1 ˚C, mucho menos cocinarla.”

Stephen Hawking

Para vivir rodeados de ella, realmente hay mucho que no conocemos sobre la radiación. Cada segundo, en nuestro organismo, miles de átomos de isótopos radiactivosnaturales como el potasio 40 o el carbono 14 se involucran en procesos de caída radiactiva.

Muchas personas creen que lo que conocemos como radiación ionizante se produce solo en las centrales nucleares o en los aparatos electrónicos. Muchas también, le temen, algunas veces de manera irracional; a esto han contribuido los desastres nucleares, no pocas veces producto de la sed insaciable del ser humano por el desarrollo a toda costa, que nos han mostrado solo el “lado oscuro” de la radiactividad. No obstante, la radiación puede encontrarse en las más disímiles fuentes como el aire que respiramos o la comida que ingerimos. Es solo una cuestión de cantidades.

Para ponerlo de forma simple, lo que conocemos como radiación ionizante es aquella producida cuando núcleos atómicos inestables participan en procesos conocidos como caída radiactiva.

Sabemos que los átomos están constituidos por electrones (con carga negativa) que se encuentran orbitando al núcleo formado por protones (carga positiva) y neutrones (sin carga). Cada elemento puede tener distintos isótopos (viene del griego isos=igual y topos=lugar) en dependencia del número de neutrones que contenga en el núcleo.

Así existen, por ejemplo, tres isótopos del hidrógeno con número atómico 1: el 1H o hidrógeno (contiene 1 protón y 1 neutrón), 2H o deuterio (contiene 1 protón y 2 neutrones) y el 3H o tritio (contiene 1 protón y 3 neutrones). En algunas ocasiones este desbalance entre el número de protones y neutrones en el núcleo crea una inestabilidad, que se soluciona por el núcleo expulsando la energía sobrante en forma de radiación (partículas alfa, partículas beta o rayos gamma).

 
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Espectro de emisión gamma de una muestra de aluminio previamente bombardeada con neutrones de 14.1 MeV

Contrario a lo que muestran los videojuegos o las bebidas energéticas, en la naturaleza los sistemas siempre buscan estar en la configuración de menor energía, por eso el proceso se conoce como caída radiactiva, porque va desde una configuración inestable y expulsa la energía sobrante para llegar al estado de menor energía. Los isótopos de los elementos en los que este proceso ocurre de forma espontánea se conocen como isótopos radiactivos y existen tanto de fuentes naturales como sintéticos.

En algunos casos (la expulsión de partículas alfa o beta), este proceso viene aparejado de pérdida de masa por parte del átomo, llegando a convertirse en uno de un elemento menos pesado (menor número atómico). Incluso, si el segundo elemento también es radiactivo (y así en adelante hasta que no lo sea) puede darse el caso de que ocurran “cascadas” de desintegración radiactiva.

La Teoría Cuántica nos despoja de la posibilidad de determinar exactamente cuándo un solo núcleo radiactivo se va a desintegrar, pero sí podemos determinar de manera probabilística el tiempo que demorará un conjunto de núcleos en hacerlo. Se determina así el tiempo de vida media de los núcleos, que es el tiempo en que la mitad de ellos se habrá desintegrado completamente. Esto es característico de cada elemento y puede ir desde pocos segundos hasta casos en que no ha ocurrido aún desde la creación del Universo.

Cristales de Bismuto

Tenemos, por ejemplo, al bismuto (Bi, número atómico 83), con una vida media tan larga (20 trillones de años) que es mayor que la edad del universo, lo cual significa que prácticamente todos los átomos de este elemento que están hoy aquí son los que estuvieron desde el principio y, además, que debe ser el último elemento en extinguirse.

Se dice que la radiación es “ionizante” porque tiene la energía suficiente para, si choca con otro átomo en su camino, arrancarle un electrón. Los electrones se encuentran orbitando el núcleo y organizados en niveles de acuerdo con su energía. Podemos pensar en estos niveles como los peldaños de una escalera que deben subirse de uno en uno (esto es una simplificación bastante burda de la Teoría Cuántica).

La radiación brinda energía a los electrones, lo cual les permite “subir” los escalones y en última instancia “escapar” del átomo. Tendremos entonces un átomo con un electrón de menos y ahora con carga positiva, un catión y más general, un ion. Por estas características la radiación ionizante es muy penetrante y difícil de detener con materiales comunes y puede ser potencialmente dañina para la salud. Pero como ya dije antes, todo es asunto de cantidades y exposición.

Una de las principales razones por las que le “tememos” a la radiación es porque no se puede ver, oler ni sentir de ninguna manera. Bueno, eso fue lo que quisieron arreglar los creadores de la Orquesta Radiactiva. Este proyecto surgió en 2011 gracias a la colaboración de cientificos del Royal Institute of Technology de Suecia, el Centro para el Entrenamiento Nuclear del propio país y los músicos Axel Bonman y Kristofer Hagbard.

El asunto aquí es que la radiación sí se puede “ver”. Para eso los científicos usamos las herramientas de la Espectroscopía, que a grosso modo es la rama de la ciencia que estudia la interacción de la materia con la radiación. Con los espectrómetros, equipos usados para este fin, se pueden estudiar las distintas energías que se producen debido a la desintegración radiactiva de un elemento. Así se vería el espectro de rayos gamma de una muestra de aluminio bombardeada con partículas de alta energía (https://www.geneseo.edu/nuclear/gamma-ray-spectra).

Lo que hacen los miembros de este proyecto es tomar los valores de energía (en keV) y convertirlos con ayuda de un algoritmo de computadora a valores de frecuencia (en Hz) que determinan el sonido que se producirá. Recordemos que, desde el punto de vista físico, el sonido no es más que una onda mecánica que, como onda al fin, está definida por un valor de frecuencia (si pensamos en un péndulo la frecuencia es la cantidad de veces que puede recorrer el camino completo de su oscilación en un segundo).

Ya después entra en juego la creatividad de los músicos que producen de esta forma piezas con un sonido techno muy característico. En sus nueve años de existencia, la Orquesta Radiactiva ha logrado obtener música tanto en el laboratorio como en vivo. Participaron en una charla TED donde, además de explicar el proceso, tocaron en vivo utilizando un espectrómetro compacto (o de mesa) y una pequeña muestra de un material poco radiactivo que movían en distintas direcciones dentro del equipo para lograr diversos sonidos.

Como resultado de esta colaboración también se ha desarrollado un “compositor online”, donde usan datos experimentales, así como simulaciones del comportamiento de distintos núcleos, para permitir al usuario “crear” sus propias obras. También existen producciones musicales más “serias”; les quiero recomendar una con la firma del DJ Axel Boman, de la que les quiero regalar la pieza llamada “Descomposición Gamma del Nickel 56 al nivel de energía Epsilon”. ¿La pondrían en su lista de reproducción?


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