La desintegración radiactiva es la piedra filosofal definitiva, la piedra que los alquimistas creían que podía convertir el plomo en oro o, más generalmente, un elemento químico en otro.

La energía implicada en la radiactividad procede de la conversión de masa. Si medimos las masas de los productos finales de una desintegración radiactiva, hallaremos que tienen menos masa que el núcleo original.

La diferencia entre las masas de antes y después es convertida en energía según la ecuación E=mc2, y es esta energía la que vemos como la energía asociada con la radiación.

Puesto que la desintegración alfa y beta cambia el número de protones en un núcleo, también cambia la identidad química del átomo del que ese núcleo forma parte.

Tras la desintegración alfa, un núcleo podrá contener dos electrones menos de los que tenía antes de la desintegración. Los dos electrones “extra” terminarán alejándose, dejando tras ellos un átomo que tiene dos electrones menos en órbita.

Este átomo, por supuesto, será identificado como un miembro de una especie química distinta del átomo original.

Una forma de pensar en la desintegración beta de un núcleo es imaginar que uno de los neutrones dentro del núcleo sufre una desintegración beta, produciendo un núcleo que tiene un protón más y un neutrón menos.

Siempre hay electrones libres vagabundeando por ahí en la Naturaleza, y uno de ellos es atraído finalmente al átomo. El resultado final es que nace un nuevo elemento químico, uno con un electrón más en órbita de los que originalmente había allí. De nuevo, un elemento químico nuevo ha reemplazado al viejo.

Puesto que la desintegración gamma sólo implica una reorganización de protones y neutrones, no cambia un elemento en otro.

El uranio 238 se desintegra a través de una emisión alfa. El uranio tiene 92 protones en el núcleo, así que el núcleo hijo de esta desintegración tendrá 90 protones y una masa total de 234 (238 - 4). El producto, de hecho, será lo que los químicos llaman torio 234 (234Th).

La desintegración de un núcleo aislado raras veces es toda la historia en una desintegración radiactiva, puesto que la mayor parte de las veces los núcleos hijos (el resultado de la desintegración) son también radiactivos.

Así, la desintegración original da nacimiento a un hijo que se desintegra, y ese núcleo se desintegra en otro, y así sucesivamente. Esta cadena de acontecimientos recibe el nombre de desintegración en cadena. La cadena sigue adelante hasta que se produce un núcleo estable.

Como consecuencia de la existencia de desintegraciones en cadena, una muestra pura de un elemento dado se hallará pronto mezclada con otros elementos. Por ejemplo, el U-238 se desintegra en torio. El torio luego se desintegra mediante emisiones beta en un elemento llamado protactinio, que a su vez se desintegra mediante emisión beta. Este proceso de desintegraciones sucesivas sigue adelante hasta que se alcanza el núcleo estable plomo 208.

La gente es consciente de los riesgos para la salud asociados a la acumulación de radón en las casas. El radón es uno de los elementos en la cadena de desintegraciones que conduce del uranio al plomo. Así, siempre es producido por las desintegraciones nucleares en el suelo. Una vez producido un átomo de radón, su movimiento futuro es gobernado por su química que, en este caso, dicta que no debe unirse a materiales de su alrededor sino que en vez de ello debe filtrarse al suelo y a los sótanos de las casas.

Los núcleos radiactivos no se desintegran todos a la vez. Se desintegran a lo que parecen ser intervalos al azar. Observar esos núcleos desintegrarse es algo muy parecido a observar el proceso de elaboración de palomitas de maíz, con los granos de maíz estallando a diferentes intervalos.

El número que se utiliza normalmente para medir la velocidad a la que se desintegran los núcleos radiactivos recibe el nombre de vida media. Se define como el tiempo que necesitan la mitad de los núcleos de un material dado para sufrir desintegración. Así, si empezamos con mil átomos, la vida media será el tiempo que tendremos que esperar para que nos queden solamente quinientos.

Las vidas medias de los isótopos nucleares pueden alinearse desde miles de millones de años a microsegundos. Algunos ejemplos:

uranio 238 4.600 millones de años
carbono14 5.730 años
radón 222 3,8 días
uranio 239 23,5 minutos
carbono 10 19,4 segundos

La respuesta la encontraron las destilerías escocesas en 1761. La madera era cara y, para reducir el gasto de combustible, recurrieron al químico Joseph Black.

Este se dio cuenta de que para mejorar el proceso debía comprender por qué los helados tardan en derretirse. Black descubrió que, mientras se licúan, la temperatura no sube porque todo el calor se invierte en cambiar la forma del agua, de sólido a líquido.

Sólo cuando todo se haya fundido la temperatura subirá. Así Black obtuvo la mínima cantidad de madera necesaria para evaporar un volumen dado de whisky.  Posteriormente, este fenómeno inspiró a Watt para diseñar la máquina de vapor.

La mayor parte de la energía eléctrica es generada mediante el uso de la inducción. En un generador eléctrico, se usa alguna fuente de energía (la combustión del carbón, la caída del agua, etc.) para hacer girar un eje.

El eje que gira está unido a una bobina de hielo eléctrico situada entre los polos de un imán, y el hecho de que la bobina gire en un campo magnético significa que se producirá en ella una corriente.

Esta corriente es luego recogida y transportada a través de líneas de energía, y finalmente llega a nuestras casas para hacer funcionar nuestra cocina, nuestras luces, nuestro equipo de música y todos los demás aparatos electrodomésticos.

Los generadores que utilizan la inducción electromagnética producen normalmente corriente alterna. Resulta que cuando una bobina de hilo es hecha girar en presencia de un campo magnético, la corriente en el hilo fluirá en un sentido la mitad del tiempo y en el otro sentido la otra mitad.

Puesto que virtualmente toda la electricidad comercial en la mayoría de países es producida por generadores rotatorios, toda se presenta en esta forma, que recibe el nombre de corriente alterna (CA).

Los generadores de las centrales de energía giran unas 50 veces por segundo, o sea, que la corriente eléctrica está ajustada a unos 50 hercios (60 en América) o lo que es lo mismo, cien cambios de dirección por segundo. A estos ciclos por segundo también se les llama frecuencia de red. La palabra hercio proviene del físico alemán H.R. Hertz, que le dio nombre.

Heinrich Hertz (1857-1894)

Usamos transformadores todo el tiempo, aunque no nos percatemos de ello. En un transformador simple, la corriente eléctrica pasa por una bobina de hilo. Esta corriente crea un campo magnético que a su vez hace que una corriente fluya a la segunda bobina. Así, una bobina afecta a la otra aunque en realidad no se toquen.

La corriente de 230 (ó 220 en América) voltios que sale de los cables de nuestra casa es normalmente disminuida por un transformador cuando llega a nuestro ordenador, televisión u otros aparatos eléctricos. Podemos reconocer un transformador porque tienden a ser mas bien grandes y pesados, con miles de vueltas de hilo enrolladas en torno a un núcleo de hierro.

Por razones técnicas, es más económico transferir la electricidad de las centrales eléctricas a nuestra casa a voltajes muy elevados. Debido a ello, las líneas de energía que salen de las principales centrales eléctricas son en general de 500.000 voltios o más.

Esas líneas están sostenidas por grandes torres metálicas que podemos ver por ejemplo, cuando vamos por el campo. Antes de ser introducida a una línea de transporte, la electricidad es pasada por un transformador que incrementa el voltaje y disminuye la corriente. Es distribuida por la ciudad a unos 13.800 voltios.

Antes de que llegue a nuestra casa, pasa por otro transformador y es reducida a 230 ó 220 voltios. Podemos ver esas estaciones transformadoras finales en las líneas de alta tensión: su aspecto es como grandes cubos metálicos para la basura.

El remo se practica en canoa y el piragüismo en kayak. Por su mayor maniobrabilidad, el kayak se utiliza para navegar en aguas bravas, mientras que el remo resulta idóneo en superficies más tranquilas.

La canoa es una embarcación abierta dentro de la cual el remero, sentado o arrodillado sobre una pierna, avanza por el agua ayudándose de un remo.

El kayak es una embarcación de forma similar a la piragua, aunque se distingue por tener cerrada su parte superior, excepto un agujero donde el palista encaja su cuerpo. Para avanzar, el piragüista utiliza una pala, que es un remo corto con dos paletas, una en cada extremo.

Los orígenes de la canoa están en Mesopotamia y antiguo Egipto, mientras que el kayak procede del pueblo inuit, los esquimales, que lo utilizaban para cazar en el mar, por lo que cerraban su parte superior con pieles de foca o ballenas, para evitar que entrase agua en su interior.

La primera teoría moderna de la gravitación fue propuesta por Isaac Newton. La llamó la ley de la gravitación universal. La ley afirma que todos los objetos en el Universo ejercen una fuerza de atracción sobre todos los demás objetos en el Unvierso, y que esta fuerza depende de la masa de los objetos y lo lejos que estén unos de otros.

Isaac Newton (1643-1727)

Cuanto mayor sea la masa, mayor la fuerza; cuanto mayor la separación, más pequeña la fuerza. En forma de ecuación, la ley tiene este aspecto: F= G M1 M2 / D2

donde F es la fuerza de atracción de la gravedad, M1 y M2 las masas de los dos objetos, D la separación entre ellos, y G un número conocido como constante de Newton de la gravitación universal.

La teoría de la gravitación de Newton fue la primera teoría del campo unificado. Antes de Newton, se suponía que la fuerza que hacía que las cosas cayeran a la superficie de la Tierra no era la misma que la fuerza que movía el Sol, las Luna, los planetas y las estrellas.

Lo que hizo Newton fue mostrar que sólo hay un tipo de gravedad, unificando en consecuencia las dos fuerzas aparentemente separadas.

Según Newton, todo ejerce una fuerza sobre todo lo demás. Mientras lees este texto, la Tierra tira de ti hacia abajo, eso explica que no flotes. De hecho, la ley dice que todos los objetos en el Universo tiran de ti en este momento. Además de la Tierra, el edificio donde te encuentras, el árbol que hay fuera en la calle o las lejanas estrellas, todo ejerce sus fuerzas gravitatorias sobre ti, y tú también ejerces tu propia fuerza gravitatoria sobre todo ello.

Por supuesto, para todas las finalidades prácticas, se puede prescindir de las demás fuerzas excepto la de la Tierra, ya que es superiormente más fuerte que las demás. Sin embargo, los físicos que realizan mediciones precisas no pueden prescindir de ellas, y por ejemplo, tienen en cuenta la fuerza gravitatoria ejercida por el acero y el cemento de los edificios sobre los aparatos de medición donde estén alojados.

Hasta el accidente del Exxon Valdez en 1989, no parecía importar que el petróleo transportado por los grandes cargueros sólo estuviera esparado del mar por la plancha del casco.

Tras aquel desastre, en 1990 se adoptó una dura legislación que exige doble casco para todos los nuevos petroleros, así como para los que cumplan 23 años.

Estos barcos tienen en su interior una segunda chapa separada del casco, que es la que forma los depósitos. La distancia entre ambas garantiza que en caso de choque, la interior no sufra desperfectos y el crudo no se vierta al océano.

El Prestige, que naufragó frente a las costas gallegas en el 2002, tenía casco simple.

El tiempo más largo que alguien ha intentado medir nunca es la vida del protón: más de años. El tiempo más largo que alguien ha medido realmente es la vida del Universo: unos 16.000 millones de años.

El tiempo más corto que ha sido medido (indirectamente) es la descomposición de algunas partículas elementales: segundos. El tiempo más corto que puede medirse directamente son los estallidos de luz en los láseres especiales:

El nanosegundo es la escala de tiempo relevante para los modernos y rápidos sistemas electrónicos. La luz viaja unos treinta centímetros en un nanosegundo, o milmillonésima de segundo, y señala la velocidad máxima a la que puede viajarse en un circuito eléctrico.

Significa que un ordenador que sea mucho más grande que unos pocos palmos, no será capaz de trasladar señales de un lado a otro de su cuerpo en menos tiempo que un nanosegundo. Se considera ésta una limitación fundamental a la posible velocidad de los ordenadores.

El tiempo que toma una neurona en excitarse en nuestro sistema es aproximadamente de un milisegundo, mientras que la más rápida conmutación en los modernos ordenadores puede acercarse a un picosegundo.

El hecho de que nuestro cerebro pueda hacer muchas cosas (como procesar la información visual) más rápido que incluso los ordenadores más grandes tiene que ver con la superioridad del diseño de los circuitos antes que con la velocidad de los componentes individuales.

Los nombres relativos a los distintos tiempos más cortos son:

Milisegundo (milésima) - 0,001 segundo

Microsegundo (millonésima) - 0,000001 segundo

Nanosegundo (milmillonésima) - 0,000000001 segundo

Picosegundo (billonésima) - 0,000000000001 segundo

Femtosegundo (milbillonésima) - 0,000000000000001 segundo

Ilustración sobre fotografía ultrarápida de femtosegundo.

Uno de los métodos que utilizan los científicos para estudiar las criaturas de las profundidades del océano, es sumergir una videocámara en algún artilugio hasta el fondo marino, con la finalidad de grabar cualquier cosa que pase por en frente. Estos aparatos se llaman en inglés ROVs.

Ésta es una manera excelente de capturar vídeo de las criaturas del océano en su propio hábitat. Para ayudar en el proceso, se sumerge un cebo fresco junto al porte en el que la cámara está montada para atraer a los especímenes a “posar” cerca de las mismas.

Los vehículos operados remotamente cumplen esta función de llevar videocámaras hasta las profundidades para realizar grabaciones o transmitir en directo de modo que los científicos vean “in situ” lo que ocurre allí abajo. Estos vehículos se pueden maniobrar y conducir hasta el lugar deseado por el operador humano.

Este vehículo operado remotamente se llama Jason, y pertenece al Instituto Oceanográfico de Woodshole.

Las tres leyes de la robótica comprenden unos códigos de conducta para todos los robots y fueron ideadas para proteger la integridad de los seres humanos.

Aparecieron en la obra “Runaround” del escritor Isaac Asimov en 1942, aunque el propio Isaac también atribuye los méritos sobre la invención de las mismas al escritor John Wood Campbell.

Éstas leyes rezan así:

1 - Un robot no puede hacer daño a un ser humano o, por inacción, permitir que un ser humano sufra daño.
2 - Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos, excepto si estas órdenes entrasen en conflicto con la Primera Ley.
3 - Un robot debe proteger su propia existencia en la medida en que esta protección no entre en conflicto con la Primera o la Segunda Ley.

En la película “Yo Robot”, las tres leyes de la robótica son violadas.

La carga eléctrica es una de las propiedades fundamentales de la materia. Como el tiempo, la carga eléctrica es una de esas cosas que resulta muy fácil de señalar y muy difícil de definir. Sabemos que la carga eléctrica tiene que ser una propiedad básica de la materia debido a que es capaz de generar fuerzas.

Si pasamos un peines a un trocito de papel, el trocito de papel se moverá y se pegará al peine. Según la primera ley de Newton, esto significa que, fuera lo que fuese lo que hicimos al peines frotándolo contra algo, lo convirtió en capaz de ejercer una fuerza. Llamamos a esta fuerza “electricidad” y definimos la carga eléctrica como lo que es capaz de producir la fuerza eléctrica.

Hay dos tipos de cargas eléctricas: las cargas idénticas se atraen, las contrarias se repelen. Los griegos sabían que si frotamos un trozo de ámbar en el pelaje de un gato o un trozo de cristal en seda, obtenemos algo capaz de ejercer una fuerza eléctrica. También sabían que dos trozos de ámbar se repelen, pero son atraídos hacia el cristal.

Esto significa que no sólo hay dos tipos de cargas eléctricas. sino que hay dos tipos de fuerzas eléctricas: atractivas y repulsivas. Las primeras actúan entre cargas eléctricas distintas, las últimas entre cargas eléctricas idénticas. Los nombres de los dos tipos de carga fueron elegidos arbitrariamente como positiva y negativa.

La naturaleza de las fuerzas entre cargas eléctricas se halla contenida en la ley de Coulomb, que recibe su nombre del científico francés Charles-Augustin de Coulomb.

Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806)

La ley tiene un notable parecido con la ley de la gravitación universal de Newton. Dice que si hay una carga Q, y una carga Q2, separadas una distancia R, entonces la fuerza vendrá dada por: F= KQ1Q2 : R2

donde K es una constante universal análoga a G, la constante de la gravitación de Newton.

En situaciones normales, los electrones sólo se mueven cuando los objetos adquieren una carga eléctrica. En los materiales no cargados, hay tantos electrones negativos como cargas positivas hay en los núcleos.

Cuando frotamos un material puede ocurrir una de dos cosas. Podemos meter electrones en él, en cuyo caso el material adquiere un exceso de electrones y decimos que está cargado negativamente. De forma alternativa, podemos extraer electrones de él, en cuyo caso hay un déficit de electrones y decimos que el material posee una carga eléctrica positiva.

Una corriente eléctrica está hecha de cargas eléctricas en movimiento, normalmente (pero no siempre) electrones. Las corrientes eléctricas más comunes son aquellas que hay en los cables de nuestras casas el tipo de cosa que hace brillar las bombillas, funcionar las radios o cocinar los alimentos.

Cuando los conductores se disponen en un bucle continuo de modo que una corriente pueda fluir por ellos sin impedimento, los conductores constituyen un circuito eléctrico.

Cada circuito eléctrico tiene tres partes. Se necesitan tres cosas para hacer que un circuito eléctrico funcione. Son:

1- Una fuente de energía para hacer que las cargas eléctricas se muevan.
2- Un camino ininterrumpido por el que las cargas puedan moverse.
3- Una “carga” o un lugar donde sea usada la energía eléctrica.

Por ejemplo, cuando encendemos una luz, la fuente de la electricidad es la compañía eléctrica, el circuito ininterrumpido es el hilo de cobre que conduce hasta la lámpara, y la carga es la bombilla.

La unidad de la corriente eléctrica es el amperio, abreviado a menudo como “amp” o escrito “A”. Recibe su nombre de André-Marie Ampère, un científico francés que fue uno de los pioneros en el estudio de los fenómenos eléctricos.

André-Marie Ampère (1775-1836)

Una forma de pensar en medir la corriente es imaginar un microscopio ingeniero de tráfico dentro de un cable, que cuenta el número de electrones que pasan por un punto determinado. Un amperio corresponde a 6 x 10 electrones que pasan por ese punto cada segundo.

Aquí algunos objetos comunes y la cantidad de corriente que fluye en ellos:

bombilla de 100 voltios - 1 amp
tostadora - 10 amps
televisor - 3 amps
batería de coche - 50 amps (cuando arranca el motor)

Pueden producirse (y de hecho se producen) corrientes mucho más grandes y mucho más pequeñas, tanto por parte del hombre como de la Naturaleza.

El voltaje mide el “brío” con que son empujadas las cargas eléctricas a través de un material. La unidad de voltaje es el voltio, llamado así por Alessandro Volta, el científico italiano que construyó la primera pila.

Alessandro Volta (1745-1827)

Algunos voltajes comunes son los siguientes:

pila de linterna - 1,5 voltios
batería de coche - 12 voltios
receptores domésticos normales - 125 voltios
receptores domésticos potentes - 220 voltios

Una corriente eléctrica genera calor. Cuando las cargas eléctricas fluyen a través de un material, colisionan con los átomos que ya están allí. En las colisiones, los electrones ceden algo de su energía y los átomos se mueven un poco más aprisa de los que lo hacían originalmente. Se interpreta este movimiento atómico más rápido como calor.

Excepto para los superconductores, cada material que lleva electricidad drena algo de la energía de la corriente y la convierte en calor. Podemos sentir este calor tocando el cable eléctrico de una sierra eléctrica o una plancha después de haberla estado utilizando durante un tiempo.

El fenómeno por el que un material convierte algo de energía eléctrica en calor recibe el nombre de “resistencia”: cuanta más energía es transferida a los átomos, mayor es la resistencia del conductor.