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El inicio
En el comienzo (t=0), toda la materia y energía que constituyen
el universo, estaba concentrada en un punto como una esfera
hiperdensa (las leyes físicas que rigen este tipo de sistema no
están entendidas del todo). Algo que no conocemos ocasionó
que este sistema de alta concentración de materia y energía
estallara a la velocidad de la luz, dando inicio a una expansión
que continua hoy en día, así se formo el universo.
Geoquímica:
– Formación de los elementos
– Formación del sistema solar
– Formación de la tierra
Antes de la química tuvo primero que haber
elementos
¿Como se originaron los elementos en
el universo o mas bien como se origino
el universo?
La cosmología estudia e investiga la
naturaleza e historia del universo
Es la parte fundamental de la química
y la física
El origen de todo
 Para un cosmólogo, la existencia de la materia es algo
desconcertante, un problema que no ha encontrado
solución desde que la física teórica se lo planteo hace mas
de 40 años.
 Aun las teorías mas aceptadas acerca del origen del
universo no ofrecen todavía una explicación convincente.
 La existencia de la materia es un capitulo inacabado de la
teoría del “Big Bang”, por todo lo demás, acierta a explicar
casi todo lo que observamos
 Para estudiar la naturaleza e historia del universo, la
mejor forma de hacerlo es empezar analizando de
lo que esta formado, de la materia que lo constituye.
 El universo que vemos, que tocamos, de lo que
estamos hechos, esta compuesto de un sistema
ordenado pero muy diverso de elementos, desde el
Hidrogeno hasta el Uranio
 El universo esta compuesto aproximadamente de
un 92% de H y 8% de He. Los otros 90 elementos
de ocurrencia natural apenas si existen
El estudio de los elementos ha ido hacia muchas y
diversas direcciones, pero ninguno ha sido mas
fructífero o exitoso, que aquel orientado a
cuantificar los elementos en las estrellas y en la
tierra
El método que ha aportado los datos mas valiosos
es la espectroscopia óptica “Estudio de la luz y
sus características espectrales a nivel de
longitud de onda”
El Big Bang…
– Hace 13.7 mil millones de años
(13,700,000,000)
– Ocurrió una explosión tan poderosa que el
espacio mismo fue impulsado en forma de
torbellinos hacia todas direcciones casi
instantáneamente
– 200 Millones de años mas tarde, se
formarían las primeras estrellas
– Actualmente el universo aun se esta
expandiendo.
El “Big Bang”
 La teoría del “Big Bang” es la teoría científica
dominante sobre el origen del universo. De
acuerdo con esta teoría, el universo se formo a
partir de una explosión cósmica que expulso una
mezcla de materia y energía hacia todas
direcciones.
 Todo lo que ahora existe se concentraba en un
punto llamado “La gran singularidad”
En el comienzo (t=0), toda la materia y energía que constituyen el universo,
estaba concentrada en un punto como una esfera hiperdensa (las leyes
físicas que rigen este tipo de sistema no están entendidas del todo). Algo
que no conocemos ocasionó que este universo estallara a la velocidad de
la luz, dando inicio a una expansión que continua hoy en día.
Expansión y Enfriamiento
 t <1 segundo: T ≈ 1012 ºK, La materia y energía existían
como una "Sopa de Quarks".
 t ≈1 segundo: T ≈ 109 ºK, los Quarks se reorganizan en
protones (núcleos de hidrógeno), en partículas (núcleos
de Helio), neutrones y electrones.
 t ≈ 500, 000 años: T ≈ 3000 ºK, los electrones se fijan a
los núcleos de H y He (se sintetizan los primeros
elementos químicos, nucleosíntesis), se separa la materia
de la energía y el universo se hace visible.
 t = actual ~ (12 a 18)*109 años.
( t=tiempo y T=temperatura)
¿Que provoco esta explosión?
 No se sabe
 Se sugiere que fue una explosión seguida de una
expansión, debido a que actualmente todas las galaxias
se están separando unas de otras. Por lo tanto, alguna
vez estuvieron juntas
 La teoría anticipa la existencia de una radiación de fondo
(background radiation) que son los restos de esta gran
explosión. La radiación fue descubierta en 1964 por Arno
Penzias y Robert Wilson (ganadores del premio nobel por
su descubrimiento) y con eso la confirmación del “Big
Bang”
 Aunque la teoría del “Big Bang” es la mas aceptada,
probablemente nunca podrá ser probada, debido a que
nunca se podrán reproducir las condiciones iniciales y
con esto muchas preguntas no serán contestadas
Los astrónomos y físicos definen como núcleosíntesis al
proceso de generación de elementos pesados a partir de
ligeros
 Lo físicos consideran que durante el “Big Bang” solo se
produjeron neutrones. Sin embargo, la rápida expansión
del universo provoco también enfriamiento, los neutrones
espontáneamente decayeron a protones y electrones.
Posteriormente, los protones y neutrones se unieron para
formar los núcleos; estos núcleos a su vez atraparon
electrones a su alrededor para dar origen al primer
elemento H, después núcleos de hidrogeno se unieron
para formar al He.
 Es decir, solo los elementos ligeros (H, He) fueron
generados durante el “Big Bang” y por lo tanto presentes
en el universo temprano
Los astrónomos y físicos definen como núcleosíntesis al
proceso de generación de elementos pesados a partir de
ligeros
 Todos los elementos restantes fueron generados por
combustión nuclear dentro de las estrellas (fabricas de
elementos). En las estrellas, los núcleos de elementos
ligeros son aplastados unos contra otros (fusionados),
generándose así núcleos mas pesados, proceso conocido
como fusión nuclear. La fusión de 4H da origen al He, la
fusión de H y He resulta en Be, el Be al fusionarse con He
da origen al C, el C con He produce O y así
sucesivamente.
Las estrellas
 ¿Que son?
 ¿Como se forman o se formaron?
 ¿De que están hechas?
 El evento “Big Bang” expulsó remolinos de nubes de gas
hacia el universo en expansión. Estos remolinos,
provocaron la acumulación anómala de ese material en
ciertas zonas de ese universo primordial. Estos remolinos
de nubes cada uno con su centro de gravedad,
empezaron a atraer o absorber todo el gas de las regiones
que los rodeaban, convirtiéndose así en grandes esferas
crecientes de polvo y gas.
 Cuando estas esferas (mayormente de H y He) fueron lo
suficientemente grandes para convertir la fuerza
gravitacional en calor y generar temperaturas del orden de
1016 K, entonces se dieron las condiciones propicias para
la ocurrencia de reacciones termonucleares,
convirtiéndose así esos centros gravitacionales en centros
de generación de calor y luz, oficialmente volviéndose
estrellas.
¿Como ocurre la generación de los elementos?...
¿Es aleatoria, desordenada o existe un plan?
Primero definamos que es un elemento: Un elemento es
una sustancia fundamental, que no puede ser dividida sin
destruir su identidad.
Un átomo es una partícula de un elemento
Todos los elementos excepto H y He (109 conocidos) se
originaron en las estrellas hace mucho tiempo atrás
El modelo teórico del átomo, es fundamental para el
entendimiento de la química
Los átomos son representados como esferas
microscópicas integradas por 3 tipos de partículas
subatómicas: Neutrones, protones y electrones
Abundancia cósmica de los elementos
Abundancia cósmica de los elementos
Como vimos en el diagrama anterior, el H es por mucho el
elemento mas abundante del universo (92%),
posteriormente le sigue el He (8%)
La abundancia de el resto de los elementos decrece
exponencialmente con el aumento del numero atómico
El decremento continua a través de la tabla periódica,
hasta alcanzar el grupo del hierro. En proporción, estos
elementos son 10000 veces mas abundantes que sus
vecinos
Esta seria la única perturbación en la distribución cósmica
de los elementos de ocurrencia natural
 Protones y neutrones residen en el núcleo, en el centro del
átomo; ambas partículas tienen la misma masa, pero los
protones tienen carga positiva (+), mientras los neutrones
carecen de carga, es decir son eléctricamente neutros
 Los electrones son partículas subatómicas mucho mas
pequeñas y tienen solo una 1/1800 parte de la masa de un
protón. Debido a ser mas pequeños, los electrones son
atraídos por los protones los orbitan a varias distancias,
moviéndose a grandes velocidades (se les representa
como nubes de electrones)
 El tamaño de un átomo esta definido o determinado por las
orbitas de los electrones mas externos
Generación de los elementos
 Las reacciones termonucleares en el interior de las estrellas, se inician
con la fusión de núcleos de H para formar He a temperaturas del
orden de 10*106 °K. El sol ha estado generando la energía por la
reacción de fusión de H, esa es la energía que irradia hacia el espacio
 Lo anterior nos indica que esta produciendo solo Helio y Deuterio. Por
lo tanto, todo el resto de los elementos en el sol provienen de estrellas
ancestrales, cuya explosión Terminal (muerte, supernova) formó gases
y polvo cósmico en el espacio interestelar, a partir del cual se formaron
el sol y los planetas del sistema solar hace 4.6*109 años
 La fusión de núcleos de H para formar He, ocurre por una reacción de
 cadena protón-protón, la cual incluye 12 H y 23 He como productos
intermedios
 Las estrellas no generan su calor y luz dividiendo (fisión) el átomo
como en las plantas nucleares, por lo contrario, ellas generan su luz y
calor juntando átomos (fusión)
COMBUSTIÓN TERMONUCLEAR
Energía es liberada cuando la fusión causa que una pequeña
fracción de masa atómica sea convertida en energía, de acuerdo
con la famosa ecuación de Albert Einstein E=mc2.
Esa es la energía calorífica que recibimos del sol
Fusión del Helio y productos secundarios: (2He, 8O, 11Na, 12Mg)
Con esta serie de procesos ocurren combustiones sucesivas hasta llegar a Fe.
Cada capa produce productos de fusión que son quemados en la capa interior
siguiente, obteniendo finalmente la estrella con una estructura tipo "cebolla",
como se muestra en las siguientes figuras:
¿Pero hasta donde va la cadena de formación de
elementos por fusión termonuclear?


En los primeros minutos después del “Big Bang” (temp. > 1013 °K, se formaron
algunos de los elementos mas ligeros, entre otros, todo el H, la mayor parte
del He y en menor proporción Li, Be y B. Estos tres últimos no fueron
producidos en grandes cantidades debido a su gran inestabilidad.
Debido a la expansión del universo y el descenso de la temperatura, tampoco
se pudieron producir el resto de los elementos (del C en adelante), estos se
han sintetizado y aun se sintetizan en el interior de las estrellas, así como en
las explosiones estelares (supernovae), es decir la muerte de las estrellas.
Para tratar de responder esta pregunta debemos incursionar en la
sistemática nuclear
La energía de enlace o de unión nuclear (Nuclear Binding Energy)
La energía de unión de un núcleo, es la cuantificación de que tan
apretados o que tan ajustados se mantienen los protones y neutrones
unidos por las fuerzas nucleares.
La energía de enlace por nucleón (partícula del núcleo protón o neutrón),
es la energía requerida para remover del núcleo a un neutrón o protón,
ésta energía está en función del numero de masa A (masa atómica).
Un núcleo siempre pesa menos que la suma separada de los pesos de
los protones y neutrones que lo integran. Esta diferencia de masa es lo
que se conoce como energía de enlace. Es la energía que mantiene al
núcleo junto o ligado (protones apretujados con otros protones en un
espacio reducido produce una tremenda repulsión electrostática) una
gran cantidad de energía se necesita para mantener a los nucleones
unidos en el núcleo.
 La curva de energía de enlace implica que sí dos núcleos ligeros del
lado izquierdo de la curva coalesen para formar un núcleo mas
pesado, o sí un núcleo pesado del lado derecho de la curva se divide
para formar dos mas ligero, siempre da como resultado en un núcleo
mas fuertemente ligado o unido, en cualquiera de los dos casos, fusión
o fisión siempre se liberará energía.
 La unidad de masa atómica (Atomic Mass Umit AMU), se ha definido
como 1/12 de la masa del isótopo de carbono de masa 12. Por lo tanto el
carbono-12 (12C) tiene una masa de 12 unidades de masa atómica (12
AMU) y una unidad de masa atómica (un AMU) es igual a 1.6599X10-24
gramos.
 La parte más densa del átomo es el núcleo, su radio es aproximadamente
10-12 cm, pero contiene más del 99.9 % de la masa de un átomo. Existe
una pequeña pero significativa diferencia entre las masas del protón y de
un neutrón; además la masa del núcleo es mucho más compleja que solo
sumar las masas de los nucleones. Estas observaciones las podemos
modelar usando la famosa ecuación de Einstein E=mc2
 Donde E es energía, m es la masa y c es la velocidad de la luz.
Rescribiendo la anterior ecuación en forma de diferencia ΔE= c2 Δm
donde ΔE es el cambio de energía relacionado por medio de la constante
de proporcionalidad c2 al cambio en masa Δm. La diferencia de masas
entre el material inicial y el producto resultante es la energía liberada.

En dimensiones atómicas, no sólo es conveniente definir una nueva unidad
de masa sino también una nueva unidad de energía. En este caso la unidad
de energía más usada es el volt electrón (electron volt). Formalmente se
define como la energía adquirida por un electrón durante su aceleración a
través de una deferencia de voltaje de un volt. Un volt electrón es igual a
3.88X10-20 calorías, cantidad demasiado pequeña sí consideramos que una
cucharada de azúcar contiene 20,000 calorías (o 20 Calorías -la letra
mayúscula es usada por los nutriólogos para decir 1000 calorías).
Por ejemplo, el isótopo de helio (4He) tiene un número de masa de 4 (que es igual
a 2 protones y dos neutrones en el núcleo), pero con una masa de 4.002604
AMU.
Sí consideramos una reacción hipotética, en la cuál combinamos 4 átomos de
hidrogeno (1H) cada uno con una masa de 1.007825 AMU para formar un átomo
de helio (4He), el cambio de masa sería
41H=4He
4X(1.007825)=4.002604+ Δm
donde Δm es la masa que no se encuentra en el átomo de helio y que es igual a
0.028697 AMU. Usando la ecuación de la energía de Einstein, la energía
equivalente a esta masa es de 26.6 millones de volt electrón (MeV). La energía
derivada de un gramo de hidrógeno (1 mol) usado para formar helio es entonces
1
caloria
atomos
10 12
 6.023 10 23
 1.5 1011 calorias
4
atomo
mol
Por supuesto, ésta reacción es por mucho hipotética (solo ocurre en el
sol), puesto que es la principal fuente de energía del sol!
Fe y los elementos vecinos (V, Cr, Mn, Co Ni), poseen las mayores energías de
enlace por núcleo. Si la T continua aumentando, se favorece fotodesintegración
con absorción de energía (fisión nuclear). Se produce colapso del núcleo y
destrucción del sistema, lo que se denomina Gigante Roja (masa similar a la
del Sol), Supernova (Masa varias veces la del Sol) u Hoyo Negro
(con masa gigantesca).
Supernova (novae); una estrella que muere
Lo anterior ocurre debido al colapso de la parte más interna del núcleo de la estrella,
las capas externas se precipitan hacia el centro. Esta colisión de material nuclear,
produce las condiciones extremas que conducen a la formación de elementos
mas pesados.
Las temperaturas extremadamente altas proporciona a los núcleos atómicos la
energía cinética necesaria para volverse extremadamente reactivos; además, la
presencia de un gran flujo de neutrones producto de la fisión del Fe en el núcleo
central de la estrella son capturados por los núcleos presentes, los cuales sufren
desintegración por la conversión de un neutrón en protón más un electrón.
Cada captura de un neutrón provocará que el núcleo afectado aumente su
número atómico en una unidad luego de la desintegración radiactiva
Se reconocen dos tipos de procesos por captura de neutrones, los cuales difieren
dependiendo de la intensidad del flujo de neutrones:
Procesos-s: Flujo moderado de neutrones (etapa de colapso estelar tipo Gigante Roja)
Procesos-r: Flujo muy intenso de neutrones (etapa de colapso estelar tipo Supernova)
el medio interestelar con elementos mas pesados que H y He. Si una nébula ya
reciclada entra en un sistema globular para formar de nuevo una estrella, ahora
de segunda generación, el gas interestelar contiene nucleidos pesados y la
combustión ocurre con mayor probabilidad mediante el proceso denominado
ciclo Carbono - Nitrógeno - Oxígeno (CNO), en el cual los nucleidos de H se
fisionan con Carbono para producir nitrógeno y luego Oxígeno. Esta forma de
combustión de H, requiere de condiciones menos extremas que la cadena protónprotón de las estrellas de primera generación.
Secuencia de formación de los elementos y
los procesos que los generan
 Principales observaciones que se desprenden de la abundancia
cósmica elementos:
 H, He >>>> C, N, O, Mg, Si, Fe, S >>> Resto
Mas del 75% de la masa del Universo es H.
Mas del 99% es H + He.
La abundancia decrece exponencialmente hasta Z ~ 60, luego
permanece aproximadamente constante.
La abundancia de los elementos de Z>50 es muy baja y no varia de
manera apreciable con el aumento de Z.
Los elementos con Z par son más abundantes que Z impar.
La abundancia de Li, Be y B es anormalmente baja comparada con la
de otros elementos livianos.
La abundancia de Fe es notablemente mayor que la de los elementos
cercanos con Z similar.
Tc y Pm no se detectan en el sistema solar debido a que todos sus
isótopos son inestables y se desintegran rápidamente.
Los elementos de Z>83 (Bi) no poseen isótopos estables, pero se
presentan en baja abundancia debido a que son hijos (radiogénicos) de
U y Th.
¿El universo?
Sistema Estelar (Solar)
(1 Estrella + 9 Planetas + n[Satélites, Asteroides, Cometas)
Sistema Tierra (1 Planeta + 1 Satélite)
Estrella mas cercana ~4 A.L.
Galaxia mas cercana
~ 2x106 A.L.
Galaxia Via Lactea (~ 1012 - 1018 Estrellas)
~ 70.000 A. L.
?
"UNIVERSO ISLA" (Cúmulo de Galaxias)
?
?
¿UNIVERSO?
?
~ 5.000 A.L.
Dimensiones del cósmicas
Unidad Astronómica (U.A.): Distancia promedio Tierra - Sol = ~ 150*106
Km. Es de utilidad a escala del Sistema Solar
Año Luz (A:L.): Distancia que recorre la Luz en 1 año a ~ 300.000
Km/seg. (= 9.5*1012 Km = 6.3*106 U.A.) Es de utilidad a escala del
Universo.
Punto de vista normal: Sistema de 3 dimensiones: Largo, Ancho y
Profundidad.
Punto de vista del Universo: Sistema de 4 dimensiones: Largo, Ancho,
Profundidad y Tiempo.
El universo que observamos desde la Tierra es aquel que se revela a
través de la radiación electromagnética que nos llega. Debido a que esta
radiación viaja a una velocidad finita (velocidad de la Luz), cuando
observamos el universo estamos viendo hacia el pasado.
Organización:
Unidad Básica: Estrella (Reactor Elemental. Sintetiza elementos químicos
y emite una gran cantidad de energía).
Galaxia: Acumulación de estrellas
Universo Isla: Acumulación de galaxias.
Universo: Acumulación de Universos Isla.
Distancias estelares y/o cósmicas






Tierra – Luna 1.28 Seg./Luz
Diámetro del Sistema Solar ≈ 11
horas/Luz
Sol-Alpha Centaury (estrella mas
cercana) ≈ 4 Años/Luz
Diámetro de la Galaxia 100,000
Años/Luz
Galaxia mas cercana (Andrómeda)
≈ 2*106Años/Luz
Universo observable en cualquier
dirección ≈ 12*109 Años/Luz
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