El origen de los elementos: cómo se formó la tabla periódica

“Estamos hechos de polvo de estrellas” — Carl Sagan

No es poesía: es ciencia. Cada átomo que forma nuestro cuerpo y todo lo que vemos proviene, literalmente, del corazón de una estrella o de procesos ocurridos en los primeros minutos del universo. Desde el hidrógeno que compone el agua hasta el uranio de los reactores nucleares, todos los elementos de la tabla periódica tienen una historia de origen en diferentes procesos cósmicos, que abarcan desde el Big Bang hasta los laboratorios humanos. Estos son los principales:

1. Nucleosíntesis primordial: el origen de los elementos más ligeros

• Elementos formados: Hidrógeno (H), Helio (He), algo de Deuterio (²H), Litio (Li) y Berilio (Be).

• Cuándo: Entre 10 segundos y 20 minutos después del Big Bang, hace 13.800 millones de años.

En los primeros instantes del universo, las temperaturas eran extremas. Existían protones, neutrones, electrones, neutrinos y fotones, pero no había aún núcleos estables. Los neutrones eran inestables y se convertían en protones (y viceversa) constantemente, manteniéndose en equilibrio.

Al enfriarse el universo (~1 segundo tras el Big Bang), este equilibrio se rompió: los neutrones dejaron de transformarse en protones, y como había más protones, estos fueron los predominantes.

La nucleosíntesis primordial comenzó unos 100 segundos después del Big Bang y duró apenas unos tres minutos. Fue un periodo breve pero crucial: si hubiera durado más, se habrían formado elementos más pesados. La caída rápida de temperatura impidió que eso ocurriera.

Resultado:

• ~75% de hidrógeno-1 (H-1)

• ~25% de helio-4 (He-4)

• Cantidades muy pequeñas de deuterio, litio y berilio

• Nada más pesado que eso

2. Espalación de rayos cósmicos: elementos ligeros por fisión natural

• Elementos formados: Litio (Li), Berilio (Be) y Boro (B)

• Proceso: Espalación por impacto de rayos cósmicos

Los rayos cósmicos son partículas subatómicas de alta energía (principalmente protones) que viajan por el espacio. Cuando impactan con núcleos de elementos como carbono u oxígeno en el medio interestelar, los rompen en fragmentos más pequeños (nucleones: protones y neutrones), en un proceso llamado espalación cósmica.

Este mecanismo es importante porque:

• Los elementos Li, Be y B no se producen fácilmente en estrellas, ya que se destruyen a temperaturas elevadas.

• La espalación actúa como una forma natural de fisión nuclear, generando estos elementos a partir de núcleos más pesados.

3. Nucleosíntesis estelar: el horno de las estrellas

• Elementos formados: Desde carbono (C) hasta hierro (Fe) y algunos más pesados por procesos lentos.

• Proceso: Fusión nuclear y captura de neutrones dentro de las estrellas

Las estrellas son fábricas de elementos. En su núcleo, los átomos se fusionan liberando energía. Dependiendo de su masa, una estrella puede formar diferentes elementos:

• Estrellas pequeñas (como el Sol): producen elementos ligeros y algunos intermedios mediante procesos lentos (s-process).

• Estrellas grandes: alcanzan temperaturas mucho mayores, formando elementos más pesados, hasta llegar al hierro (Fe).

➤ Fusión nuclear directa: Fusiona núcleos ligeros (H, He) para formar núcleos más pesados. Pero no puede producir elementos más allá del hierro, porque a partir de ahí fusionar consume más energía de la que libera.

➤ Proceso s (slow): Un núcleo captura un neutrón, y espera el tiempo suficiente para que este se transforme en un protón (mediante decaimiento beta, emitiendo un electrón). Así, el número atómico aumenta, y se forma un nuevo elemento más pesado.

El hierro representa un límite natural: es el núcleo más estable, con la mayor energía de enlace por nucleón. A partir de este se debe producir por un proceso s o r

4. Supernovas: la creación de los elementos más pesados

• Elementos formados: Oro (Au), Plata (Ag), Plomo (Pb), Uranio (U), entre otros

• Proceso: Explosiones de supernovas → proceso r (rápido)

Cuando una estrella masiva agota su combustible, colapsa y explota en una supernova. Esta explosión libera cantidades colosales de energía, lo que permite:

• Capturas de neutrones ultrarrápidas por parte de núcleos atómicos: el proceso r (rapid).

• Se forman núcleos muy inestables y ricos en neutrones, que luego decaen sucesivamente hasta estabilizarse.

Este es el origen de muchos de los elementos más pesados que el hierro, imposibles de formar por fusión estelar.

5. Elementos artificiales: hechos por el ser humano

• Elementos formados: Tecnecio (Tc), Neptunio (Np) y todos los elementos transuránicos

• Proceso: Bombardeo nuclear en laboratorios o reactores

Algunos elementos no se encuentran en la naturaleza. Son creados artificialmente en laboratorios mediante:

• Aceleradores de partículas

• Reactores nucleares

Estos elementos se producen al bombardear núcleos atómicos con neutrones u otras partículas, generando núcleos inestables que posteriormente decaen.

Origen múltiple de los elementos

He puesto algunos ejemplos pero no son excluyentes, muchos elementos no tienen un único origen. Por ejemplo:

• El Carbono (C) puede formarse en estrellas grandes, pero también por rayos cósmicos o en estrellas más pequeñas por procesos de captura lenta.