Mirando más de cerca al Argón

Nunca deja de sorprenderme lo tonto que puedo llegar a ser

Me he pasado tres años haciendo todo tipo de mediciones de precisión sobre el gas argón, pero fue necesario un comentario casual de Andrew Marmary en un corto del Canal RI para alertarme de un simple hecho asombroso: los átomos de argón -con 18 protones en cada núcleo- son de media más pesados que los átomos de potasio, que tienen un protón más en cada núcleo. Es un simple hecho que esconde una historia extraordinaria

La masa relativa de los átomos de cada elemento se tabula al final de este artículo, y se muestra como un gráfico en la parte superior de la página. El número atómico es el número de protones en el núcleo de cada átomo y la masa atómica relativa es -muy aproximadamente- el número combinado de neutrones y protones en el núcleo. Así, por ejemplo, un átomo de hidrógeno con 1 protón y ningún neutrón tiene una masa atómica relativa de 1. Los átomos de helio tienen 2 protones y 2 neutrones y una masa atómica relativa de 4. El gráfico muestra que los átomos con más protones en el núcleo tienden a tener alrededor de un neutrón extra por cada protón extra, pero no exactamente uno. Obsérvese que las masas atómicas relativas no caen exactamente sobre la línea roja de puntos, sino que se «menean» un poco. Y algunos átomos como el cloro -con 17 protones- tienen una masa atómica relativa de 35,45 que no se acerca a un número entero. ¿Un núcleo de cloro contiene una fracción de neutrón? No. Pero para entender esto tenemos que aprender sobre los isótopos

Incluso los elementos puros contienen átomos con diferentes números de neutrones. El cloro natural, por ejemplo, tiene dos isótopos, ambos con 17 protones, pero uno tiene 18 neutrones y una masa relativa de aproximadamente 35 y el otro tiene 20 neutrones y una masa relativa de aproximadamente 37. El primer tipo supera al segundo en una proporción aproximada de 3 a 1, por lo que la masa media de los átomos de cloro resulta ser aproximadamente de 35,5.

¿Y qué pasa con el argón? ¿También tiene isótopos? Sí. El argón en la atmósfera tiene tres isótopos, todos con 18 protones – pero un tipo (llamado 36Ar) tiene 18 neutrones y una masa relativa de aproximadamente 36; un segundo tipo (llamado 38Ar) tiene 20 neutrones y una masa relativa de aproximadamente 38, y el último y más común tipo (llamado 40Ar) uno tiene 22 neutrones y una masa relativa de aproximadamente 40. Las mediciones realizadas por mis colegas del Centro de Investigación Medioambiental de las Universidades Escocesas han demostrado que en el argón normal hay aproximadamente 300 veces más 40Ar que 36Ar, y que el 38Ar es aún más raro. Por ello, la masa atómica media es algo inferior a 40.

El hecho sorprendente es que si hubiéramos realizado esta medición hace 4.000 millones de años, cuando se formó la Tierra, o si hubiéramos realizado la medición en gas argón de otro planeta, obtendríamos una respuesta diferente, mucho más cercana a 36. Esto se debe a que el argón «natural» es en realidad el 36Ar. Si volvemos a trazar los datos experimentales de la cabecera de la página, pero con una masa de 36 para el argón en lugar del valor experimental, entonces vemos que el punto encaja perfectamente en la línea.

Entonces, ¿de dónde vino todo el 40Ar? La respuesta es que vino de la desintegración radiactiva del potasio-40 (40K). La mayor parte del potasio en la Tierra tiene 20 neutrones (39K) dando al potasio una masa relativa cercana a 39. Sin embargo, hay una pequeña cantidad de potasio con 22 neutrones (41K) dando al potasio una masa relativa ligeramente superior a 39. Además, hay una cantidad aún más pequeña de potasio con 21 neutrones (40K) y este isótopo es radiactivo, y decae en 40Ar con una vida media de unos 1.200 millones de años. Así que en el transcurso de los 4.000 millones de años de historia de la Tierra, alrededor del 90% de nuestro regalo original de 40K se ha descompuesto en 40Ar

En el sistema solar, el argón es realmente más común que el potasio, pero en la Tierra el potasio es mucho más abundante que el argón. Así, aunque (40K) es una fracción minúscula de los átomos de potasio en la Tierra, hay tanto potasio (es aproximadamente 1/500 parte de la Tierra en peso) que el 40Ar, procedente de la desintegración radiactiva del 40K, es ahora el isótopo dominante del argón en la Tierra.

Así que el gráfico de la cabecera de la página parece mudo, pero si uno puede leer los datos y detectar los patrones, se encuentra con que el gráfico dice mucho. Habla de la historia de la Tierra y del nacimiento de los elementos en la agonía de las estrellas (Nucleosíntesis). ¡Wow! Y cómo no me he dado cuenta?

Los datos los he sacado de la Wikipedia, así que sé que deben ser correctos 🙂