¿Qué es un átomo?

Toda la materia está formada por átomos, que son las unidades más pequeñas de la materia. La parte central del átomo es el núcleo y contiene casi toda la masa atómica. Los electrones están en movimiento continuo alrededor de él y son extremadamente pequeños. Cada uno tiene una unidad de carga eléctrica negativa: -1.6 x10^-19 coulombs.

Dentro del núcleo coexisten dos tipos de partículas: los protones y los neutrones. Un protón tiene una unidad de carga positiva (1.6 x10^-19 coulombs) y los neutrones no tienen carga. Recuerda que cada elemento químico se define por el número de protones que hay dentro del núcleo. Generalmente, el número de protones y de neutrones es igual, es decir, si un elemento tiene 12 protones lo normal es que tenga también 12 neutrones, pero no siempre es así. Algunas veces tienen más neutrones y entonces hablamos de "isótopos" del elemento.

Por ejemplo, el hidrógeno, el elemento más sencillo, puede tener cero, uno, o dos neutrones. El núcleo de hidrógeno más común sólo tiene un protón; le sigue el hidrógeno pesado, o deuterio, con un protón y un neutrón; y el tritio, con un protón y dos neutrones. Ambos son isótopos del hidrógeno. En la Tierra, sólo 15 de cada 100 000 núcleos de hidrógeno son de deuterio. La llamada agua pesada está formada por deuterio en lugar de hidrógeno común. Por otro lado, el tritio sólo se encuentra en ínfima cantidad, lo produce la radiación cósmica. Es un isótopo radiactivo, lo que significa que con mucha facilidad pierde un neutrón para convertirse en deuterio. 

Como todas las estrellas, el Sol está formado por una enorme cantidad de hidrógeno y de helio. Sin embargo su estado no es gaseoso, ya que a muy altas temperaturas, los átomos están en movimiento continuo y pierden los electrones, por lo que el gas está "ionizado", es decir, cargado eléctricamente. Este estado se conoce como plasma.

La fusión es el proceso que hace que núcleos colindantes se unan para formar uno nuevo de mayor masa atómica. En el proceso, se pierde algo de masa que se convierte en energía. En el núcleo del Sol se da la unión de átomos de tritio con átomos de deuterio. El tritio tiene un protón y dos neutrones y el deuterio tiene un protón y un neutrón, por lo que la unión de ambos resultará con dos protones y dos neutrones: un átomo de helio más un neutrón que se desprende con la velocidad de la luz y se convierte en energía según la relación E= mc².

Pero los protones no son nada amigables entre sí. Como tienen carga positiva, entre ellos existe una fuerza de repulsión debido a la ley de Coulomb. Y como la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa las cargas, entre más cerca esté un protón del otro la fuerza de repulsión es mucho mayor. En el momento de la fusión ocurre el caso extremo de que la fuerza a vencer es casi infinita ya que la distancia entre ellos es prácticamente cero. Por lo tanto, la fusión nuclear sólo puede ocurrir a muy altas temperaturas, donde la densidad de la materia es enorme. En el núcleo, el Sol es 150 veces más denso que el agua y la temperatura alcanza 13,600 millones de Kelvin. Dicho de otro modo, los protones están muy cerca unos de otros y la energía cinética que alcanzan los hace moverse a velocidades cercanas a la de la luz, pero también la repulsión eléctrica es enorme.

Entonces, ¿cómo es posible que se dé la fusión nuclear? Pues es posible debido a un fenómeno que se conoce como "túnel cuántico" o "barrera de penetración". Para entenderlo tenemos que abandonar las ideas de la mecánica clásica y meternos un poco en la mecánica cuántica.

Nuestra experiencia cotidiana indica que si tenemos una pelota golpeando los muros de una habitación cerrada, la posibilidad de sacarla de ahí es cero. Pero en la mecánica cuántica las cosas son diferentes.

Como las partículas están en movimiento continuo, y debido a las altísimas temperaturas y las velocidades enormes, realmente nunca sabemos con certeza dónde están. Se habla de espacios probables de localización. Es decir, que existe la probabilidad, muy baja pero existe, de que se abra un "túnel" por el que un protón pueda pasar sin tener que vencer la fuerza de Coulomb, y rápidamente queda atrapado para formar un núcleo de helio. Como la probabilidad de que esto ocurra es muy baja, la fusión no se da cuando la densidad de materia es pequeña y la temperatura es relativamente baja.