Los gases nobles



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Las proximidades del cero absoluto


En este mismo laboratorio, en 1935, los científicos descubrieron que cuando el helio líquido era enfriado por debajo de 2,2° K, sufría una notable alteración en sus propiedades. Era como si hubiese dos formas completamente diferentes de helio. La forma por encima de los 2,2° K se llama helio I, y se comporta como un líquido ordinario (excepto, naturalmente, por su extremada frialdad). La forma por debajo de los 2,2° K, el helio II, se comporta como ningún otro líquido en la Tierra. Actúa casi como si fuera un gas en lugar de un líquido.

Entre otras cosas, la viscosidad, facilidad de fluir, del helio II es aun inferior que la del gas; tan sólo una milésima parte de la del gas menos viscoso, el hidrógeno. Cuanto menos viscosa es una sustancia, tanto más fácilmente fluye a través de estrechas aberturas; el resultado es que virtualmente nada está a salvo de escape por lo que se refiere al helio II. Este fenómeno se denomina superfluidez.

Por otra parte, el helio II puede conducir el calor con enorme rapidez, alrededor de ochocientas veces más velozmente que el cobre, la sustancia siguiente como máxima conductora del calor. Como resultado, es imposible mantener diferencias de temperatura, por leves que sean, dentro de una muestra de helio II en ningún intervalo de tiempo por corto que sea. Si se calienta una porción de una muestra de helio II, el calor añadido se propaga a todas las demás porciones casi inmediatamente.

Puesto que todo el helio II está a idéntica temperatura al mismo tiempo, no puede haber ebullición en el sentido corriente de la palabra. En un líquido corriente, como el agua o, para el caso, el helio I, puede haber «puntos calientes» locales, lugares donde la temperatura se eleva momentáneamente por encima del punto de ebullición con la consiguiente formación de una burbuja de gas. Estas burbujas agitan el líquido de una forma con la cual está familiarizado cualquiera que haya visto hervir agua.

Tales puntos calientes locales no pueden formarse en el helio II; ni tampoco pueden tener lugar tales burbujas y agitaciones. A medida que el helio II consigue calor, capas de átomos pierden su envoltura en la parte superior de la superficie, y esto es todo. El helio II hierve con absoluta uniformidad y quietud.

Debido a que el helio II tiene una viscosidad tan escasa se deposita con facilidad encima de cualquier sólido con el cual entre en contacto. Al hacerlo así, forma una capa de un grosor de 50 a 100 átomos. Si el helio II se halla en una probeta de ensayo, forma una capa (completamente invisible para el ojo humano) sobre la superficie interna a todo lo largo de ella hacia arriba, pasa por encima del borde y baja por la superficie externa (flujo en película). Después gotea fuera de la probeta hasta que queda vacía. Para el que esté observando el fenómeno por vez primera, parece como si la probeta de ensayo tuviese un agujero en el fondo.

Por otra parte, si un tubo de ensayo vacío es cerrado dentro de un recipiente y sumergido parcialmente en una cantidad de helio II, el líquido se depositará sobre la superficie externa del tubo de ensayo, ascenderá y, pasando por encima del borde, goteará dentro del tubo de ensayo hasta que el nivel sea igual dentro y fuera del tubo de ensayo.

El helio II transmite el sonido de un modo muy raro. Además, el sonido, al transmitirse como una onda de presión alternativamente creciente y decreciente, también viaja como una onda de temperatura creciente y decreciente (segundo sonido). Esto se ha explicado dando por sentado que el helio II es realmente una mezcla de helio II y helio I (la mezcla varía en proporción con las diferentes temperaturas), que fluye a través de cada una de ellas en direcciones opuestas.

Los físicos teóricos están fascinados por la extraña manera en que se comporta el helio II; basándose en este comportamiento, han intentado desarrollar ciertas conclusiones fundamentales en lo que se refiere a la estructura de la materia. Por extraño que parezca, el helio-3, cuando es enfriado a temperaturas muy bajas, no muestra señal alguna de sufrir el mismo cambio que experimenta el helio-4. El helio-3 líquido siempre parece estar en la forma del helio I y continuar siendo un líquido ordinario en todas las ocasiones.

El helio no es la única sustancia que adquiere inesperadas y raras propiedades a temperaturas del helio líquido. En 1911, Kamerlingh-Onnes estaba midiendo la resistencia eléctrica del mercurio a la temperatura del helio líquido. Esperaba que la resistencia alcanzase valores bajos sin precedente, ya que la resistencia de los metales al flujo eléctrico por lo general desciende al disminuir la temperatura. Sin embargo, él no esperaba que la resistencia desapareciera por completo. No obstante, ¡esto fue lo que sucedió! A una temperatura de 4,12° K, la resistencia eléctrica de mercurio se esfumó totalmente, o, por lo menos, llegó tan próximo del cero que nunca nadie ha logrado medir el más mínimo indicio de resistencia que pudiese haber quedado. Sin resistencia, el mercurio podía conducir una corriente eléctrica sin que se requiriera ningún trabajo para mantener la corriente en funcionamiento (Era como deslizarse sobre hielo completamente liso; el deslizamiento continúa siempre). Una corriente instalada en un anillo de mercurio a 4,12° K continuará circulando por este anillo de manera indefinida. Este fenómeno se denomina superconductividad.

Desde 1911, otros varios metales han demostrado convertirse en superconductores cuando se alcanza una temperatura suficientemente baja. Algunos requieren temperaturas inferiores a 1o K. Por ejemplo, el iridio se vuelve superconductor tan sólo a temperaturas inferiores a 0,12° K (De modo extraño, aquellos metales que, a temperaturas normales, son los mejores conductores —cobre, plata, oro, aluminio— no han mostrado el menor signo de superconductividad a las más bajas temperaturas a que fueron comprobados).

Unos pocos metales permanecen siendo superconductores a temperaturas más bien elevadas. El lantano es superconductor por encima de los 5,9° K y el columbio a los 9,2° K. La marca de elevada temperatura a la cual cualquier elemento conocido es superconductor la ostenta el tecnecio a 11,2° K. Por desgracia, el tecnecio es un metal radiactivo y no tiene isótopos estables. No aparece en la Naturaleza en cantidades apreciables y debe ser sintetizado en el laboratorio. Por consiguiente, siempre será una sustancia rara.

La superconductividad también implica una extraña propiedad con respecto al campo magnético. Existen algunas sustancias que son diamagnéticas, es decir, que parecen repeler las líneas magnéticas de fuerza. Escasas líneas de fuerza pasarán a través de tales sustancias como a través de un volumen equivalente de vacío. En 1933, se descubrió que cualquier sustancia superconductora era perfectamente diamagnética; ninguna línea de fuerza podía penetrarla en absoluto.

Sin embargo, si se prepara un campo magnético suficientemente fuerte, algunas líneas de fuerza conseguirán, en ocasiones, penetrar en la sustancia diamagnética, y la superconductividad desaparece. En otras palabras, para una sustancia determinada, la superconductividad puede hacerse desaparecer elevando la temperatura o la intensidad del campo magnético por encima de determinados valores. Cuanto más elevado sea un factor, tanto menos necesita ser elevado el otro factor.

En las décadas de 1950 y 1960, se realizaron ingentes esfuerzos para aplicar el fenómeno de la superconductividad. Una corriente eléctrica siempre produce un campo magnético, pero, en circunstancias corrientes, se requiere una gran cantidad de energía para mantener en funcionamiento una corriente. Mantener una corriente que sea lo bastante potente como para producir un campo realmente intenso supone una enorme cantidad de energía. Sin embargo, la existencia de la superconductividad, incrementa la posibilidad de poner en marcha una potente corriente eléctrica que puede continuar fluyendo sin ninguna posterior entrada de energía. Esto, a su vez, producirá un intenso campo magnético que permanecerá funcionando sin que se le incorpore más energía.

No obstante, hay un límite a la potencia en que pueda ser instalado un campo magnético antes que las líneas magnéticas de fuerza penetren el superconductor y terminen el fenómeno. Por lo general, este límite es desagradablemente bajo, pero los físicos vencieron las dificultades hasta descubrir materiales que soportaran al máximo posible la resistencia de un campo magnético. Ahora se producen magnetos a temperaturas de helio líquido que son, sin precedentes, más potentes que cualquier otra cosa que exista a temperaturas corrientes.

El fenómeno de la superconductividad ha permitido también el inventar un pequeño aparato que puede actuar como un conmutador. En su forma más simple, consiste en un pequeño alambre de tantalio arrollado en torno a otro alambre de niobio. Si los alambres se bañan en helio líquido, el alambre de niobio se convierte en superconductor y una pequeñísima corriente que pase a través de él fluirá por tiempo indefinido. Cuando, entonces, se envía una corriente a través del alambre de tantalio, el campo magnético que se instala a su alrededor es suficiente para interrumpir la superconductividad y detener la corriente en el columbio.

Manejado en condiciones adecuadas, este aparato llamado criotrón (fabricado por vez primera en 1956) puede ser empleado para sustituir un tubo de vacío o un transistor. Aparatos minúsculos, que consisten en cortos criotrones capilares, ingeniosamente dispuestos, pueden sustituir a gran número de voluminosos tubos o a transistores de tamaño mediano, de manera que una gigantesca computadora del futuro muy bien podría ser del tamaño de una mesita o menor, si es enteramente «criotronizada».

No obstante, esos modernos magnetos y conmutadores, únicamente pueden realizar su maravillosa tarea a temperaturas de helio líquido, y el helio se encuentra en cantidades limitadas. Se necesita ahora tanto helio en la investigación científica y en la fabricación de avanzados instrumentos de concebible uso para el esfuerzo espacial y para asuntos militares, que la producción de helio se ha decuplicado e incluso en mayor proporción desde 1950; el 90% del suministro está asignado ya a diversas agencias gubernamentales norteamericanas. ¿Qué ocurrirá cuando los pozos de gas que suministran helio en grandes cantidades se agoten, como sucederá antes de un siglo?

En un aspecto, el helio que empleamos no se pierde. Como en el caso del argón, pasa a la atmósfera. Sin embargo, el suministro atmosférico de helio es mucho menor que el de argón; una gran planta industrial dedicada a la destilación fraccionada del aire puede producir tan sólo veintiocho milímetros cúbicos de helio por cada seis metros cúbicos producidos por los pozos de gas. Además, la reserva de argón de la atmósfera es permanente, lo cual no sucede de la misma forma con el helio. La Tierra no puede retener el helio, que lentamente se escapa fuera de la atmósfera para penetrar en el espacio.

No obstante, el helio es probable que vaya siendo cada vez más necesario para nuestra avanzada tecnología. Un modo de diferir los malos días de disminución de las reservas es aprovechar el helio que ahora despilfarramos. Los Estados Unidos (que poseen el máximo suministro mundial de helio) tienen una producción de 10.000.000.000 de litros anuales; y esta capacidad es considerablemente más elevada. Se calcula que cada año más de 100.000.000.000 de litros se utilizan en su forma de gas natural dejándolos escapar a la atmósfera cuando se quema el gas. Si este helio pudiera ser recuperado, dispondríamos de un suministro de helio durante un plazo diez veces más largo del que ahora disponemos.

Una manera de lograrlo, incluso sin helio, sería el descubrir métodos de mantener la superconductividad a temperaturas de hidrógeno líquido, puesto que el hidrógeno líquido se halla virtualmente en cantidades sin límite.

Puesto que el hidrógeno sólido no se funde hasta que sea alcanzada una temperatura de 14° K, esta temperatura es exigencia mínima para la superconductividad del hidrógeno líquido. Ningún elemento es superconductor a una temperatura tan elevada, pero algunas aleaciones lo son. Una aleación de niobio y estaño es superconductora a una temperatura tan elevada como 18,1° K.

La aleación de niobio y estaño puede ser mantenida y superconductora en hidrógeno líquido, siempre y cuando el hidrógeno líquido sea conservado a un par de grados por debajo de su punto de ebullición, lo cual es difícil de lograr sin helio líquido. Si pudiéramos establecer la superconductividad por encima de 20° K, el punto de ebullición del hidrógeno, entonces la superconductividad podría ser mantenida fácilmente en hidrógeno líquido.

Hasta ahora no se han encontrado materiales con una superconductividad a temperaturas por encima de 20° K, aunque se ha sugerido que mediante el empleo de clases especiales de grandes moléculas orgánicas, bastante similares a las que se hallan en el tejido vivo, puede conseguirse la superconductividad incluso a temperatura ambiente. De ser así, produciría una extraordinaria conmoción en la tecnología. No obstante, por ahora, esto permanece estrictamente en el terreno de la especulación.



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