© Libro N° 8881. El Núcleo Atómico. Corcho, Roger. Emancipación. Julio 31 de 2021.
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El Núcleo Atómico. Roger Corcho
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Roger Corcho
El Núcleo Atómico
Roger Corcho
CONTENIDO
Introducción
Cronología
1. El descubrimiento del núcleo atómico
2. Alfa, beta y gamma
3. La desintegración radiactiva
4. Hacia la escisión del núcleo
Anexo A
Anexo B
Lecturas recomendadas
Introducción
«Todas las cosas están compuestas por átomos.» Esta
sería, a tenor del físico estadounidense Richard Feynman, la tesis más
importante de la historia de la física, aquella que valdría la pena conservar
en caso de que una catástrofe hiciera olvidar todos los conocimientos
adquiridos hasta la actualidad.
Los átomos se pueden considerar las piezas de las
que está hecha la realidad. O bien se encuentran aislados, o se enlazan entre
sí formando moléculas o estructuras cristalinas, o se fusionan los núcleos
atómicos, dando lugar a átomos más grandes, como ocurre en el interior de las
estrellas. Como resultado de esta variedad existe el universo tal y como lo
conocemos. Ya en los albores de la civilización occidental, un filósofo griego
se atrevió a afirmar que en el universo solo hay átomos y vacío. Se trataba de
Leucipo de Mileto (siglo v a.C.). Pero no fue hasta principios del siglo XX
cuando físicos como Ernest Rutherford fueron capaces de mostramos en qué
consiste la materia.
Los átomos tienen un tamaño minúsculo. Para poder
expresar su tamaño es necesario recurrir a una unidad de medida llamada
angstrom. Un angstrom es 10-10 m, es decir, un centímetro
dividido en cien millones de partes; el átomo tendría un tamaño del orden de
una de esas porciones. Los físicos del siglo XX enseñaron que el átomo no era
indivisible, sino que tiene una estructura interna formada por elementos más
pequeños, partículas subatómicas como protones, neutrones y electrones. Hoy día
se considera que la materia puede describirse como formada por un conjunto de
partículas (agrupadas bajo el nombre de fermiones), entre las que se distinguen
dos tipos básicos: los quarks y los leptones. Estos, a su vez, incluyen
diversos subtipos con propiedades diferenciadoras y, en general, solo ciertas
combinaciones de ellos conforman la materia tal como la conocemos. Esta
hipótesis se denomina «modelo estándar de física de partículas» e incluye la
comprensión de las fuerzas e interacciones fundamentales entre las partículas,
lo que permite explicar la formación, desintegración o variedad de los átomos.
Sobre la base de esta realidad granular, es todo un
desafío explicar cómo un gran número de partículas encajan unas con otras como
engranajes perfectos. Se ha estimado que el universo se compone de 1078 átomos
(¡un 1 seguido de 78 ceros!); por su parte, el cuerpo de un solo ser humano
alberga 1027 átomos, en su mayoría de oxígeno, carbono e
hidrógeno, que forman células que se renuevan casi por completo en ciclos de
cinco años.
Ahora bien, si todo está hecho de átomos,
¿estudiarlos nos puede dar la clave para comprender todo el universo? Así lo
señala enfáticamente el físico neerlandés Martinus Veltman: «Conocerlo todo
sobre la física de partículas elementales significa conocerlo todo sobre todo».
Aunque Veltman se refiere con ello a una visión parcial del «todo», gracias al
estudio de los átomos se ha conseguido enunciar científicamente el origen y la
evolución del universo; descubrir cómo con el Big Bang se formaron primero agregados
de quarks, para constituir, por ejemplo, núcleos de deuterio y helio, que se
combinarían luego con electrones para formar átomos. Densificaciones de materia
y energía formarían las estrellas, las galaxias, etc., y en ellas, los procesos
que conducen a la formación de átomos más masivos y sus combinaciones, hasta
ese grado sumo de complejidad que es la vida.
Históricamente, el átomo constituyó un límite
arbitrario al que se tema que circunscribir la curiosidad humana. Los átomos
eran partículas indivisibles, como unidades básicas semejantes a los axiomas
euclídeos de la geometría. Nuestra limitación a la hora de conocerlos en
profundidad se asemeja a la dificultad con la que nos encontramos al intentar
comprender la inmensidad del universo.
Darse cuenta de que el universo no se acaba donde
se pensaba en la Antigüedad y comprender que los átomos no son la mínima unidad
constituyente de la materia han sido algunos de los hitos decisivos en la
historia de la ciencia, en especial de los últimos dos siglos.
¿Cómo estudiar los átomos? Por mucho que todo lo
que percibimos como materia esté constituida por átomos, su tamaño minúsculo
hizo que durante siglos se polemizara incluso sobre la posibilidad de su
existencia. A principios del siglo XX, los físicos se encontraban ante el átomo
como los seis sabios ciegos de la India ante un elefante: uno palpaba la
trompa, otro el costado, otro los colmillos, otro las patas, otro la cola y
otro las orejas, y cada uno concebía una realidad con fenómenos radicalmente
diferentes. Desde frentes distintos, ya fueran la radiación, el movimiento
browniano, o los espectros de absorción y de emisión, se tenían indicios sobre
su existencia, pero siempre era de forma indirecta, de tal modo que para muchos
científicos la hipótesis atómica resultaba incluso metafísica o, expresándolo
de otro modo, palabrería.
Ernest Rutherford, hombre corpulento y amante del
rugby, fue el físico que logró descerrajar la cuya fuerte que hasta ese momento
había constituido el átomo para, efectivamente, llegar a conocer su interior.
Esta es una de las razones por las que está considerado como el físico
experimental más importante del siglo XX. Gracias a su metodología y a sus
técnicas de investigación, pudo conocer la estructura fundamental que comparten
todos los átomos. Para ello se sirvió de unos medios sencillos y elegantes. En
la actualidad, por ejemplo, usamos sofisticados aceleradores de partículas y
avanzados detectores para estudiar los elementos todavía mucho más
fundamentales de la materia mediante colisiones, de forma extremadamente
controlada y precisa. Rutherford no contaba con nada parecido ni remotamente.
Aun así, descubrió que el interior de los átomos contenía una estructura
todavía más minúscula, de un tamaño con relación a aquel semejante al de una
mosca en una catedral, o a la cabeza de un alfiler en un estadio de fútbol, y
le puso el nombre de «núcleo». Con este descubrimiento se dio cuenta de la
siguiente paradoja: en el núcleo estaba contenida casi toda la masa del átomo.
Solo los electrones cruzaban el inmenso vacío que constituye el átomo. Dar con
el núcleo fue, por su trascendencia, un acontecimiento históricamente
comparable al descubrimiento de América o a pisar la Luna por primera vez.
Este físico neozelandés demostró también que sobre
el átomo se ignoraba todo, que se trataba de un vasto territorio que merecía la
pena explorar. No era el final del camino, sino más bien un punto de acceso a
un mundo que más tarde se descubriría que sigue leyes absolutamente diferentes
a las que podemos observar de forma cotidiana. Las piezas empezaron a encajar
gracias a la contribución de otros físicos, empezando por el danés Niels Bohr.
El átomo dejó de entenderse entonces de forma clásica para pasar a formar
parte, definitivamente, del extraordinario y enigmático mundo cuántico.
Pero Rutherford no solo consiguió descubrir un
universo entero en cada uno de los átomos, sino que además logró lo que parecía
un sueño de locos: transmutar un elemento en otro. La transmutación era una
antigua aspiración medieval alrededor de la cual se había desarrollado la
alquimia. Tomar latón para convertirlo en oro no era más que un timo del
doblador de cucharas de tumo, hasta que llegó Rutherford para demostrar que la
transmutación química era en realidad un fenómeno físico que podía darse de forma
natural y que también podía provocarse artificialmente.
La transmutación poma en evidencia, por encima de
todo, que en los átomos reinaba un orden y que estaban hermanados. Los
elementos (hierro, oro, oxígeno, etc.) no eran categorías ajenas entre sí e
incompatibles. A pesar de las diferencias, había extraordinarias similitudes
que permitían convertir un átomo de un elemento en otro. De la misma manera que
Darwin hizo patente que los seres vivos tienen un ascendente común, los átomos
derivan todos ellos del hidrógeno. La transmutación sugería además que el núcleo
se podía fragmentar y dividir en dos mitades. Para Rutherford, este proceso
—llamado fisión y que sería formalizado por Otto Hahn, físico que trabajó a las
órdenes de Rutherford, y Lise Meitner— era casi irrelevante y apenas desataría
energía Sin embargo, como expresa la conocida ecuación de Einstein (E =
mc2), existe una relación directa entre la masa y la
energía que puede dar una idea de los fenómenos energéticos que comprenden
cambios en la masa y en la estructura íntima de la materia El premio Nobel concedido
a Rutherford en 1908, que para su sorpresa fue el de Química, se debió a «sus
investigaciones en la desintegración de los elementos, y la química de las
sustancias radiactivas». Fue uno de los muchos honores con los que se reconoció
su labor. Rutherford también fue capaz de distinguir entre radiaciones alfa,
beta y gamma. Estas radiaciones son un fenómeno que solo se comprendió tras
algunas casualidades. En sus investigaciones, el nombre de Rutherford estuvo a
la altura de otros físicos eminentes de la época, como los Curie o Antoine
Henri Becquerel.
Rutherford fue un físico experimental, amante del
trabajo de laboratorio y reacio a los modelos puramente teóricos, alérgico a
las dificultades matemáticas. Era una persona disciplinada, metódica, con
capacidad para relacionar conceptos y fenómenos. Determinó, por ejemplo, la
edad de la Tierra por primera vez gracias a la radiactividad. La radiactividad
daba la pista en una cuestión geológica ciertamente fundamental y respecto a la
cual no existía acuerdo.
Rutherford formó parte de una generación de
científicos que trabajaba en solitario o bien en equipos de pocos miembros.
Además, era una personalidad con capacidad de atraer el talento y de inspirar a
los investigadores que tenía a su alrededor, lo cual explica que once de sus
colaboradores fueran reconocidos con el premio Nobel. Su valioso y cuantioso
trabajo motivó decisivamente a las siguientes generaciones para que se vieran
obligadas a trabajar en equipos cada vez más grandes, desarrollando su labor en
colaboraciones, con frecuencia internacionales, y que necesitaban de mayores
inversiones, infraestructuras e instalaciones. Todo ello sitúa a Ernest
Rutherford en una posición histórica clave: sus contribuciones no solo
aportaron nuevos datos y conocimientos, sino que además hicieron entender la
labor del científico de una manera nueva.
Cronología
|
1871 |
Ernest Rutherford nace en Nelson, Nueva
Zelanda, el 30 de agosto. |
|
1889 |
Inicia sus estudios en la Universidad de
Canterbury, gracias a una beca |
|
1894 |
Experimenta con ondas de radio y desarrolla
la telegrafía sin hilos. |
|
1895 |
Se convierte en ayudante del científico
J.J. Thomson en el laboratorio Cavendish de Cambridge. Estudia los rayos X y
posteriormente la radiación descubierta por Henri Becquerel. |
|
1898 |
Logra una plaza en la Universidad McGill
(Montreal, Canadá). Consigue medir los rayos alfa y beta. |
|
1900 |
Rutherford contrae matrimonio con Mary
Newton. Al año siguiente nace Eileen, su única hija |
|
1902 |
Junto a Frederick Soddy publica la teoría
de la desintegración radiactiva, con la que es capaz de explicar fenómenos
como las emanaciones del torio o las curvas de desintegración. |
|
1904 |
Publica Radiactivity, su
primer libro y el primero que establece las bases de esta nueva rama de la
física. Hace una estimación de la edad de la Tierra. |
|
1907 |
Es nombrado profesor en la Universidad de
Mánchester. Junto con Hans Geiger, diseña un detector de partículas alfa.
Logra identificar las partículas alfa con núcleos de helio. |
|
1908 |
Recibe el premio Nobel de Química |
|
1910 |
Enuncia un modelo atómico cuyo núcleo
concentra casi toda la masa del átomo. |
|
1913 |
Publica Sustancias radiactivas y
sus radiaciones. |
|
1915 |
Inicia sus estudios sobre detección de
submarinos que contribuirán al desarrollo del sonar. |
|
1917 |
Logra la primera desintegración atómica
inducida de la materia convirtiendo el nitrógeno en oxígeno. |
|
1919 |
Es nombrado director del laboratorio
Cavendish y profesor en la Universidad de Cambridge. |
|
1920 |
Predice la existencia del neutrón. |
|
1925 |
Alcanza la presidencia de la Royal Society
de Londres. |
|
1930 |
Fallece su hija Eileen al dar a luz su
cuarto hijo. |
|
1932 |
En el laboratorio Cavendish, James Chadwick
anuncia el descubrimiento del neutrón. Ernest Walton y John Cockcroft hacen
público que su acelerador de partículas ha desintegrado el núcleo de un
átomo. |
|
1937 |
Muere en Cambridge el 19 de octubre, por la
complicación de una hernia umbilical parcialmente estrangulada. |
Capítulo 1
El descubrimiento del núcleo atómico
El descubrimiento del núcleo del átomo fue un
momento memorable de la historia de la física. A Rutherford le sirvió para
proponer un nuevo modelo atómico que guardaba un gran parecido estructural con
el de un sistema planetario en miniatura, con los protones en el núcleo y los
electrones girando a su alrededor, describiendo órbitas fijas. Se trataba, sin
embargo, de una concepción atómica insostenible, como muy bien supo apreciar
posteriormente el propio autor.
«Cocodrilo». Ese era el sobrenombre con el que los
estudiantes conocían a Ernest Rutherford cuando ya era un científico venerable
y respetado. Un alumno soviético, Pyotr Kapitsa, le puso ese mote porque el
cocodrilo representa para los rusos la figura paterna. Pero también había otro
sentido cariñosamente malévolo en esa caracterización: el cocodrilo no puede
torcer el cuello, se ve obligado a mirar siempre al frente, sin flexibilidad de
ninguna clase. Rutherford tenía un carácter fuerte, y su mayor obsesión eran
los datos y las evidencias. Uno de sus gritos de guerra era: «¡Dame datos, y
dámelos cuanto antes!». No solo los estudiantes fueron testimonios de esa
férrea exigencia. Cuando se contrató a un obrero para levantar una pared en el
laboratorio, más de una vez tuvo que detenerse asombrado al ver a Rutherford
gritándole que quería ver el resultado de su trabajo de investigación
inmediatamente, al confundirlo con un científico.
Sin lugar a dudas, esa pasión por las pruebas
convirtió a Rutherford en el mejor experimentador de su generación y en uno de
los científicos más destacados de todos los tiempos. Sus aportaciones son el
fruto del trabajo de calidad llevado a cabo a lo largo de tres décadas, y las
más importantes llegaron una vez que ya estuvo en posesión del premio Nobel.
Fue, además, mentor de varias generaciones de físicos que luego brillaron con
luz propia, a los que supo estimular y encaminar para que tuvieran carreras exitosas.
§. El experimento de Rutherford
Entre los muchos descubrimientos de Rutherford
destaca el del núcleo atómico. A finales de 1910, Rutherford manifestó a amigos
y conocidos la noticia: «Ya sé cómo son los átomos». No era una mera
ocurrencia. Llevaba casi dos años reflexionando sobre un curioso fenómeno
observado en un experimento con el que aspiraba a comprender la estructura de
los átomos. El momento del eureka llegó cuando se dio cuenta
de que el átomo debía tener una estructura interna a la que se llamó núcleo. Y
el núcleo debía ser una característica común a los átomos, a todos los
elementos.
Años más tarde culminó este trabajo al ser capaz de
identificar el protón, la partícula de carga positiva que forma parte del
núcleo. A principios del siglo XX, cuando apenas empezaba a existir un cierto
consenso en tomo a la propia existencia de los átomos, Rutherford fue capaz de
desentrañar su estructura interna.
Remontémonos a mayo de 1909. Rutherford había
recibido recientemente el premio Nobel de Química, y dirigía los laboratorios
de la Universidad de Mánchester, unos de los más prestigiosos del mundo. En ese
momento, Hans Geiger —el inventor del contador de partículas radiactivas que
lleva su nombre y profesor de técnicas para medir radiactividad— informó a
Rutherford de que había un joven estudiante que parecía tener las aptitudes
para enfrentarse a la experimentación. Rutherford repuso: «Mira si puede obtener
algún efecto de partículas alfa reflejadas directamente de una superficie
metálica».
Rutherford no tenía depositadas muchas esperanzas
en dicho experimento, pero era necesario realizarlo como descarte (un
procedimiento que siempre le reportó grandes éxitos). En realidad, Rutherford
propuso al alumno un tipo de experimentos semejante al que ya había estado
realizando desde su llegada al laboratorio en 1907. Un año antes, él mismo
había probado lanzar rayos alfa a través de un mineral llamado mica, y gracias
a esos experimentos conocía que los rayos alfa se desviaban ligeramente de su
trayectoria Lo que ignoraba era por qué se desviaban.
§. En el interior del átomo
Ernest Marsden fue el estudiante que se puso manos
a la obra logrando diseñar, con la supervisión de Geiger, el que vendría a ser
un experimento sencillo, elegante y que condujo a un hallazgo que lo sitúa
entre los más extraordinarios de la historia de la física.
«Al hallar cómo está construido el núcleo de los
átomos encontramos uno de los más grandes secretos que existen, si exceptuamos
el de la vida.»
Ernest Rutherford.
El experimento consistía en enviar partículas alfa
—partículas surgidas de procesos radiactivos que posteriormente se supo que son
núcleos de helio— a través de una lámina de metal en una cámara de vacío.
Rutherford y Geiger habían observado que se producían desviaciones de tipo
aleatorio cuando los rayos atravesaban el metal. Se escogieron láminas de oro
muy delgadas, de modo que las partículas alfa no fueran completamente
absorbidas por el metal y así poder estudiar la interacción mediante
transmisión.
Rutherford no había escogido las partículas alfa
por casualidad. Sus estudios sobre radiactividad le habían conducido al Nobel
en los años previos. Ahora las partículas alfa ya no eran su objeto de estudio,
sino un instrumento para estudiar el interior de los átomos, como si se tratara
de la clave que ayudara a desentrañar los constituyentes de la materia.
Más allá de la finísima lámina de oro se colocaba
una superficie con sulfuro de cinc, a modo de detector. Esta sustancia se
caracteriza por emitir una luz fluorescente con el impacto de partículas alfa.
En aquella época, dicha fluorescencia solo podía verse y registrarse usando
microscopios dispuestos en la zona donde se preveía que iba a impactar la
partícula. Con los detectores electrónicos actuales, contabilizar todos los
impactos es una tarea sencilla. En aquel entonces ese trabajo se tenía que realizar
por observación directa, contando uno a uno cada centelleo de luz.
Figura 1 En el experimento que condujo al descubrimiento del núcleo atómico
se colocó una fuente de rayos alfa, que bombardeaban una lámina de oro rodeada
por una pantalla que emitía fosforescencias cuando los rayos impactaban en
ella. Figura 2: El modelo atómico de Thomson, con las partículas negativas
flotando en una sustancia cargada positivamente.
Era necesario incluso habituar los ojos a la
oscuridad antes de iniciar los experimentos, para que se dilataran las pupilas
y así poder ver mejor los destellos. Se trataba de una labor dura y repetitiva,
pero gracias a la huella fluorescente se podía establecer el punto de impacto
en la pantalla detectora, y de esta manera determinar la trayectoria que
trazaban las partículas que atravesaban la lámina Para generar las partículas
alfa, se usó radio o radón, que son elementos muy radiactivos. Con la finalidad
de dirigir los rayos en la dirección deseada, se colocó la fuente en un
recipiente de plomo —capaz de absorber la radiación— dotado de una fina ranura
que permitía dirigir los rayos hacia la cámara de vacío donde se encontraba la
lámina (figura 1).
La única partícula subatómica conocida en aquella
época eran los electrones, de los que se sabía que teman carga negativa y masa
ínfima en comparación con los átomos. Como el átomo mostraba una carga global
neutra, J.J. Thomson, el descubridor de los electrones, pensó que las cargas
negativas tenían que flotar en una sustancia vaporosa de carga positiva, como
si fuera una niebla, o bien como si el átomo fuera una pecera donde los peces
serían los electrones y el agua la carga positiva. Este modelo atómico se
denominó modelo de Thomson (figura 2), aunque se popularizó
con el nombre de «modelo del pastel de pasas» (en el que las pasas representan
los electrones). En esta concepción destaca la ausencia de otras partículas que
no sean los electrones.
Ante un experimento como el descrito, lo lógico
sería que las partículas alfa atravesaran la lámina sin apenas desviarse, dado
que en el interior del átomo no se esperaba que hubiera nada sólido aparte de
los electrones, de tamaño mucho menor en comparación con las partículas alfa
(figura 3).
Según el modelo de Thomson, los átomos estarían compuestos por partículas,
los electrones, que flotarían en una sustancia de carga positiva. Al bombardear
con las partículas alfa, estos deberían atravesar los átomos sin interrupciones
ni desviaciones (figura 3). Sin embargo, los experimentos mostraban que una
parte de ellos se desviaban (figura 4). Rutherford llegó a la conclusión de que
en el interior de los átomos tenía que existir algo más que hasta ese momento
había pasado desapercibido. Para resolver esta anomalía, señaló que tenía que
existir un núcleo masivo cargado positivamente (figura 5).
La partícula incidente seguiría su trayectoria
rectilínea hasta impactar en la superficie detectara. Por esa razón, a
Rutherford siempre le había sorprendido hallar esas ligerísimas desviaciones,
que parecían contradecir el modelo atómico de Thomson. Si el modelo del pastel
de pasas era válido, ¿con qué chocaban las partículas para que variara su
trayectoria? (figura 4). Era un fenómeno incordiante e inesperado, y por esa
razón quería insistir en este tipo de experimentos. Hasta entonces, las
investigaciones indicaban que se requerían miles de voltios para desviar las
partículas alfa ¿Se debían las desviaciones a imprecisiones en la ejecución de
los experimentos o en la disposición de los aparatos? ¿O bien se trataba de una
propiedad intrínseca de los elementos del experimento? En lugar de ignorar este
hecho, Rutherford planteó a Geiger y, sobre todo, a Marsden el reto de
construir un aparato que ampliara el campo de detección de los posibles
centelleos (figura 1).
Hasta el momento, el aparato se había diseñado para
observarlos exclusivamente en la parte central, dando a entender que los rayos
iban en línea recta o solo se producía una ligera desviación. ¿Sería posible
encontrar centelleos fuera de los reducidos márgenes en los que se concentraba
la investigación hasta ese momento? El problema técnico residía en poder mover
el microscopio por toda la cámara para observar impactos sin que esta
posibilidad afectara al vacío creado en el interior de la cámara. Marsden, junto
a Geiger, lograron un diseño elegante y efectivo.
Según sus cálculos, por cada gramo de radio se
llegaban a emitir unos treinta mil millones de rayos alfa. Marsden observó que
la inmensa mayoría de impactos eran consistentes con la predicción y
atravesaban la lámina sin desviarse. Sin embargo, en uno de cada ocho mil casos
se producía la inexplicable desviación. Marsden repitió el experimento y
contabilizó miles de impactos, pero la anomalía siguió apareciendo de forma
persistente.
Es más: para sorpresa de todos, los investigadores
siguieron registrando impactos con ángulos de desviación de incluso 90°, y
alguno llegaba hasta los 180° (es decir, la partícula alfa salía rebotada de la
lámina de oro y literalmente retrocedía hacia el punto de partida). A medida
que las observaciones se alejaban del lugar previsto de impacto en una
trayectoria rectilínea, el porcentaje disminuía, pero no era nulo. El
experimento mostraba a todas luces que la estructura del átomo no era como se
había creído. Tenía que existir algo extraordinariamente «duro» en su interior
y además ocupando un espacio sumamente pequeño en comparación con el tamaño del
propio átomo para explicar que solo un porcentaje de los rayos se desviara
(figura 5). «Resultó tan increíble como si se hubiera lanzado una bala de 15
pulgadas hacia un trozo de papel de seda y la bala hubiera rebotado hacia ti»,
comentó Rutherford más tarde, reflejando toda su sorpresa y estupor ante el
hallazgo —aunque cuando explicaba esta anécdota ponía esta frase en boca de
Geiger—. El descubrimiento de Marsden y Geiger se publicó en 1909 en la
prestigiosa publicación científica Proceedings of the Royal Society.
Nadie era capaz de descifrar el significado de los
resultados del experimento. Con los datos en la mano, lo que Rutherford hizo
seguidamente fue volver a estudiar. Se dio cuenta de que necesitaba dominar las
nociones de estadística y probabilidad si quería extender sus ideas sobre el
átomo, basadas en una pequeña muestra, a todos los átomos del universo. Todo un
premio Nobel como él no tuvo problemas en volver a atender a los cursos de
estadística y probabilidad que ofrecía la universidad.
«Considerando las pruebas en su conjunto, es más
sencillo suponer que el átomo contiene una carga central distribuida en un
volumen muy pequeño, y que las grandes desviaciones individuales se deben a la
carga central como un todo, y no a sus constituyentes.»
Ernest Rutherford.
El paso hacia la aceptación del núcleo atómico y
finalmente a hallar el protón como partícula portadora de carga eléctrica fue
lento. Al analizar estadísticamente la información de las partículas alfa que
traspasaban y se desviaban, se dio cuenta de que tenía que existir una
minúscula estructura interna. A finales de 1910, anunció que había dado con la
solución, que publicó el 7 de marzo de 1911 en un artículo titulado «La
dispersión de rayos alfa y beta y la estructura del átomo». En lugar de hablar
de núcleo atómico, en ese artículo Rutherford solo se refería a «una carga
central distribuida en un volumen muy pequeño». Tampoco se atrevió a adelantar
en esa primera publicación el signo de la carga central. Dos años más tarde, en
su libro Radioactive Substances and Their Radiations (Sustancias
radiactivas y sus radiaciones), ya introdujo la noción de núcleo del
átomo y también consideró que su carga es positiva, mientras que las cargas
eléctricas negativas giran a su alrededor.
El descubrimiento del núcleo
En 1911, Rutherford publicó su nueva teoría atómica
en un artículo titulado «La dispersión de rayos alfa y beta y la estructura
del átomo», en el que se podía leer: Es bien conocido que las partículas
alfa y beta se desvían de su camino rectilíneo al encontrarse con los átomos de
materia...
Parece que no hay duda de que estas partículas en
rápido movimiento realmente atraviesan el sistema atómico, y las desviaciones
que se observan deben arrojar luz de la estructura eléctrica del átomo [...].
El físico alemán Hans Geiger en 1928.
Geiger y Marsden descubrieron que una pequeña
fracción de las partículas alfa incidentes en una fina lámina de oro sufre un
desvío de más de 90 grados [...]. Parece cierto que estas desviaciones de las
partículas alfa están producidas por un único encuentro atómico [...]. Un
cálculo simple muestra que el átomo tiene que ser el asiento de un campo
eléctrico intenso [...]. Teniendo en cuenta la evidencia en su conjunto, lo más
simple es suponer que el átomo contiene una carga central distribuida en un volumen
muy pequeño [...]. Al comparar la teoría expuesta aquí con los resultados
experimentales, se ha supuesto que el átomo consiste en una carga central
concentrada en un punto.
Pudo determinar que el diámetro de esta estructura interna tenía que ser de
unos 10-14 m, es decir, diez mil veces más pequeño que un
átomo. Es frecuente comparar el tamaño del núcleo del átomo como una mosca en
el interior de una catedral, una insignificancia que, por otro lado, concentra
casi el 99% de la masa de dicho átomo. El resto se diría que está
enigmáticamente vacío y carece de límites definidos, solo perturbado
puntualmente por el paso de los electrones.
Ernest interpretó que las partículas rebotaban
debido a la fuerza de repulsión producida entre cargas eléctricas del mismo
signo. Estaba ya firmemente aceptado que cuando las cargas tienen el mismo
signo se repelen, y solo cuando son de signo contrario se atraen. Este fue el
camino que permitió a Rutherford, en 1913, deducir que como los rayos alfa
tienen carga positiva, el desvío que sufrían al atravesar la lámina de oro se
debía a que se encontraban en su camino con partículas del mismo signo. De igual
manera, como la mayoría de las partículas alfa atravesaban la lámina sin
desviarse era debido a que no pasaban cerca de ninguna carga positiva. El
descubrimiento del protón tuvo lugar posteriormente, en 1918, cuando Rutherford
no se conformó con descubrir el núcleo atómico, sino que también quiso
descomponerlo en pedazos para estudiar su interior.
§. El atomismo.
El descubrimiento de Rutherford llegó en un momento
convulso de la historia de la física. El modelo atómico de Thomson se había
propuesto relativamente hacía pocos años, y aún seguía sin haber consenso sobre
la propia existencia del átomo. Los químicos y físicos habían pasado casi un
siglo divididos entre los que pensaban que el atomismo no era más que
palabrería sin sentido y los que afirmaban que se trataba del fundamento de
todos los elementos. Numerosos modelos competían con hechos experimentales, y
el resultado era sumamente confuso.
El camino recorrido por la hipótesis del átomo
había sido largo. Fue desde siempre una concepción ligada a la polémica, y sus
partidarios eran a menudo acusados de ser impíos materialistas, y perseguidos
por ello. Los primeros atomistas vivieron en la antigua Grecia. Para Demócrito
(460-370 a.C.), los átomos eran los constituyentes últimos de la realidad, unas
entidades indivisibles, indestructibles e imperecederas a partir de las cuales
se formaban todas las cosas. Tal como expone en uno de los fragmentos de su
obra: «Por convención son lo dulce y lo amargo, lo caliente y lo frío; por
convención es el color; de verdad existen los átomos y el vacío».
El atomismo fue durante siglos una corriente
filosófica más bien minoritaria. Autores como Epicuro pensaron que los átomos
se arremolinaban creando infinidad de «mundos» con sus dioses incluidos.
Tampoco el alma se escaparía al imperio del átomo al estar constituida por
átomos sutiles. A lo largo de la historia, científicos destacados, como Galileo
y Newton, defendieron el atomismo, lo cual supuso un gran impulso a la difusión
de esta corriente. Sin embargo, su anclaje en la realidad brillaba por su ausencia.
Se carecía del peso de la prueba para que pudiera imponerse sin ambages a otras
concepciones filosóficas.
Epicuro y el clinamen
Epicuro (341-270 a.C.) fue un filósofo griego
nacido en Samos. Hijo de atenienses, acabó fundando en Atenas el Jardín, un
lugar retirado destinado a cultivar el conocimiento y la amistad.
Epicuro situaba el placer —que entendía de manera
muy semejante al ascetismo— en el centro de la vida humana. Se dedicó a
combatir los temores humanos, como el temor a la muerte, mostrando que se
trataba de temores fundados en creencias erróneas. Para Epicuro, el número de
átomos tenía que ser infinito (al igual que el universo). Los átomos eran
eternos, indivisibles e inmutables, y estaban dotados de forma, extensión y
peso.
El atomismo conduce a una concepción mecanicista
del universo donde parece que no hay lugar para el libre albedrío.
Grabado de Epicuro en la edición de Historia de la filosofía, de Thomas
Stanley (1655).
Para salvaguardar esta noción, Epicuro se vio
obligado a introducir la idea de clinamen, que sería como una
desviación azarosa de los átomos. Gracias al clinamen, Epicuro podía introducir
en el universo un cierto grado de incertidumbre, lo que le permitía conciliar
estas nociones con el libre albedrío.
En la primera edición de la Enciclopedia Británica (entre 1768
y 1771), en la entrada «átomo» apenas se dejaba constancia de que se tratara de
una corriente filosófica: «En filosofía, una partícula de materia tan pequeña
que no admite división. Los átomos son la mínima naturae (los
cuerpos más pequeños) y se conciben como los primeros principios de toda
magnitud física». A partir del siglo XIX, el desarrollo de la física y la
química obligó a ampliar considerablemente esta definición.
§. Los átomos para la química
El atomismo experimentó un nuevo renacimiento en el
siglo XIX, principalmente de la mano de la química, que tuvo varias causas,
entre las que cabe destacar el derrumbe de la doctrina de los cuatro elementos
que había monopolizado la interpretación de la naturaleza durante casi dos mil
años. Antoine Lavoisier (1743-1794) descubrió que el agua, que hasta entonces
se había considerado como uno de los elementos fundamentales de la naturaleza,
junto con el fuego, la tierra y el aire, en realidad era un compuesto de
oxígeno e hidrógeno. Este hallazgo dio origen a una nueva manera de entender la
naturaleza de las cosas capitaneada por la ciencia química. Sin embargo,
Lavoisier era muy escéptico respecto al concepto de átomo.
«Es muy probable que nunca sepamos nada de los
átomos.»
Antoine Lavoisier, químico francés.
Quien situó de manera definitiva los átomos en el
centro del panorama químico de la época fue John Dalton (1766-1844), que
aprovechó el viejo atomismo para colocarlo como base de los pesos atómicos
relativos de los elementos que había descubierto.
Dalton, cuya profesión era profesor de escuela,
publicó en 1803 la llamada ley de las proporciones múltiples, que
afirma que elementos químicos diferentes se combinan según múltiplos enteros de
sus pesos elementales. En sus propias palabras, esta ley enuncia lo siguiente:
Dalton, pionero del átomo
Hijo de una familia de cuáqueros de Cumberland
(Inglaterra), John Dalton (1766-1844) inició su carrera científica como
meteorólogo, y se piensa que sus concepciones sobre el átomo proceden
precisamente de sus estudios sobre la atmósfera.
1.
Pequeñas partículas llamadas átomos existen y componen toda la materia;
2.
Son Indivisibles e indestructibles:
3.
Los átomos del mismo elemento químico tienen las mismas propiedades
químicas y no se transmutan o cambian en otros elementos.
En la concepción de las proporciones múltiples
propuesta por Dalton, ley de Dalton, que en la actualidad aún se enseña en
química básica, se sigue, por ejemplo, el principio de conservación de la masa.
En toda reacción química, la masa de los reactivos será igual a la de los
productos.
Cuando dos o más elementos se combinan para dar más
de un compuesto, las masas de uno de ellos, que se une a una masa fija del
otro, tienen como relación números enteros y sencillos.
Dalton interpretó estas proporciones como una
manifestación del atomismo. Si se piensa que un compuesto se forma a partir de
átomos de distintos elementos que ya guardan una cierta proporción de peso
entre sí, entonces, por mucha cantidad de compuesto que tomemos, siempre
guardarán la misma proporción. Dalton había descubierto una característica
macroscópica —una relación constante de las masas de los componentes de una
sustancia heterogénea con los pesos de los componentes de una sustancia— que
interpretó como una consecuencia de fenómenos que tenían lugar a nivel
microscópico y la combinación específica de varios tipos de átomos.
Respecto a los átomos, Dalton siguió manteniendo
que eran indivisibles y que no se podían ni crear ni destruir, de modo que en
un proceso químico los átomos únicamente se recombinan. Estableció que cada
elemento estaba constituido por un tipo de átomos iguales entre sí y diferentes
al resto de los elementos. Una de las características que Dalton determinó para
diferenciar los átomos residía en su peso atómico. También afirmó que los
átomos se combinaban para constituir compuestos químicos.
Su creencia en la indestructibilidad de los átomos
le llevó a defender la ley de la conservación de la materia (que había
propuesto anteriormente Lavoisier): «Sería tan absurdo tratar de introducir un
nuevo planeta en el sistema solar o de aniquilar uno ya existente, como tratar
de crear o destruir una partícula de hidrógeno». A pesar de la convicción de
Dalton, gracias al trabajo realizado por Rutherford que se explicará en el
siguiente capítulo se pudo demostrar que la de Dalton era una visión incompleta.
§. El debate
Durante el siglo XIX, numerosos científicos
consideraron que este salto de lo macroscópico a lo microscópico, cuya
comprensión se basaba en experimentos científicos, era inaceptable porque no se
basaba en observaciones. La crítica al atomismo encontró numerosos argumentos
en una nueva concepción filosófica nacida en Francia y que se denominó positivismo. Para
su fundador, el sociólogo francés Auguste Comte (1798-1857), la ciencia tenía
que basarse en hechos contrastables. Cualquier afirmación sobre la realidad que
no tuviera un último asidero en los hechos tenía que ser considerada como una
especulación metafísica que tenía que rechazarse. El atomismo adolecía de todos
los defectos que el positivismo atribuía al discurso hueco de la metafísica.
Uno de los científicos que con más ahínco se opuso
a los átomos fue Jean-Baptiste Dumas (1800-1884):
¿Qué queda de la ambiciosa excursión que nos
habíamos permitido iniciar por la región de los átomos? Nada firme, parece. Lo
que nos queda es la convicción de que la química se extravía, como siempre,
cuando, abandonando la experiencia, pretende avanzar entre tinieblas [...]. Si
estuviera en mi mano, yo borraría la palabra átomo de la ciencia, porque estoy
convencido de que va más allá de los experimentos.
Esta actitud de rechazo contrastaba con la de otros
químicos, como la de William Prout, quien en 1815 llegó a la conclusión de que
todos los átomos eran en realidad uniones de átomos de hidrógeno (que guarda
relación directa con lo que Rutherford pudo contrastar).
«¿Quién ha visto alguna vez una molécula de gas o
un átomo?»
Marcellin Berthelot (1827-1907), químico e historiador francés.
Las evidencias sugerían que, en último término,
tenía que haber átomos, pero al fallar la verificación directa (y el hecho de
que muchos científicos creyeran que por definición dicha prueba quedaba fuera
de nuestras capacidades) preferían descartar la hipótesis antes que fundamentar
la química moderna en una base exclusivamente teórica.
§. El turno de la física
La agria disputa iniciada en el seno de la química
se extendió a la física. En este caso, el campo de batalla sobre los átomos fue
la termodinámica y el estudio del calor.
Según la teoría cinética de los gases, un gas esté compuesto por átomos y
moléculas en constante movimiento que chocan entre sí y con las paredes del
recipiente. A mayor energía acumulada, las partículas se moverán más rápido,
habrá más colisiones y la temperatura del sistema será mayor.
Mientras que sobre el calor los científicos se
habían centrado en investigar factores macroscópicos y magnitudes físicas
observables, las aportaciones de James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann dieron
un giro a esa concepción. Ambos trataron de estudiar dichas nociones a partir
del movimiento de átomos, pero con la novedad de prescindir de la trayectoria
individual de cada átomo y en su lugar calcular el comportamiento estadístico
de los átomos en conjunto.
Según esta teoría, un gas está compuesto por un
conjunto de átomos que chocan entre sí o con las paredes del recinto en el que
se encuentran, como si fueran bolas de billar (véase la figura). Maxwell y
Boltzmann determinaron que la energía media de cada uno de los átomos de un gas
en su continuo movimiento estaba relacionada con la presión y la temperatura.
Tal como había ocurrido entre los químicos,
numerosos físicos también eran reacios a creer las teorías atómicas. Existían
numerosas razones, entre las que se encontraba, por ejemplo, la economía de
pensamiento. Explicar lo observable a partir de lo inobservable era un paso en
falso, según creían científicos como el austríaco Ernst Mach. Boltzmann, que
había dedicado toda su vida a defender el atomismo, acabó suicidándose en 1906,
poco tiempo antes de que Rutherford realizara su definitiva incursión en el mundo
atómico.
§. Desentrañar la caja negra
Las dudas y las confrontaciones en tomo al átomo
remitieron cuando empezaron a detectarse constituyentes de su estructura
interna, principalmente los electrones, los protones y, décadas más tarde, los
neutrones. Esta labor estuvo en manos ya no de químicos, sino de físicos
(aunque a menudo los ámbitos de las áreas de estudio de ambos se solapan). El
científico francés teórico y filósofo de la ciencia Henri Poincaré (1854-1912)
resumió este giro que tomó la investigación sobre los átomos de la siguiente manera:
La hipótesis atómica ha adquirido últimamente tal
consistencia que casi ha dejado de parecer una hipótesis: los átomos no son una
ficción útil, podemos decir que los vemos porque podemos contarlos.
§. La estructura atómica
En 1897 se pudo medir el electrón. El físico
británico Joseph John Thomson (1856-1940) detectó por primera vez unas
partículas de carga negativa que pasaron a llamarse electrones. Dilucidar
su naturaleza y características fue un gran hallazgo.
Tras aplicar una diferencia de potencial, surgen
unos rayos del cátodo (haces de electrones) que emiten una luz verdosa al
impactar en el extremo del tubo de vidrio, debido a fluorescencia, y que se
caracterizan, en principio, por desplazarse en línea recta.
El físico británico Joseph John Thomson, tutor de Rutherford durante su
estancia en el laboratorio Cavendish, está considerado el descubridor del
electrón por sus experimentos con flujos de partículas (electrones) de rayos
catódicos.
Este descubrimiento pudo realizarse gracias a los
rayos catódicos, haces de electrones que se generan en un tubo de vacío
—llamado tubo de Crookes—, enrarecido con una pequeña cantidad de gases, en el
que hay un ánodo y un cátodo (figura 6).
Esto último se descubrió al colocar una figura en
medio del tubo: en ese caso aparece una sombra en la pared del fondo (figura
7).
También se observó que estos rayos, al chocar
contra un objeto como un molinete, eran capaces de moverlo (figura 8).
Esto implica que los rayos tienen que estar
compuestos por unas partículas con masa. Y, por último, se descubrió que tenían
carga eléctrica, negativa, porque, al someter los rayos a un campo magnético,
la proyección en el vidrio se desplazaba respecto de la trayectoria recta, dado
que los rayos eran atraídos por el imán cuando se acercaba el polo positivo y
se alejaban cuando se acercaba el polo negativo (figura 9).
Thomson había identificado los electrones.
Estas partículas, que Thomson comenzó llamando
«corpúsculos» —el nombre de electrón se lo dio George Johnstone Stoney
(1826-1911)— tenían una característica remarcable: se encontraban en todos los
elementos. Thomson comprobó que cualquiera que fuera la procedencia de dichos
corpúsculos y se escogiera el elemento que se escogiera, las partículas
mostraban las mismas propiedades físicas. Thomson expresó de la siguiente
manera este descubrimiento:
Ya que los electrones pueden ser producidos por
cualquier elemento químico, podemos concluir que entran en la constitución de
todos los átomos. Hemos dado el primer paso hacia la comprensión de la
estructura del átomo.
Thomson había observado por primera vez un elemento
estructural de los átomos. Sin embargo, este descubrimiento obligaba a
plantearse nuevas preguntas. Dado que el átomo acostumbra a presentarse con una
carga neutra, ¿qué es lo que contrarresta la carga negativa de los electrones?
El tamaño de los átomos
El movimiento browniano es un efecto atómico pero
fácil de observar —solo se requiere un microscopio y unas partículas de polen—,
pero durante décadas permaneció sin explicación. Todo empezó cuando en 1827 el
botánico escocés Robert Brown observó que el polen, al quedar suspendido en
agua, se movía de forma aleatoria y sin causa aparente. Tendría que permanecer
en reposo, pero a Brown le causó una gran curiosidad tratar de entender ese
movimiento. Solo alguien como Albert Einstein se atrevió a aventurar una
explicación en uno de sus artículos publicados en 1905, su año milagroso.
Einstein llegó a la conclusión de que dicho movimiento estaba causado por los
impactos de los átomos del aire y del agua sobre los granos de polen.
El físico francés Jean-Baptiste Perrin en una foto tomada en 1926.
Los átomos en un gas se encuentran en constante
movimiento, pero su tamaño impide que podamos observarlos. Las partículas de
polen son suficientemente ligeras como para verse afectadas por este movimiento
y, al mismo tiempo, lo bastante grandes para poder verlas. Se trataba, por
tanto, de una confirmación de la teoría atómica.
La aportación de Perrin
Las elucubraciones de Einstein requerían de un
respaldo empírico. Lo proporcionó el trabajo de Jean-Baptiste Perrin
(1870-1942), por el que fue galardonado con el premio Nobel de Física en 1926.
Perrin se aprovechó de la introducción del ultramicroscopio, y gracias a sus
estudios pudo determinar el tamaño de la molécula de agua y también de los
átomos que la componían. Tal como publicó en 1913, un átomo tenía el tamaño de
10-10 m. Perrin también estuvo involucrado en las
investigaciones sobre la estructura atómica y propuso modificar el modelo de
Thomson para señalar que los electrones tenían que encontrarse en la parte más
externa del átomo (o, según la imagen del pastel de pasas, las pasas había que
buscarlas por la superficie del pastel). Se trataba, en cualquier caso, de una
intuición relativamente correcta.
Y dada la minúscula masa de los electrones, ¿dónde se encuentra la masa de los
átomos? Thomson expresó en 1899 sus dudas sobre la carga: Aunque los electrones
se comportan individualmente como iones negativos, cuando se incorporan a un
átomo neutro su efecto negativo es contrarrestado por algo que hace que el
espacio en el cual estas partículas están distribuidas se comporte como si
tuviese una carga positiva igual a la suma de las cargas negativas de estas
partículas.
Con los elementos de que disponía, Thomson se
atrevió a proponer el modelo atómico al que ya hemos hecho referencia, y que se
conoció como el «modelo del pastel de pasas». También quiso justificar la masa
de los átomos a partir exclusivamente de los electrones. Pero como cada uno de
los electrones tiene una masa muy pequeña, eso obligaba a plantear que en cada
átomo hubiera un elevado número de electrones.
Ernest Rutherford en 1908
Esta hipótesis finalmente tuvo que rechazarse
cuando se comprobó que el número de electrones que tenía cada átomo solía
coincidir con el número atómico del elemento en la tabla periódica. El modelo
de Thomson dejaba demasiados cabos sueltos.
§. Un sistema planetario incongruente
En este punto es cuando irrumpe el experimento de
Rutherford descrito al inicio del presente capítulo. El físico y químico
neozelandés logró dar en el blanco del núcleo atómico, y a partir de ese
momento modificó para siempre nuestra comprensión del átomo.
La imagen que confeccionó Rutherford guardaba
enormes semejanzas con un sistema solar en miniatura, con un núcleo que
ejercería de estrella en su posición central y unos electrones que serían el
equivalente a planetas girando a su alrededor. Las concepciones de Rutherford
continúan siendo el armazón con el que se siguen explicando los átomos a nivel
básico. Pero como todo descubrimiento científico de calado, despertaba más
preguntas de las que resolvía. ¿Cómo se ordenaban los electrones alrededor del
núcleo? ¿De qué se componía dicho núcleo? Había una incógnita que, sin embargo,
destacaba por encima del resto.
«En 1911, Rutherford introdujo el mayor cambio en
nuestra idea sobre la materia desde los tiempos de Demócrito.»
Sir Arthur Eddington (1882-1944), astrofísico británico.
Según este modelo, el electrón giraría alrededor
del núcleo, ligado a este por ser de carga opuesta a la del núcleo. Pero
atendiendo a la electrodinámica clásica, cuando un electrón se mueve de forma
circular, tiene que emitir radiación y, por tanto, pierde energía Eso
significaría que en breve tiempo el electrón se precipitaría sobre el núcleo.
Ese colapso daría al traste con todo lo que conocemos de la realidad, donde la
materia es estable. Es decir, alguna de las leyes y modelos que se manejaban
entraban en contradicción. Lo más natural sería poner en entredicho este modelo
atómico en vez de dudar de teorías aceptadas por la comunidad científica, como
el electromagnetismo. Sin embargo, las evidencias eran sólidas y Rutherford
había desvelado una estructura atómica de la que no cabía dudar. Según su
modelo, la estabilidad de los átomos era un fenómeno imposible, pero era algo
que estaba sucediendo en todo momento. Al presentar su descubrimiento en 1911
ante la Royal Society, no pudo más que mostrar su perplejidad ante los
acontecimientos. Eran necesarias nuevas leyes para explicar lo que acontecía en
el átomo, dado que no parecían ser aplicables las mismas leyes que operan en
los objetos cotidianos desde un punto de vista macroscópico.
El físico alemán Hans Wilhelm Geiger (Izquierda) y Ernest Rutherford.
§. La cuántica al rescate
En 1911, Rutherford asistió con gran excitación al
encuentro científico que supuso el inicio de la física cuántica. Se trata de la
conferencia Solvay —por haber sido promovida por el químico multimillonario
belga Ernest Solvay—, que dio cita en Bruselas a los más eminentes científicos
de la época En ese primer congreso, que se celebraría posteriormente de forma
periódica, se encontraban Albert Einstein, Max Planck —que habían sido los
principales impulsores de la física cuántica hasta el momento—, Henri Poincaré,
Marie Curie y Hendrik Lorentz, entre otros. Es decir, reunió a algunos de los
científicos más brillantes de la época. Al regresar a Manchester después de una
reunión tan vibrante, Rutherford conoció a un joven científico llamado Niels
Bohr. Este encuentro fue decisivo.
Niels Bohr
El físico danés Niels Hendrik David Bohr
(1885-1962) nació en Copenhague. Su padre, candidato al Nobel en dos ocasiones,
era médico, y su madre pertenecía a una familia adinerada. Estudió física en la
Universidad de Copenhague. Tras doctorarse, amplió sus estudios junto a J. J.
Thomson en Cambridge, pero no congeniaron. Al conocer a Rutherford decidió
proseguir sus estudios en Mánchester con un proyecto ambicioso: el modelo
atómico que recientemente había propuesto el físico neozelandés implicaba una
cierta inestabilidad de la materia, de modo que era necesario encontrar un
modelo más satisfactorio. Se trató de la primera gran incursión de Bohr en la
física atómica, y superó las dificultades con brillantez. Aplicó las leyes
cuánticas al núcleo del átomo y de este modo pudo presentar un modelo atómico
estable, apartado de las leyes de la física clásica. Su nuevo modelo atómico
fue publicado en tres artículos de 1913 en la revista The Philosophical
Magazine. Posteriormente fue contratado por la Universidad de Copenhague
como profesor, y allí impulsó la creación del Instituto de Física Teórica, del
que fue director desde 1920 hasta su muerte. Bohr y Rutherford mantuvieron el
contacto a lo largo de toda su vida.
Bohr se había doctorado en Copenhague a principios de 1911 con una tesis sobre
la teoría electrónica de los metales. Por esa razón quiso trabajar junto a J.
J. Thomson, pero la experiencia fue en realidad frustrante, dado que ambos
científicos no congeniaron. Sin embargo, a finales de ese mismo año, Bohr
conoció a Rutherford y pidió realizar sus estudios posdoctorales junto a él.
Tras acordarlo con Thomson, en 1912 Bohr empezó su trabajo.
Bohr era un físico principalmente teórico y con
poca experiencia en la investigación experimental, pero eso no impidió que
aquella colaboración fuera muy fructífera (quizá ayudó el hecho de que ambos
fueran apasionados deportistas, uno muy aficionado al rugby y el otro al
fútbol).
Aunque Rutherford le había asignado una serie de
experimentos, finalmente lo liberó de ese trabajo para que pudiera dedicarse
por completo al modelo atómico, asunto con el que Bohr había quedado fascinado.
Estaba convencido de que iba a encontrar la manera de superar el problema de la
inestabilidad de los electrones.
Bohr resituó en el seno de los átomos algunos de
los principios cuánticos que se empezaban a gestar con las grandes aportaciones
de Max Planck y Albert Einstein para así lograr estabilizar el modelo atómico
de Rutherford. Según Planck, la energía no era continua, sino que existía en
forma de paquetes. Einstein, por su lado, usó la física cuántica para explicar
el efecto fotoeléctrico (efecto por el que un metal emite electrones cuando
incide sobre él radiación electromagnética). Einstein propuso que los electrones
absorbían la energía de los fotones, y esta energía les permitía liberarse de
los átomos y emitirse al adquirir la suficiente energía cinética, desligándose
del núcleo (figura 10).
El efecto fotoeléctrico es un ejemplo de interacción luz-materia, por el
cual se explica que al incidir con radiación electromagnética (típicamente luz
ultravioleta) sobre un material, se produce una absorción de energía, llegando
a arrancar electrones del material irradiado (emisión de electrones).
Bohr conocía muy bien las ideas cuánticas que se
habían empezado a gestar desde principios de siglo. Empezó por afirmar que los
electrones no irradiaban energía mientras se movían alrededor del átomo, y por
eso no se precipitaban en el núcleo atómico. Este paso tan simple suponía en
realidad subvertir las leyes del electromagnetismo y proclamar que estas no
eran de aplicación en el interior del átomo.
Según Bohr, los electrones solo podían moverse por
unas órbitas concretas y prefijadas. No todas las órbitas están permitidas ni
los electrones pueden girar caóticamente alrededor del núcleo. Bohr estableció
que los electrones se tienen que ir situando a unas distancias determinadas del
núcleo, que constituyen niveles o capas, y cada uno de estos niveles tiene
asociado cierta energía. Los electrones más próximos al núcleo están más
fuertemente ligados a él, y viceversa.
Las líneas espectrales
Cuando se hace pasar un rayo de luz blanca por un
prisma, la luz se descompone en los diferentes colores (longitudes de onda del
espectro electromagnético visible). Si previamente a la dispersión cromática la
luz ha atravesado un gas, entonces al descomponerla se observa un curioso
fenómeno en el que diversas franjas de colores están ausentes. Este fenómeno,
llamado «espectro de absorción», tiene su complementario en el espectro de
emisión, que se obtiene cuando ese mismo gas se lleva a una temperatura elevada
hasta que llega a emitir luz. Si se filtra esa luz, se observan únicamente
ciertas franjas de color. Como se muestra en la figura, si se trata del mismo
gas, se observa que el espectro de emisión y de absorción de un material
encajan perfectamente.
Científicos como Gustav Kirchhoff (1824-1887)
—inventor del espectroscopio— habían puesto al descubierto que todos los
elementos tienen asociado un espectro de emisión único y característico. Se
puede considerar como una huella gracias a la cual, por ejemplo, es posible
saber los componentes químicos presentes en una estrella lejana. Johann Jakob
Balmer (1825-1898), por su parte, contribuyó a la comprensión de este fenómeno
al lograr relacionar las líneas espectrales con la longitud de onda y la
frecuencia de la luz (y su energía).
Mientras los electrones permanecen en uno de los niveles de energía, no sufren
ninguna variación energética. El cambio de energía se produce cuando los
electrones se mueven de un nivel a otro.
Eso ocurre cuando los electrones absorben energía,
por ejemplo, procedente de una fuente externa, de modo que pasan a estar
excitados y realizan un salto cuántico a una órbita electrónica más externa Si
la energía es suficiente, pueden llegar a escapar del átomo, tal como había
explicado Einstein mediante el efecto fotoeléctrico.
Y al contrario, cuando se remite energía es porque
los electrones excitados retoman a una capa cuántica de un nivel energético
inferior y más próxima al núcleo (figura 11).
Bohr estableció que los electrones solo podían
circular en órbitas concretas o niveles de energía específicos, representados
con la letra n en la figura. El estado electrónico (nivel) de menor energía es
n = 1, y es el más próximo al núcleo. Cuando un electrón recibe energía se dice
que está excitado, y entonces salta a un nivel orbital superior. Cuando retorna
a niveles Inferiores, desprende energía en forma de fotones.
La audacia y el atrevimiento de la teoría de Bohr
fueron extraordinarios. Su teoría fue recibida con cautela, pero, sin lugar a
dudas, era capaz de explicar un gran número de fenómenos. Al considerar los
saltos de energía de los electrones, sus fórmulas recordaban las líneas
espectrales del átomo de hidrógeno observadas por Johann Jakob Balmer en el
siglo XIX. Cuando los electrones excitados retoman a su estado de equilibrio,
tienen que emitir energía o absorberla. El cálculo de las frecuencias de estos
intercambios era idéntico a la fórmula de Balmer. Bohr lograba con su modelo
hallar una explicación para las líneas espectrales.
§. Desde las antípodas
La gesta de Rutherford para desentrañar el núcleo
atómico es aún más increíble si se tiene en cuenta que nació en Nueva Zelanda,
entonces una alejada colonia del Imperio británico. Eso no fue impedimento para
que Rutherford tuviera acceso a educación superior, recibiera noticias de los
últimos descubrimientos científicos —aprovechando el excelente y efectivo
sistema de publicaciones científicas que ya estaba en funcionamiento—, e
incluso que se le diera la oportunidad de estudiar en los mejores laboratorios
del Reino Unido.
Dos vidas no tan paralelas
Albert Einstein y Ernest Rutherford encarnan dos
maneras diferentes de abordar la física. Einstein era el físico teórico
solitario, ajeno a todo lo que le rodeaba excepto sus elucubraciones.
Rutherford, por el contrario, era un físico experimental que, además,
desconfiaba de cualquier hipótesis que no estuviera respaldada por los hechos.
Para Rutherford, los físicos teóricos se dedicaban a «jugar con símbolos»,
mientras que los físicos experimentales «nos dirigimos a los sólidos hechos
reales de la naturaleza». Rutherford era un diestro jugador de rugby, mientras
que Einstein prefería ensimismarse tocando el violín o dar largos paseos
solitarios en su barca (con el riesgo añadido de que no sabía nadar, lo que
puso en más de una ocasión su vida en peligro).
Albert Einstein (sentado en la primera fila) y Ernest Rutherford (orador) en
una petición de fondos del Consejo de Ayuda Académico, en el Royal Albert Hall
de Londres, en 1933.
A Rutherford le gustaba trabajar en equipo e
incluso muchos de sus colaboradores lo llamaban «el Profesor». Cualquiera de
sus estudiantes sabía que cuando irrumpía en el laboratorio entonando una
canción —especialmente Onward, Christian Soldiers, el himno
inglés del siglo XIX—, eso significaba que todo estaba en orden. V aseguraba
que maldecir durante los experimentos facilitaba que se lograra el éxito. Era
temperamental y en ciertos momentos podía llegar a perder los nervios, pero
sobre todo fue un científico inspirador y un trabajador infatigable, y hasta
once de sus colaboradores, entre los que destacan Niels Bohr, Otto Hahn o
Frederick Soddy, acabaron obteniendo un premio Nobel. Bohr, por ejemplo,
rememoraba a Rutherford señalando que «aunque siempre estaba intensamente
ocupado en los progresos de su propio trabajo, tenía la paciencia de escuchar a
los investigadores jóvenes cuando se daba cuenta de que tenían una idea, por
modesta que fuera». El propio Einstein consideraba que Rutherford era el segundo
Newton. Rutherford, en cambio, no guardaba las mismas simpatías por el trabajo
teórico que ejemplificaba Einstein. Solía decir a sus colaboradores: «¡Que no
oiga a nadie hablando sobre el universo en mi departamento!».
Ernest Rutherford nació en el seno de una familia humilde el 30 de agosto de
1871. Apenas hacía un siglo que James Cook —el explorador del Pacífico— había
llegado a esas tierras habitadas por los maoríes, lo que hizo que pasaran a
formar parte de la Corona británica (se trataba además de uno de los últimos
lugares de la Tierra sin colonizar). Los primeros colonos aún tardarían en
llegar. En uno de los barcos que alcanzaron la costa neozelandesa en la década
de 1840 se encontraba George Rutherford junto a un niño de cinco años, James,
que con el paso del tiempo acabaría siendo el padre de Ernest Rutherford.
La madre de Ernest, Martha Thomson, era una maestra
de escuela nacida en Inglaterra Le gustaba tocar el piano, un signo de cultura
y distinción en aquellas tierras tan lejanas y apartadas de la civilización.
Ernest fue el cuarto de doce hermanos. Vivían a las afueras de Nelson, una
ciudad portuaria de unos cinco mil habitantes. Su padre se dedicaba al cultivo
de maíz. A Ernest le gustaba construir artefactos, reparar objetos, cazar y
pescar.
Con quince años logró acceder con una beca al
colegio Nelson, donde le proporcionaron una educación básica en lengua y
matemáticas. También se aficionó a jugar a rugby. Gracias a premios y becas
pudo seguir formándose posteriormente en la Universidad de Canterbury, en
Christchurch, una institución que solo contaba con siete profesores y donde
logró la máxima distinción en física y astronomía. Durante esa época, Ernest
sufrió la pérdida de dos hermanos que salieron en barca a navegar y jamás
regresaron, un hecho que cambió el carácter de su madre para siempre.
La familia se fue a vivir a la Isla Norte, de modo
que Ernest se vio obligado a hospedarse en una pensión para seguir estudiando.
Allí conocería a la hija de la propietaria, Mary Newton, de la que rápidamente
se enamoraría y pediría en matrimonio. Sin embargo, Mary era consciente de que
ese paso supondría un estorbo para su carrera, así que acordaron esperar a
finalizar los estudios y a que adquiriera una posición en el mundo académico
para casarse.
Rutherford obtenía sus ingresos dando clases y
dedicaba parte del tiempo restante al estudio de la electricidad. Ernest pudo
leer el artículo de Heinrich Hertz de 1888 en el que se anunciaba el
descubrimiento de las ondas electromagnéticas, y quiso saber si podía crear un
dispositivo para captar tales ondas. Diseñó experimentos donde mostraba que
unas de esas ondas —en la actualidad llamadas «ondas de radio»— eran capaces de
atravesar paredes y puertas de metal, y los mostró ante estupefactos estudiantes
y profesores. La publicación en 1894 de estos experimentos le granjeó una
cierta fama.
«Acabo de leer alguno de mis primeros trabajos y,
sabes, al acabar me dije a mí mismo: “Rutherford, chico, eras un tipo
condenadamente inteligente”.»
Ernest Rutherford en 1911.
Rutherford había alcanzado la mayor cima académica
que podía ofrecerle Nueva Zelanda Cuando parecía que no había nada más allá de
lo que le ofrecía ese país, llegó una oportunidad inesperada. Había postulado
para una beca del Reino Unido llamada «de la Gran Exposición de Londres de
1851», porque se financiaba con el dinero recaudado en esa ocasión. El tribunal
había descartado su candidatura en primera instancia al preferir a otro
candidato, químico y con mayor experiencia Sin embargo, el químico desestimó la
oportunidad porque estaba a punto de casarse. Cuando Ernest se encontraba en
casa de sus padres arando en un campo de patatas, llegó un telegrama con la
ansiada noticia La oportunidad había recaído finalmente sobre él. Exclamó:
«¡Esta es la última patata que cavo!». De este modo, Rutherford llegó a
Inglaterra para conquistar el átomo.
Capítulo 2
Alfa, beta y gamma
Junto con Becquerel y Marie Curie, Rutherford
comparte el mérito de haber desentrañado la naturaleza de la radiactividad.
Llegó a la conclusión de que se componía de un conjunto de radiaciones que se
diferenciaban entre sí por su carga eléctrica y su poder de penetración en la
materia: las partículas alfa, cuya carga era positiva y tenían un escaso poder
de penetración, y las partículas beta, mucho más penetrantes y de carga
negativa. Rutherford también contribuyó decisivamente a la detección de las radiaciones
gamma.
Cuando Rutherford arribó al Reino Unido en 1895
recién llegado de las antípodas, aún se ignoraba la existencia de la
radiactividad. Pero en cuestión de pocos años, Rutherford pasó a ser uno de los
científicos más brillantes en este nuevo campo.
A pesar de contar con la beca de la Exposición de
1851, Rutherford tuvo que pagarse de su propio bolsillo el pasaje de barco
desde Nueva Zelanda Durante los dos meses que duró el trayecto, inició una
correspondencia con su prometida —Mary Newton— que se prolongaría a lo largo de
los años en que estuvieron separados y que ha sido una valiosa fuente de
información de primera mano para conocer las vicisitudes que rodearon al
científico durante un período crucial de su vida.
Rutherford había optado por incorporarse al equipo
liderado por Joseph John Thomson, el director del laboratorio Cavendish de
Cambridge en aquella época. De nuevo la suerte había sonreído a Rutherford,
dado que ese mismo año se había abolido la estricta regulación de Cambridge que
impedía el acceso a su institución a estudiantes que no hubiesen desarrollado
sus estudios en la misma De esta manera, Rutherford pasó a ser el primer
estudiante de doctorado de Cambridge foráneo. Ello supuso a la práctica una dificultad
añadida en su proceso de adaptación, dado que el resto de los estudiantes y la
mayoría de los profesores no lo consideraban como uno de los suyos.
§. Rutherford en Cavendish
En un principio, Ernest siguió investigando la
captación de señales electromagnéticas, un antecedente de la radio que había
impresionado a profesores y estudiantes en Nueva Zelanda. Rutherford había
construido cada uno de los componentes de su aparato, incluidas unas baterías.
Su tutor Thomson y otros responsables de la universidad estaban expectantes por
las investigaciones del nuevo estudiante. En su autobiografía, J. J. Thomson
hizo referencia a estas primeras andanzas de Rutherford en la universidad:
Logró, poco después de iniciar su trabajo en la
universidad, el récord para la telegrafía de larga distancia, al enviar con
éxito mensajes desde el laboratorio a las habitaciones, que se encuentran a
poco más de un kilómetro de distancia.
Aunque aquel era un invento prometedor y con
grandes posibilidades de aplicación (lo que además se podía traducir en una
importante fuente de ingresos), pronto pasó a un segundo plano entre las
investigaciones de Rutherford al conocerse los rayos X.
La carrera por la telegrafía sin hilos
Guglielmo Marconi (1874-1937) fue un físico
italiano al que se le atribuye la invención del telégrafo sin hilos. Sus
primeros experimentos para transmitir señales telegráficas sin hilos datan de
1884, aunque la escasa repercusión que obtuvieron en Italia le decidió a irse
al Reino Unido, donde presentó sus primeras patentes en 1896. Colaboró con un
ingeniero de la compañía de correos y muy pronto Marconi pudo fundar su propia
compañía. En 1901 logró transmitir una señal de radio que cruzó al otro lado del
océano Atlántico, y en 1909 recibió el premio Nobel de Física por las
importantes implicaciones de esos descubrimientos. De forma casi simultánea,
Rutherford, en Nueva Zelanda, y Marconi, en Italia, estuvieron desarrollando
aparatos para captar señales de radio, lo que se conocía como telegrafía sin
hilos. Rutherford construyó su aparato para captar señales de radio
independientemente de los progresos de Marconi (existen dudas sobre la
paternidad de esta invención). En sus demostraciones, Rutherford logró despertar
la curiosidad de numerosos científicos de la universidad, que rápidamente
vieron que ese invento tenía múltiples y estratégicas aplicaciones, como por
ejemplo comunicarse con una embarcación desde tierra.
Guglielmo Marconi hacia 1937.
En 1896 pudo presentar su invención ante la Royal
Society, donde explicó el funcionamiento de su detector de ondas de radio. Las
numerosas aplicaciones le permitieron soñar con proveerse del dinero que
necesitaba para contraer matrimonio. Sin embargo, a pesar de las posibilidades
de negocio (que Marconi sí supo aprovechar), la curiosidad que le despertó el
descubrimiento de los rayos X hizo que todos sus sueños crematísticos pasaran a
un segundo plano.
§. Los rayos de Röntgen y de Becquerel
Según Rutherford, la revolución cuántica se inició
en 1896, cuando Henri Becquerel descubrió la radiactividad. Este descubrimiento
fue totalmente inesperado, ya que nada en la física del siglo XIX hacía prever
que el seno de la materia contuviera, en forma de fuente, tal cantidad de
energía. Sin embargo, para entender el contexto es preferible remontarse un año
antes, cuando Wilhelm Conrad Röntgen descubrió los rayos X.
La primera radiografía que fotografió Röntgen fue la de la mano de su esposa
Berta
Röntgen, que era profesor de la Universidad de
Würzburg (Alemania), estaba investigando el poder de penetración de los rayos
catódicos, y, en concreto, quería comprobar si podían atravesar aluminio.
Durante el experimento mantuvo las luces apagadas y colocó un cartón negro
recubriendo el tubo par a impedir que los rayos «escaparan».
Los rayos X
Los rayos X son un tipo de radiación
electromagnética que se caracteriza por su alta frecuencia (es decir, tienen
alta energía). Se pueden originar cuando partículas con carga eléctrica sufren
una fuerte aceleración o desaceleración. Aunque se trata de rayos invisibles a
los ojos humanos, las placas fotográficas son sensibles a su radiación, de
manera que dejan constancia de su paso, se imprimen. Así fue como Röntgen pudo
observarlos por primera vez: se formaron en un tubo de Crookes, donde se
aceleran electrones al someterlos a un alto voltaje, y posteriormente
impactaron en unas placas fotográficas. En la actualidad, los rayos X se
producen de forma controlada en los llamados aceleradores de partículas como el
sincrotrón, donde partículas aceleradas emiten lo que se llama luz de
sincrotrón, que incluye radiación ultravioleta, rayos X, etc.
Los rayos X forman parta del espectro electromagnético. Junto a los rayos
gamma, son la radiación más energética de todo el espectro: tienen la mayor
frecuencia y la menor longitud de onda.
Aplicaciones Entre la variedad de aplicaciones de
los rayos X destacan las referidas a la práctica médica. La más inmediata, y
que sigue siendo ampliamente utilizada, es como herramienta de diagnóstico para
visualizar el interior del cuerpo y en especial sus huesos. Hoy día, además de
estas partes más densas, la tomografía computarizada también aprovecha rayos X
para observar órganos y otras estructuras corporales. Debido a que es una
radiación de tipo ionizante, se aprovecha su capacidad de dañar células vivas
para combatir células cancerosas —lo que hace que recibir esta radiación en
dosis elevadas o de forma incontrolada sea sumamente nocivo—. En la industria
de la alimentación, se utiliza para prolongar la conservación de los alimentos:
se irradian para detener la proliferación de bacterias. Como los rayos X tienen
una longitud de onda minúscula y del orden del tamaño de los átomos, sirven
también para estudiar cristales. Por ejemplo, la técnica de difracción de rayos
X permitió a Rosalind Franklin (1920-1958) fotografiar el ADN que en 1953
permitió a James Watson y Francis Crick desentrañar su estructura en doble
hélice.
Cuando conectó el tubo de rayos catódicos, por
casualidad se dio cuenta de que una pantalla que había a lo lejos con material
fluorescente empezó a brillar. Los destellos desaparecían nada más apagar la
corriente del tubo. Era evidente que del tubo emergían unos rayos de naturaleza
distinta a los catódicos, ya que estos últimos en principio debían ser
absorbidos por el cartón.
Conrad Röntgen descubrió así que estos rayos teman
una característica muy particular: podían atravesar objetos sólidos. Los llamó
«rayos X» porque desconocía su procedencia —aunque también se generalizó
llamarlos «rayos Röntgen» en su honor—. Entonces se le ocurrió crear una de las
imágenes de rayos X más famosa de la historia: la mano izquierda de su mujer
(en la que se puede observar un anillo). Esta fotografía circuló por todos los
laboratorios de Europa y despertó un gran interés tanto entre la comunidad
científica como en la sociedad en general. Para los científicos era prioritario
saber cuál era la naturaleza, el origen y las características de esos rayos.
Las prometedoras utilidades, que tomaron cuerpo principalmente en el campo
médico, tampoco pasaron desapercibidas para nadie.
§. El uranio
Uno de los científicos que se sintió fascinado con
el descubrimiento de los rayos X fue Antoine-Henri Becquerel, el director del
Museo de Historia Natural de París en 1892.
Estudiantes del laboratorio Cavendish, en 1898. En el centro de la primera
fila (con los brazos cruzados) aparece J. J. Thomson. En la segunda fila,
Rutherford es el cuarto por la izquierda.
Becquerel era descendiente de una saga de
científicos vinculados al museo, y su padre había sido un experto en minerales
fluorescentes. Por esa razón, la institución contaba con una importante
colección de este tipo de minerales. Röntgen había sugerido que los rayos X
podían estar vinculados con la fluorescencia, por lo que Becquerel se vio en
una posición inmejorable para poder explorar esta hipótesis. Se trataba de una
conjetura errónea, pero que condujo a un descubrimiento crucial.
A Becquerel le había llamado la atención
principalmente la intensidad de fluorescencia de un mineral compuesto por sales
de uranio (en concreto sulfato potásico de uranio, que en la época se usaba
para colorear cerámica y vidrio). El uranio, que puede presentar actividad de
fluorescencia de forma natural, parecía ser un buen inicio para su
investigación. En 1896, Becquerel tomó la sal de uranio y la colocó sobre una
placa fotográfica (lámina de vidrio recubierta de una capa de material sensible
a la luz) que previamente había envuelto en papel negro. Al exponer el mineral
a los rayos solares, se provocaría la fluorescencia. Como el papel negro tema
la misión de impedir que los rayos de luz visible impactaran en la placa
fotográfica, si en esta se registraba algún efecto, tema que tratarse de rayos
X.
«Una de las hipótesis que se presenta a la mente
naturalmente sería suponer que estos rayos, cuyos efectos tienen una gran
similitud con los producidos por los rayos estudiados por P. Lenard y M.
Röntgen, son rayos invisibles...»
Antoine-Henri Becquerel.
Tras algunas horas de exposición a los rayos
solares, el mineral se tornó fluorescente, y al desvelar la placa fotográfica,
Becquerel comprobó con satisfacción que, tal como había pronosticado, la imagen
del mineral había quedado impresa Su tesis se había confirmado de forma rotunda
Una semana más tarde quiso repetir el experimento, pero al estar nublado,
guardó el uranio y la placa fotográfica en un cajón para usarlos otro día. En
este hecho aparentemente intrascendente estuvo la clave de su gran descubrimiento.
Cuando días más tarde fue a buscar la placa y el
mineral, observó con sorpresa que se había dibujado de nuevo el contorno del
mineral. El mineral había permanecido a oscuras dentro del cajón, por lo que la
impresión no podía ser debida a la fluorescencia. Después de realizar más
experimentos para comprobar que no fuera una casualidad —por ejemplo, que el
uranio fuera capaz de emitir fluorescencia por un tiempo más prolongado de lo
conocido—, finalmente tuvo que aceptar que su hipótesis original se derrumbaba.
Becquerel siguió convencido de que la placa no había captado otra cosa que
rayos X, pero su naturaleza tenía que ser diferente. El resultado de su
descubrimiento se presentó en la Académie des Sciences de París en 1896, aunque
nadie en aquel momento le dio gran importancia.
Fluorescencia y fosforescencia
La fluorescencia es una característica que tienen
algunos objetos de absorber energía —proveniente de la luz visible o rayos UV,
rayos X, por ejemplo— del entorno y luego emitirla a una longitud de onda
distinta a la originaria, en el rango visible y de forma casi instantánea (en
unos 10-8 segundos).
Irradiadas con luz ultravioleta (UV) de onda corta, la bola de uranio de la
izquierda es fluorescente, mientras que la calcita presenta fosforescencia.
Se trata de un fenómeno que se produce a cualquier
temperatura y, por tanto, son minerales que brillan incluso a temperatura
ambiente; no es pues un efecto térmico, como la incandescencia o
termoluminiscencia. La fluorescencia deja de producirse en cuanto la fuente de
energía que excitaba al mineral desaparece. Al igual que la fluorescencia, la
fosforescencia también se encuentra de forma natural como re-emisión de luz de
minerales, aunque los minerales fosforescentes logran prolongar la emisión de
luz hasta después de que la fuente de luz se retire, y el período de re-emisión
de luz puede durar desde fracciones de segundo hasta años. Los materiales
fosforescentes, por tanto, son capaces por si solos de brillar en la oscuridad.
En realidad, Becquerel había descubierto, sin darse cuenta, la radiactividad.
Mientras que en la generación de rayos X era necesario usar un gran voltaje
eléctrico, el origen de los rayos de Becquerel era desconocido y fue una
incógnita que fascinó a numerosos científicos.
§. La ionización y los rayos X
Cuando saltó la noticia del descubrimiento de los
rayos X, Thomson quiso ponerse de forma inmediata a estudiarlos, y propuso a su
ayudante que lo secundara en esta tarea. En mayo de 1896, Rutherford escribió a
su futura mujer explicándole esta nueva línea de investigación: Thomson ha
estado muy ocupado estudiando el nuevo método de fotografía descubierto por el
profesor Röntgen [...]. El profesor está tratando de descubrir la causa real y
la naturaleza de las ondas y su objetivo es encontrar la teoría de la materia
antes que nadie, dado que actualmente casi todos los profesores de Europa están
en pie de guerra con esta cuestión.
En 1896, Rutherford y Thomson mostraron ante la
comunidad científica que los rayos X ionizaban los gases, es decir, un gas se
convertía en mejor conductor de electricidad cuando se radiaba con rayos X.
Esta propiedad, que se empezó a utilizar para su identificación, era compartida
con otros tipos de radiación, por lo que se sugirió que los rayos X podían ser
un tipo de radiación electromagnética. El físico alemán Max von Laue
(1879-1960) pudo demostrar esta hipótesis casi dos décadas más tarde.
Thomson se volcó en el estudio de los rayos
catódicos y su trabajo culminó —tal como se ha explicado en el capítulo
anterior— afirmando que los rayos catódicos eran en realidad partículas de
carga negativa que surgían de los átomos. Inmediatamente después de este
descubrimiento, Thomson propuso su modelo atómico.
El físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen.
Mientras Thomson seguía estudiando el átomo,
Rutherford continuó investigando la ionización de gases con otros tipos de
radiación, como la ultravioleta, e hizo lo mismo con los rayos X una vez que
tuvo noticias de su descubrimiento. Pero no sería el único que se había sentido
atraído por el descubrimiento de Becquerel. En París había una pareja, Pierre y
Marie Curie, que también estaban muy interesados en este tipo de fenómenos
ligados a la radiación. Rutherford y los Curie compartían unos intereses científicos
que les llevó a colaborar pero también a competir.
§. La radiactividad: los Curie
María Sklodovska (1867-1934) nació en Varsovia. Con
el fin de poder acceder a la universidad (en Polonia las mujeres tenían
prohibido estudiar) emigró a Francia, donde se convertiría en la primera mujer
en obtener el doctorado de física en la prestigiosa Universidad de la Sorbona
de París. Tras casarse con el también científico Pierre Curie, tomó de este su
apellido.
Marie Curie
Hija menor de cinco hermanas, Marie Curie nació en
Varsovia (cuando Polonia formaba parte del Imperio ruso) en 1867 y
posteriormente tomó la nacionalidad francesa. Fue la primera mujer en
doctorarse en Francia y en obtener el premio Nobel, además de ser la primera
persona en lograr este honor por dos ocasiones. Su padre era profesor de
matemáticas y física, y desde su infancia destacó siempre en los estudios.
Durante su juventud tuvo que trabajar para que una de sus hermanas pudiera ir a
París a estudiar medicina, con el acuerdo de que posteriormente ella le
devolvería el favor. En 1891 pudo finalmente matricularse en la Sorbona de
París, donde logró ser la primera de su promoción en física a pesar de sufrir
constantes penurias económicas. Se licenció en física en 1893 y en matemáticas
al año siguiente. Al empezar a trabajar en un laboratorio de investigación
conoció al que sería su futuro marido, Pierre Curie. Se casaron en una
ceremonia muy sencilla en 1895, y pronto constituyeron un equipo de trabajo que
les depararía grandes éxitos. Su dedicación a la Investigación no les impidió
tener dos hijas: Irène y Ève, nacidas en 1897 y 1904 respectivamente.
Marie Curie hacia 1920.
En 1898 descubrieron el polonio y seguidamente el
radio, y también detectaron que el torio era radiactivo. Para poder establecer
el peso atómico del radio fue necesario servirse de toneladas de pechblenda.
Tuvieron que usar peligrosos ácidos para disolver el metal en grandes
recipientes, y durante un proceso que duró años estuvieron sometidos a unos
vapores muy tóxicos. En 1903, Becquerel, Pierre Curie y Marie Curie fueron
reconocidos con el premio Nobel de Física por su descubrimiento de la
radiactividad.
Un giro inesperado
Pierre logró una cátedra de Física en la Sorbona,
pero su muerte repentina en 1906 —atropellado por un carromato— significó un
vuelco en la carrera de su mujer. Marie, que solo había podido aspirar a
enseñar ciencias en un instituto de secundaria, no aceptó la pensión de
viudedad que le ofreció el gobierno, pero sí reclamó que se le otorgara el
puesto que ocupaba su marido en la universidad, lo que la convirtió en la
primera mujer que ocupaba una cátedra en la historia de la institución. En
1911, de nuevo fue galardonada con el premio Nobel, esta vez de Química, por
haber logrado aislar el radio. Al estallar la Primera Guerra Mundial, Marie,
junto con su hija Irène, se volcaron en desarrollar la técnica de la
radiografía de rayos X para tratar a los heridos. Más tarde, en 1935, Irène
lograría también el premio Nobel de Química. Posteriormente, Marie siguió
impulsando las aplicaciones médicas de sus descubrimientos. Marie Curie murió
el 4 de julio de 1934, y desde 1995 sus cenizas se encuentran en el Panteón de
París como reconocimiento a su labor científica.
Al considerar la elección de un tema para su doctorado, a Marie le llamaron la
atención las emisiones del uranio descubiertas por Becquerel. Para detectar
esos rayos, este había usado placas fotográficas, un sistema útil, pero que no
permitía cuantificar la intensidad de la radiación. Por esa razón, Marie y
Pierre Curie prefirieron decantarse por el estudio de las radiaciones basado en
sus propiedades eléctricas, ya que de este modo sí que serían cuantitativos.
Rutherford tomó una aproximación metodológica semejante.
Para hacer las mediciones, Marie se sirvió de una
adaptación del electroscopio o, mejor dicho, electrómetro, puesto que es más
preciso que el electroscopio que había inventado su marido. Pierre había
aprovechado el efecto piezoeléctrico de los cristales de cuarzo —materiales que
por su estructura cristalina presentan una dependencia en las propiedades
eléctricas bajo tensión mecánica, compresión/expansión— para construir un
aparato mucho más sensible que el usual. Como el uranio ionizaba los gases
hasta diferentes grados de conducción eléctrica, el electrómetro de cuarzo
piezoeléctrico resultaría útil para detectar las sutiles diferencias en la
intensidad de carga eléctrica inducida en los gases.
«No hay que olvidar que cuando se descubrió el
radio, nadie sabía que resultaría útil en los hospitales. Se trataba de trabajo
de ciencia pura. Y esta es una prueba de que la actividad científica no debe
valorarse desde el punto de vista de su utilidad directa, sino que hay que
llevarla a cabo por sí misma, por su belleza...»
Marie Curie.
Los Curie estaban convencidos de que la radiación
de Becquerel tenía su origen en el ambiente. Se trataba de una radiación que no
podía originarse espontáneamente desde el interior del mineral, sino que
existía una causa externa. La tarea consistía, por tanto, en identificar eso.
De manera sistemática, hicieron pruebas que les permitieron descartar que las
radiaciones solares estuvieran implicadas. Tampoco el estado físico o químico
del elemento parecía tener relación con este fenómeno. El único factor que parecía
alterar la capacidad de ionizar los gases era la cantidad de muestra de uranio
empleada Todo apuntaba a un origen interno del propio uranio, pero los
investigadores se resistían a aceptar esta conclusión. En ese momento, el
científico alemán Gerhard Cari Schmidt (1865-1949) descubrió que el torio
emitía una radiación similar y Rutherford también llegó a la misma conclusión
de forma independiente. El problema se hacía más complejo.
En 1898, los Curie denominaron como
«radio-actividad» a los rayos ionizadores de los dos materiales conocidos hasta
el momento (nombre que nacía del hecho de que se referían a la actividad de los
elementos en alusión a las señales captadas en sus electrómetros). Ponerles
nombre no era suficiente: era necesario indagar más sobre su naturaleza y
averiguar si había más elementos que emitieran radiactividad.
§. El descubrimiento del radio y el polonio
La pechblenda era un viejo conocido de los químicos
de la época. En el polvo que desprende este mineral, en 1789 el químico alemán
Maarten Heinrich Klaproth había logrado reconocer el uranio, un nuevo elemento
entonces, con cuyo nombre quiso homenajear el descubrimiento de Urano realizado
ocho años antes.
Los Curie se interesaron inmediatamente por
experimentar con pechblenda y Pierre observó que al comparar la actividad de un
gramo de uranio con la de un gramo del mismo material disperso en pechblenda,
este último mostraba una mayor actividad. Ello podía significar —como así fue—
que el mineral escondía una fuente de radiación diferente nunca antes
descubierta.
Tenía que tratarse de una fuente de radiación mucho
mayor que la del uranio. Una pieza pequeña de pechblenda mostraba una gran
actividad, de modo que si se trataba de un nuevo elemento radiactivo tenía que
ser fácilmente detectable. Pero, por contra, se dieron cuenta de que se
encontraba en muy poca concentración, por lo que necesitaban una gran cantidad
de pechblenda para hallarlo. Tras realizar sucesivas separaciones químicas de
los materiales, pudieron confirmar su sospecha, y en 1898 hacerla pública: Creemos,
pues, que la sustancia que hemos retirado de la pechblenda contiene un metal no
conocido hasta ahora, cercano al bismuto por sus propiedades analíticas. Si la
existencia de este nuevo metal se confirma, proponemos que se denomine polonio,
por el nombre del país de origen de uno de nosotros.
Al cabo de pocos meses, pudieron aislar otro
elemento radiactivo al que llamaron radio. Marie Curie relató así el
descubrimiento:
Tuve ocasión de examinar un cierto número de
minerales. Unos pocos de ellos mostraron actividad: eran aquellos que contenían
uranio o torio. La actividad de estos minerales no habría tenido nada de
sorprendente si hubiese estado en proporción a las cantidades de uranio o torio
que contenían. Pero no era así. Algunos de estos minerales mostraron una
actividad tres o cuatro veces mayor que la del uranio. Verifiqué cuidadosamente
este sorprendente hecho, y no podía dudar de su veracidad. Especulando acerca
de su motivo, me pareció que solo existía una explicación. En estos minerales
debía haber, pensé, alguna sustancia desconocida muy activa.
La existencia del polonio y el radio tuvieron una
confirmación independiente gracias al análisis espectroscópico, que mostró unas
líneas de absorción que no pertenecían a ningún elemento conocido. Sin embargo,
para la química de la época no se trataba de una confirmación suficiente. Era
necesario salir de toda duda con la determinación del peso atómico de la nueva
sustancia, lo que requería obtener dicha sustancia de forma muy pura. Es decir,
iban a necesitar grandes cantidades de pechblenda. Por suerte, lograron que el
gobierno austríaco les donara toneladas de pechblenda que transportaron hasta
un pabellón donde se dispusieron a aislar el radio. Durante cuatro años de duro
trabajo solo lograron obtener cien miligramos de radio, pero eso fue suficiente
para lograr su objetivo y finalmente ser reconocidos por la comunidad
científica.
§. Rutherford en McGill
Por su parte, Rutherford se dedicaba a la
ionización de gases mediante radiación. Sin embargo, la beca llegaba a su fin,
por lo que era preciso pensar en su futuro. En ese momento, la Universidad
McGill (Montreal, Canadá) pidió a Thomson que le recomendara a un científico
para ocupar la cátedra MacDonald de Física (en honor a William MacDonald, rico
empresario y comerciante de tabaco que regaló a la universidad el edificio de
física más grande del mundo y apoyó financieramente la cátedra que llevaba su nombre).
Thomson no tuvo dudas en recomendar encarecidamente a Rutherford, a pesar de su
juventud. Iba a ser el responsable de un laboratorio que dispondría de
considerables recursos, y además el puesto estaba dotado de una remuneración
económica importante. Alejarse del centro de la actividad científica mundial,
después de haberse encontrado en él aunque fuera como secundario, era
decepcionante, pero la posibilidad de poner fin a las estrecheces económicas
resultó decisiva para que aceptara el puesto. Esto suponía además que por fin
la pospuesta boda con Mary Newton —que seguía esperándole en Nueva Zelanda—
podría llevarse a cabo. Así explicó a su prometida su decisión final de ir a
Canadá; «Regocíjate conmigo, amada niña mía, porque el matrimonio se cierne en
la distancia».
«De estos experimentos hay que concluir que la
sustancia fosforescente en cuestión emite rayos que atraviesan el papel opaco.»
Henri Becquerel.
A miles de kilómetros de Cavendish, y con solo
veintisiete años, Rutherford fue capaz de convertir Montreal en una de las
capitales de la ciencia de la época, donde se sucederían algunos de los
experimentos más fundamentales en tomo a la radiactividad. Sus investigaciones
en Canadá fueron las que finalmente le abrieron las puertas para recibir el
Nobel. Nada más llegar, prosiguió con sus trabajos con los rayos X y los «rayos
de Becquerel». Quería averiguar si se trataba de dos tipos de rayos emparentados
y con características comunes. Rutherford intentó polarizar y refractar los
rayos de Becquerel para estudiar si tenían las mismas propiedades de la
radiación que manifestaban los rayos X. Aunque eso no lo logró, sí pudo
observar que el uranio era capaz de ionizar los gases.
De los sucesivos análisis realizados por
Rutherford, este llegó a una importante conclusión: los rayos procedentes de
uranio no eran siempre iguales. Pudo establecer dos clases: los rayos alfa y
los beta, que se distinguían por su diferente poder de penetración (véase en el
anexo la desintegración alfa y beta).
§. Rayos alfa y beta
El experimento que le permitió a Rutherford llegar
a la conclusión de que los rayos procedentes de uranio no eran de un solo tipo
fue el siguiente: dispuso dos placas de cinc en paralelo, conectó una de ellas
a la corriente eléctrica, y sobre ella colocó uranio. La otra placa estaba
unida a un electrómetro, y entre ambas había un gas. Gracias a la capacidad
ionizadora de las emanaciones del uranio, el gas tenía que acabar conduciendo
la electricidad, y con el electrómetro podría medir cierta intensidad de la
corriente. Como novedad, interpuso entre las placas unas láminas de aluminio, y
observó que la corriente eléctrica disminuía. Aunque dispusiera láminas de
diferente espesor, siempre se formaba corriente.
«Una teoría que no se pueda explicar a un camarero
no es, probablemente, muy buena.»
Ernest Rutherford.
De este experimento dedujo que en el uranio existía
una radiación que quedaba absorbida por las láminas de aluminio, mientras que
otra radiación, mucho más penetrante, lograba traspasarla Repitió el
experimento empleando esta vez torio y los resultados fueron similares. También
usó distintos materiales, desde vidrio hasta madera, para usarlos como filtros
de los rayos. Observó asimismo que los rayos llamados alfa, aunque eran menos
penetrantes, tenían una capacidad de ionizar los gases mucho mayor que los rayos
beta.
En 1899, Rutherford publicó un artículo, el primero
desde su llegada a Canadá, en el que describía este experimento. Estas fueron
sus conclusiones:
Estos experimentos demuestran que la radiación del
uranio es compleja y que al menos están presentes dos tipos distintos de
radiación: una que es absorbida muy fácilmente, que por conveniencia será
denominada radiación alfa, y la otra, de un carácter mucho más penetrante, que
será denominada radiación beta.
Este fue el primer contacto con los rayos alfa, una
relación que se mantuvo a lo largo del resto de su carrera científica y que le
reportó sus éxitos más extraordinarios, como el hecho de descubrir, tal como se
ha explicado en el capítulo anterior, el núcleo atómico.
Espiritismo y radiactividad
Durante el siglo XIX se vivió un auténtico
renacimiento del espiritualismo. Personas de toda condición, incluso con
formación superior y universitaria —entre los que había también un gran número
de científicos— estaban convencidos de poder contactar con habitantes de una
realidad paralela y espíritus fallecidos. Tales ideas se habían visto alentadas
paradójicamente por el propio desarrollo científico de la época, que aludía a
elementos invisibles e inalcanzables para los sentidos humanos como los campos
electromagnéticos. Con el descubrimiento de los rayos X, hubo oportunistas que
no dejaron escapar la ocasión de afirmar que con estos rayos podían fotografiar
el alma. Entre el espiritismo, que creía que era posible contactar con una
realidad oculta en la que habitaban los muertos, y la ciencia, que cada vez
descubría realidades invisibles a los sentidos, parecía establecerse un
vínculo.
Imagen basada en la descripción de William Crookes con la médium Florence
Cook en el suelo, y el espíritu materializado de la fallecida Katie King
(nombre que la médium dio a esa supuesta materialización).
Los rayos X y la radiactividad parecían elementos
que enlazaban con la otra realidad, por lo que muchos científicos se lanzaron a
explorar lo oculto. En las sesiones espiritistas que se organizaron por toda
Europa durante el siglo XIX era posible ver a científicos como el químico
inglés William Crookes, que realizó importantes contribuciones al estudio de
los rayos catódicos; a Camille Flamarion, uno de los astrónomos y divulgadores
científicos más importantes de la época; o a Alfred Russel Wallace, quien propuso
la selección natural simultáneamente a Darwin. También eran fervientes
defensores del espiritismo autores como el escritor Arthur Conan Doyle. Sin
embargo, es necesario constatar que otros científicos, como Faraday,
rápidamente se dieron cuenta de que los extraordinarios fenómenos a los que
aludían los espiritistas, como el movimiento de objetos en una mesa, era
siempre provocado intencionadamente por los propios espiritistas o,
involuntariamente, por los asistentes a este tipo de ceremonias, por lo que
perdieron rápidamente cualquier interés en estos asuntos.
Rutherford había mostrado que la radiactividad se componía de varios tipos de
radiación, unos con un mayor poder de penetración que otros. Sin embargo, la
esencia del problema de la radiactividad continuaba siendo una incógnita: «La
causa y origen de la radiación emitida constantemente por el uranio y sus sales
todavía continúa siendo un misterio».
§. La radiación gamma
Así como Rutherford fue capaz de distinguir entre
las radiaciones alfa y las beta, el mérito de descubrir las radiaciones gamma
hay que atribuírselo al científico francés Paul Villard. En 1900, en unos
experimentos realizados en París con radio —con material que le había sido
donado por los Curie—, Villard pudo observar que una radiación desconocida era
capaz de traspasar cualquier lámina de metal, e incluso de plomo de algunos
centímetros de grosor.
Es decir, existía una radiación que tenía un poder
de penetración incomparablemente mayor que el manifestado por los rayos alfa o
los beta. Entre otras características, Villard observó que esta radiación no se
desviaba ante campos magnéticos.
Sin embargo, confundió estos rayos con los rayos X
(error por otro lado fácil de cometer dado que se trata en ambos casos de
radiaciones muy energéticas).
Rutherford, en el año 1902, se hizo eco de las
investigaciones de Paul Villard para interpretar- las correctamente:
Todas las sustancias radiactivas permanentes,
uranio, torio y radio, emiten dos tipos de rayos, uno fácilmente absorbible y
que no es desviado por un campo magnético, y otro de carácter más penetrante y
que se desvía en un campo magnético. En adición a estos dos rayos, Villard hizo
notar por primera vez, utilizando un método fotográfico, acerca de la
existencia de unos rayos muy penetrantes procedentes del radio, que no se
desviaban en presencia de un campo magnético. Este resultado fue confirmado por
Becquerel.
Finalmente, a estos rayos se les dio el nombre
de rayos gamma (figura 1).
Como las radiaciones alfa están formadas por
núcleos de helio con una gran masa en comparación por ejemplo al electrón, son
absorbidas por una hoja de papel o por la palma de la mano.
Las radiaciones beta básicamente son electrones,
apenas tienen masa, de modo que pueden adquirir mayor velocidad que las
partículas alfa con la misma energía, y por tanto su poder de penetración es
mayor debido a una menor probabilidad de interacción con la materia.
Las radiaciones gamma son las más penetrantes, ya
que constituyen las radiaciones con la longitud de onda más corta y más
energéticas de todo el espectro electromagnético. No se conoce que exista un
límite superior para las energías de rayos gamma.
Al tener cargas eléctricas de distinto signo, las trayectorias de las
partículas alfa y beta son divergentes bajo campos eléctricos. En cambio, la
radiación gamma prosigue en línea recta, dado que es eléctricamente neutra.
Marie Curie dibujó años más tarde un diagrama como
el reproducido en la figura 2 para mostrar el efecto del campo magnético en los
distintos tipos de rayos.
Capítulo 3
La desintegración radiactiva
Rutherford descubrió la existencia de elementos
radiactivos que se desintegraban de modo que se acababan transformando en otros
elementos químicos. Mediante la desintegración atómica se explicaba la
radiactividad. Entre otras aportaciones implícitas, Rutherford introdujo la
noción de vida media de un elemento, y halló que este concepto podía aplicarse
a la datación o la determinación de la edad de la Tierra.
La radiactividad fue el eje principal de los
estudios llevados a cabo por Rutherford mientras estuvo en Canadá. Ernest
realizó sus investigaciones simultáneamente a las de los Curie en Francia La
competencia originada entre estos científicos era palpable y reconocida por
ellos mismos, tal como queda reflejado en este fragmento de una carta enviada
por Rutherford a su madre:
Estoy ahora ocupado escribiendo artículos para su
publicación. Tengo que publicar mi trabajo actual tan rápidamente como sea
posible para continuar en la carrera. Los mejores esprínteres en este camino de
investigación son Becquerel y los Curie en París, que han realizado un trabajo
muy importante en tomo a los cuerpos radiactivos a lo largo de los últimos
años.
§. Hacia la comprensión de la radiactividad
A pesar de ser un campo de conocimiento nuevo,
varios equipos de investigadores analizaron la radiactividad en Alemania y en
el Reino Unido. Fueron momentos de actividad científica frenéticos, de
descubrimientos constantes y asombrosos que traían consigo nuevos interrogantes
y modelos que a menudo contradecían el saber aceptado hasta la fecha Todo lo
relacionado con la radiactividad, que había empezado con unos destellos en una
placa fotográfica, fue adquiriendo cuerpo y tomándose cada vez más complejo. Al
tiempo, la incertidumbre era cada vez más creciente, dado que cada nuevo
descubrimiento abría un abanico de nuevas incógnitas.
En 1899, científicos alemanes observaron que la
radiactividad, en lugar de ser una emisión de actividad constante en el tiempo,
tal como se había creído en un principio, tendía a disminuir. Por esa misma
época, empezó a quedar claro que la radiación beta consistía fundamentalmente
en electrones, es decir, partículas cargadas negativamente (los corpúsculos que
Thomson había identificado en 1897 como constituyentes fundamentales de todos
los átomos). Nada se sabía, sin embargo, sobre la naturaleza de los llamados
rayos alfa, un problema que pudiera parecer secundario, pero que en realidad
sería clave para entender la radiactividad, tal como los acontecimientos
pusieron en evidencia más tarde. Rutherford, por su parte, constató que los
elementos radiactivos, además de la radiactividad alfa y beta, producían una
emanación semejante al «vapor».
§. Las emanaciones
En 1899, Rutherford solicitó a un profesor de
ingeniería de la universidad llamado R. B. Owens que le ayudara a estudiar la
radiación del torio. En sus primeros estudios, llegó a la conclusión de que
había algo en el ambiente que alteraba los resultados de los experimentos. En
ocasiones, la propia presencia de Rutherford en la sala parecía llegar a
modificar los resultados. Se trataba de una posible evidencia de que la
radiactividad quizá sí dependía del medio, tal como creían los Curie.
Sin embargo, Rutherford defendió la hipótesis de
que estas «emanaciones», tal como las denominó, procedían de los propios
elementos radiactivos, y que eran capaces de impregnar de radiactividad todo lo
que hubiera a su alrededor. Esta sería la causa de que las mediciones se vieran
afectadas. Tal como afirmó:
Compuestos del torio emiten continuamente
partículas radiactivas de algún tipo, que retienen sus poderes radiactivos
durante algunos minutos. Esta «emanación», como será denominada por brevedad,
tiene la capacidad de ionizar el gas de su entorno y de atravesar capas
delgadas de metales y, con gran facilidad, pasar a través de papel de un grosor
considerable.
Las «emanaciones» serían su inmediato campo de
estudio. Primero, las logró contener en un tubo, cuyas paredes rápidamente se
volvían radiactivas. Era como si la radiactividad fuera contagiosa, de modo que
en tomo al torio todo se volvía radiactivo, aunque fuera por poco tiempo. ¿Cuál
era la naturaleza de las «emanaciones»? O bien se trataba de algún tipo de
«vapor», o, por el contrario, tenían que ver con partículas que lograban
excitar la radiactividad en otras sustancias.
Rutherford observó que la emanación del torio
cesaba con relativa rapidez. Este hecho contrastaba con los experimentos
realizados con el uranio y el polonio, los cuales se habían mostrado hasta ese
momento como fuentes inagotables de rayos alfa y beta. Las emanaciones
resultantes de las pruebas realizadas con el torio, por el contrario, eran
intensamente radiactivas, pero por corto tiempo: la radiactividad apenas duraba
algunos minutos. Dichas emanaciones eran como una presencia fantasmagórica. Las
cantidades que se podían recoger de ellas eran mínimas, y su presencia solo era
reconocible por la radiactividad, que además desaparecía casi al instante.
En Europa, los Curie también observaron que los
elementos próximos al radio en la tabla de los elementos químicos se mostraban
radiactivos, lo cual les llevó a plantearse seriamente la posibilidad de que
este elemento excitara la radiactividad de materiales cercanos. Años más tarde,
Rutherford resumiría de esta manera el grado de conocimiento en aquel momento
sobre la cuestión:
En 1900, el autor [es decir, el propio Rutherford]
demostró que el torio, además de expulsar partículas tipo 𝛼 y β, emite continuamente una «emanación»
radiactiva o gas. Tanto el elemento radio como el actinio exhiben una propiedad
similar. La intensidad de esta radiación decae rápidamente. Las «emanaciones»
del torio, radio y actinio pueden distinguirse fácilmente entre sí por la
rapidez con que pierden su actividad.
§. ¿Radiactividad inducida?
Del mismo modo que la luz hace brillar los
minerales fluorescentes, los Curie estaban convencidos de que las «emanaciones»
de elementos radiactivos como el torio también eran capaces de provocar la
radiactividad de otros elementos. Se trataría de una especie de radiactividad
inducida Rutherford también compartía esa hipótesis, pero sucesivos
experimentos lo obligaron a desecharla Rutherford pensó que de tratarse de una
radiactividad inducida, entonces esta variaría en función de la sustancia que
se expusiera a la emanación. Confrontó el torio con todo tipo de materiales, y
el resultado fue que siempre se medía la misma actividad radiactiva con
independencia del material empleado. Parecía que alguna sustancia contaminaba
de radiactividad todo lo que se le acercara.
Lo que tenía mucho más sentido era que las
«emanaciones» y la radiactividad inducida fueran fenómenos correlacionados. Así
lo aseguró a finales de 1899, cuando escribió que había una «estrecha conexión
entre una “emanación” y la radiactividad excitada; de hecho, la “emanación” es
de alguna manera la causa directa de la última». Consideraba que no se trataba
realmente de radiactividad inducida, sino que la emanación se posaba sobre esos
materiales y por ello parecía que se tomaban radiactivos. Tal como aseguró
Rutherford, «la emanación es una sustancia inestable y se transforma en un tipo
de materia no gaseosa que se deposita en la superficie de todos los cuerpos de
su alrededor». En conclusión: «La teoría de que la emanación puede ser debida a
que el medio próximo se hace radiactivo queda, por tanto, excluida».
§. La fuente de la radiación
La comprensión sobre aquellas cuestiones se tomó
aún más confusa a raíz de una nueva observación realizada por Becquerel, según
la cual podría haber habido algún error al identificar las fuentes de
radiactividad. Becquerel era consciente de que las sales de uranio no eran
puras, sino que en realidad se encontraban varias sustancias distintas, así que
trató de separarlas. Al lograrlo, descubrió que la sal de uranio había dejado
de ser radiactiva y, en cambio, la nueva sustancia desconocida emitía toda la
radiactividad detectada Como ignoraba de qué sustancia se trataba, pasó a
denominarla «uranio X». Pero al cabo de irnos meses, al volver a revisar las
muestras, observó que el uranio X había perdido su radiactividad, mientras que
la sal de uranio original la había recuperado. El químico inglés William
Crookes (1832-1919) contrastó el resultado y ambos científicos comunicaron sus
observaciones a la Universidad McGill a finales de 1901. En cuanto conoció este
hecho, Rutherford quiso comprobar si ocurría lo mismo con sus muestras de
torio.
«No es natural que un solo hombre pueda hacer un
descubrimiento repentino; la ciencia va paso a paso y cada hombre depende de la
obra de sus predecesores.»
Ernest Rutherford.
§. Las transformaciones radiactivas
En medio de estas investigaciones, en 1900
Rutherford tuvo que hacer un paréntesis. Por fin iba a celebrarse la boda con
Mary Newton, de modo que se desplazó hasta Nueva Zelanda Fue una ceremonia
sencilla, a la que se invitó exclusivamente a la familia.
Frederick Soddy
Cuando ya nuestra colaboración hubo finalizado, la
radiactividad, que se había convertido en un rompecabezas considerable, se
había logrado juntar y solucionar, y mi impresión general que ha permanecido de
aquellos días es la de una exaltación mental intensa cuando las piezas se
juntaron y se ajustaron en un todo convincente a una única teoría de la
desintegración atómica.
Soddy estudió química en Oxford. Posteriormente se
dirigió a Montreal en 1900, donde al año siguiente empezó a trabajar con
Rutherford. A principios de 1903, Frederick Soddy partió hacia Londres para
trabajar junto a William Ramsay, experto en gases nobles, con el que también
estuvo un tiempo breve, para a continuación ser profesor en la Universidad de
Glasgow, hasta que obtuvo una cátedra como profesor de química en Oxford, la
universidad donde se había formado y en la que estuvo de 1919 a 1937. Además de
sus estudios sobre las desintegraciones radiactivas, Soddy estuvo muy
interesado en los isótopos, término que hace referencia a los elementos de
distinto número másico que ocupan el mismo lugar en la tabla periódica. Fue el
propio Soddy quien introdujo este término en el vocabulario científico (a
partir de una sugerencia de la novelista y doctora Margaret Todd). En 1917
descubrió el elemento protactinio y en 1920 escribió el libro Ciencia y
vida. En 1921 logró el premio Nobel de Química por sus estudios sobre
la química de las sustancias radiactivas y sobre el origen y naturaleza de los
isótopos. Al final de su vida, estuvo muy preocupado por cuestiones sociales y
la paz mundial, principalmente por el uso que se podía dar a la energía
nuclear. Después de la Segunda Guerra Mundial escribió:
El lanzamiento de la bomba atómica es un problema
muy profundo [...]. En lugar de la conmemoración de Hiroshima habría que
celebrar [...] el triunfo del ser humano sobre el problema [de la
transmutación], y no el mal uso que por primera vez han dado los políticos y
las autoridades militares.
Después de la luna de miel por Estados Unidos y Canadá —viaje que Rutherford
aprovechó para recopilar muestras de torio—, Ernest regresó a Montreal en 1901,
ya junto a su esposa. En el laboratorio le estaba esperando un nuevo miembro
del departamento, con el que iniciaría una prolífica colaboración: Frederick
Soddy, un especialista en química, que resultó ser justamente la persona con la
preparación que Rutherford necesitaba para poder entender el fenómeno de la
emanación y de la radiactividad en general.
Ambos científicos tenían que dar respuesta a varios
interrogantes: averiguar si la radiactividad del torio también procedía de otro
elemento, cuál era la naturaleza de la emanación y cómo se relacionaba con la
actividad que parecía provocar en otros elementos. La radiactividad se había
tomado en un puzle en el que había que identificar todas las piezas, sin que
pareciera posible por el momento atinar a enejarlas unas con otras.
§. La naturaleza de la emanación
En primer lugar, Rutherford y Soddy se volcaron en
descubrir la naturaleza de la emanación. Soddy era un gran químico, y
rápidamente fue capaz de reconocer que la emanación era en realidad un gas
similar al argón, esto es, inerte, dado que no reaccionaba con ninguna
sustancia Este gas pasó a denominarse radón.
Los gases nobles se habían empezado a comprender a
partir de 1894, así que constituían un campo de estudio muy reciente. En la
tabla periódica aún no se sabía bien dónde colocar este tipo de elementos y por
esta razón se abrió una nueva columna para irlos incorporando allí. En todo
caso, desde 1902 empezó a tomar cuerpo la hipótesis de que el torio se podría
estar transformando en gas, como si este elemento sólido se fuera evaporando.
La emanación o gas radón, por otro lado, parecía estar cargado positivamente
porque al aproximarse a un metal cargado negativamente, este se tomaba muy
radiactivo.
El radón y la tabla periódica
El físico inglés John William Strutt, lord Rayleigh
(1842-1919), antecesor en el cargo que ocupaba J. J. Thomson en el laboratorio
Cavendish —junto al químico escocés William Ramsay (1852-1916)—, había
descubierto el argón en 1894. Lord Rayleigh halló que el peso del nitrógeno del
aire era menor que el peso del nitrógeno obtenido a partir de reacciones
químicas. Más tarde, Ramsay explicó esta anomalía señalando que se debía a la
presencia de impurezas en el aire.
El químico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleev hacia 1880-1890.
Finalmente se logró separar el gas que alteraba los
resultados del peso del nitrógeno y se le llamó «argón». El término
griego argón alude al hecho de ser un gas inerte que no
reacciona con ningún otro elemento. Otro gas noble, el helio, fue descubierto
por Pierre Janssen y Joseph Norman Lockyer en 1868, cuando analizaron la
composición química del Sol empleando la espectrografía de luz solar. Ramsay
fue un químico que se especializó en el estudio de estos gases no reactivos.
Observó, por ejemplo, que el helio no solo se encontraba en la atmósfera, sino
que también se hallaba en el mineral del uranio (fenómeno que fue capaz de
explicar Rutherford más tarde cuando descubrió la naturaleza de los rayos
alfa).
La tabla de Mendeleev Todos estos descubrimientos
sobre los gases nobles obligaron a Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907) a
modificar en 1902 su tabla periódica de los elementos químicos para añadir una
nueva columna donde tuvieran su propio espacio. La ordenación de los elementos
químicos según la tabla periódica había sido un gran hallazgo. Para identificar
un elemento, los químicos usaban principalmente el peso atómico. Gracias a este
aspecto, los elementos se podían ordenar de tal modo que, casi sin excepciones,
el peso de los elementos era, con relación al hidrógeno, un valor entero.
Numerosos químicos, como Lavoisier, ya se habían dado cuenta de que existían
ciertas similitudes entre algunos elementos, pero quien realmente llegó a hacer
una propuesta sistemática de ordenación fue Mendeleev. Este aprovechó las
pautas que observaba en ciertas características de los elementos —como ser más
o menos reactivos, o bien su valencia— para reordenarlos utilizando una
clasificación que se desplegaba en las dos dimensiones de la tabla.
El peso atómico seguía siendo un factor igualmente
importante (ordenación en el eje vertical), pero se ordenaron los elementos de
izquierda a derecha formando períodos y grupos. Los grupos, que son los
elementos de la misma columna, compartían numerosas características, a pesar de
llegar a ser elementos con muy distinto peso atómico. Con tan solo ese simple
cambio en la forma de clasificar las sustancias, fue posible establecer
numerosas relaciones de semejanzas, especialmente en sus características químicas.
Mendeleev tuvo el acierto de dejar espacios huecos para situar elementos hasta
entonces desconocidos, allí donde sospechaba que tenía que haber algún elemento
todavía por descubrir. El químico ruso fue incluso capaz de predecir las
características de estas sustancias todavía desconocidas, que finalmente
terminaron por hallarse, como fue el caso del germanio o del galio.
Sobre la emanación, seguía existiendo el problema de su relación con el
fenómeno de la radiactividad. ¿Cómo encajaba y que vínculo existía con la
emisión de las partículas alfa y beta? Esa era una cuestión clave.
§. Desintegración y recuperación radiactiva
Rutherford y Soddy también se pusieron manos a la
obra para comprobar el fenómeno descubierto por Crookes y Becquerel sobre el
uranio y el uranio X. En su caso, hicieron los experimentos usando el torio, el
elemento habitual que utilizaba en las diferentes prácticas de laboratorio.
Para su sorpresa, también fueron capaces de separar una sustancia del torio que
emitía gran parte de la radiación. De nuevo ignoraban de qué sustancia se
trataba, aunque estaba claro que era químicamente distinta al torio, de modo
que lo llamaron «torio X». Al extraer el torio X del torio, este último perdía
radiactividad a un ritmo exponencial; la misma radiactividad que ganaba el
torio X.
Al final se dieron cuenta de que el torio era capaz
de producir torio X y reemplazar así las muestras que habían perdido actividad.
También lograron establecer que del torio X surgía una emanación. Por tanto,
habían hallado una cadena de acontecimientos: el torio produce torio X, y el
torio X emite emanación.
Soddy y Rutherford fueron más allá de lo que habían
estudiado los equipos europeos al mostrar en gráficas el comportamiento del
torio y su actividad, que crecía de forma exponencial, y del torio X y su línea
de actividad descendente (véase la figura).
Esta gráfica de desintegración y recuperación de la
radiactividad mostraba, por un lado, relaciones de carácter exponencial entre
la actividad y el tiempo para ambos indicadores, cuya suma de valores era un
valor constante (complementariedad). Todo apuntaba a pensar que estos dos
fenómenos no ocurrían por azar, sino que había una relación entre el torio y el
torio X: el torio estaba produciendo una sustancia distinta a sí mismo, es
decir, los átomos de torio X se producían por descomposición de los del torio.
Una relación de parentesco y familiar, como un padre con sus hijas (esta fue de
hecho la expresión que usó Rutherford). Ernest Rutherford resumió estos
descubrimientos del siguiente modo:
La mayor parte de la radiactividad del torio se
debe a un tipo de materia, torio X, que posee propiedades químicas diferentes y
que es temporalmente radiactivo, decayendo su actividad a la mitad en unos
cuatro días.
Más tarde se descubrió que el torio X era en
realidad lo que se llama un isótopo, especialmente radiactivo,
de radio. Las piezas empezaban extrañamente a encajar. ¿Y qué papel desempeñaba
exactamente la radiactividad en todo este proceso? ¿Qué tenía que ver con los
rayos alfa y beta? ¿Era como un producto secundario de otras transmutaciones?
¿O bien intervenía de forma central y decisiva?
«Lo que el pecado es para el moralista, o el crimen
para el jurista, eso es la ignorancia para el hombre de ciencia.»
Frederick Soddy.
La hipótesis que empezaban a confeccionar
Rutherford y Soddy era que tras una emisión alfa, el torio se transformaba en
torio X, y tras otra emisión alfa, este producía la emanación. Esta secuencia
de fenómenos se podía aplicar también al uranio y al polonio. La clave del
problema que permitiría alcanzar la solución residía en las partículas alfa
Cuando Rutherford supo lo que eran las partículas alfa, todas las piezas
hallaron por fin su lugar y mostraron el hermoso paisaje de una nueva rama de
la física que había surgido prácticamente de la nada.
§. La radiación alfa, de nuevo
Existía una completa oscuridad sobre cómo eran los
átomos —Rutherford aún tardaría años en hallar el núcleo— y durante esa época
apenas se tenía conocimiento de los electrones. Aunque se sospechaba que la
energía de la radiactividad procedía de algún modo del corazón de los átomos,
se ignoraba por completo el mecanismo por el que se producía Rutherford apostó
en primer lugar por pensar que la radiactividad surgía debido a que una cierta
perturbación cambiaba la disposición interna de los átomos, creando un estado
de inestabilidad. En ese momento se producirían las emisiones de rayos X y de
radiación beta, lo que daría lugar a una reconfiguración del material, todavía
inestable, y ello ocasionaría nuevas emisiones de radiación tipo alfa Según su
primera hipótesis, la radiactividad era un producto indirecto de un fenómeno de
inestabilidad interna de la configuración atómica, en cierto modo un mecanismo
de tipo secundario. Ya se sabía que los rayos beta se identificaban con los
electrones, de modo que se pensaba que al ser tan poco masivos no podían
perturbar la naturaleza de los átomos. Sin embargo, era necesario poder
explicar qué eran los rayos alfa Se sospechaba que tenían carga positiva Sin
embargo, cuando se había tratado de detectar radiactividad empleando campos
magnéticos, los rayos no modificaban su trayectoria, de modo que parecía que
esta hipótesis tenía que descartarse. Rutherford no se conformó con estos
resultados y decidió volver a intentar este experimento pero recurriendo, esta
vez, a una fuente de rayos alfa de mayor intensidad y a un generador de campos
magnéticos más potente. Los Curie le suministraron radio, y de un departamento
de la Universidad McGill pudo tomar prestado un aparato para generar el campo
magnético (un imán). En otoño de 1902, Rutherford observó que los rayos alfa sí
variaban su trayectoria al pasar por el campo magnético, y lo hacían en
dirección opuesta a los rayos beta, que ya se sabía que tenían carga eléctrica
negativa. Esto se podía interpretar como que su carga eléctrica era positiva.
Si ese hecho no había podido ser revelado hasta aquel momento fue debido a que
las partículas alfa eran mucho más masivas que las partículas beta.
Si unos rayos compuestos por elementos de masa no
despreciable emergían del interior de los átomos, era absurdo no deducir que
estos tenían que representar cambios importantes en la propia estructura
interna de la materia. Esta emisión de rayos alfa se pensó que debía de ser de
hecho la que podía provocar el resto de cambios y emisiones de radiación
observados. Mientras que la emisión de radiación electromagnética o la eyección
de electrones —los rayos beta— no implicaba que se produjera trasmutación del
elemento químico (radiactivo), el hecho de que se emitieran también rayos con
tanta masa exigía revisar esta consideración. Por lo tanto, este descubrimiento
fue clave para que Rutherford y Soddy acabaran proponiendo su teoría de las
desintegraciones radiactivas.
La radiactividad no podía tratarse de un fenómeno
secundario, colateral, sino que había que entenderlo como un aspecto central,
considerando que del seno del material radiactivo se desprendían partículas con
masa similar a la de otros elementos químicos. En 1903, momento en que Soddy
abandonó la Universidad McGill en Montreal para trabajar junto a William Ramsay
en Londres, ya habían terminado de enunciar la teoría de la desintegración
radiactiva, la cual constituía un modelo en el que encajaban todas las piezas
del rompecabezas radiactivo.
§. La desintegración del átomo
Fue, pues, entre 1902 y 1903 cuando Soddy y
Rutherford desarrollaron la teoría de las desintegraciones radiactivas, capaz
de responder al misterio de las emanaciones, de la excitación, de la
desintegración y recuperación radiactiva, y de la transferencia radiactiva,
torio X. Según enunciaron, la radiactividad se producía porque determinado
elemento, como el torio o el uranio, se transformaba en otro elemento, lo que
incluía que en ese proceso re-emitiera partículas alfa y beta. Con la
transformación o desintegración del átomo original —el elemento padre—,
aparecía un nuevo átomo, que es el que se había bautizado como torio X o bien
uranio X, y que en realidad eran otros elementos químicos a su vez radiactivos,
como podían ser el radio o el polonio. Estos se caracterizaban por ser más
inestables y emitir mayor radiación, de modo que, paradójicamente, se
desintegraban mucho más rápido, formando otros elementos también radiactivos.
Rutherford y Soddy describieron con estas palabras su concepción del fenómeno
de la radiactividad: Se demuestra que la radiactividad está acompañada por
cambios químicos en los que se están produciendo continuamente nuevos tipos de
materia. Los productos de estas reacciones son al principio radiactivos, pero
su actividad disminuye de manera regular desde el momento de su formación.
La alquimia
En el curso de las investigaciones, llegó un
momento en el que Soddy exclamó: «Rutherford, esto es transmutación: el torio
se desintegra y transmuta a sí mismo en un gas del grupo del argón».
A lo que Rutherford repuso: «Soddy, no lo llames
transmutación. Nuestras cabezas van a rodar por alquimistas».
En esa época se habían extendido entre la población
numerosas ideas seudocientíficas sobre la transmutación de los elementos.
Proliferaban las asociaciones sobre alquimia, con
sus revistas y congresos.
No contaban con ningún tipo de respaldo ni crédito
por parte del mundo científico, por lo que descubrir que uno de los más
prometedores científicos del mundo se alineara con estos grupos supuso una
conmoción.
Imagen de un laboratorio alquímico, extraída de La historia de la alquimia y
los comienzos de la química, del químico y escritor escocés M. M. Pattison Muir
(1848-1931).
Mientras Rutherford estaba trabajando en la teoría
de la desintegración radiactiva, hubo colegas que le expresaron su miedo a que
sus concepciones sobre la transmutación espontánea de la materia «pudiesen
desacreditar a la Universidad McGill». En una reunión se le llegó a advertir de
que retrasase la publicación de sus descubrimientos hasta que no estuvieran
verificados por completo. Rutherford, que destacó precisamente por cometer
escasos errores en sus experimentos y procedimientos, recibió la advertencia
con tristeza y también con furia por ser consciente de que tales críticas no
estaban en absoluto fundamentadas.
El descubrimiento de la naturaleza de los rayos alfa les permitió afirmar lo
siguiente:
La desintegración del átomo y la expulsión de
partículas cargadas pesadas, con masas del mismo orden que el átomo de
hidrógeno, deja un nuevo sistema más ligero que antes, y poseyendo propiedades
químicas y físicas bastante diferentes del elemento original. El proceso de
desintegración, una vez empezado, procede de nivel a nivel a ritmos que se
pueden medir para cada caso.
Las radiaciones alfa y beta, que Rutherford había
logrado distinguir en años precedentes, se entendieron ahora como una
consecuencia de esa desintegración en el interior de la materia, de esa
inestabilidad esencial de los átomos de elementos radiactivos. Ya no eran
vistas como radiaciones, sino como partículas que escapaban de los átomos, de
tal modo que eso alteraba su estructura, su naturaleza. Los átomos se
transmutaban espontáneamente de un elemento en otro.
«La historia de la humanidad refleja y está
dominada por la cantidad de energía disponible.»
Frederick Soddy.
Rutherford y Soddy introdujeron un vocabulario
especial para referirse a estos elementos. Llamaron «padres» a los elementos
radiactivos, e «hijos» a los átomos en los que se transformaban después de la
desintegración.
Por un lado, había una serie de materiales
radiactivos que existen desde la formación de la Tierra.
Elementos como el torio o el uranio en realidad no
son muy activos radiactivamente, es decir, no son muy inestables comparados con
otros elementos radiactivos, y por esa razón su tiempo de desintegración es más
largo. Sin embargo, cuando se desintegran, lo cual se produce de forma natural
—es un fenómeno aleatorio que solo puede cuantificarse mediante métodos basados
en la estadística—, producen otras sustancias que son mucho más activas.
§. Las familias radiactivas
Con los descubrimientos realizados hasta ese
momento ya era factible tener una cierta visión general sobre la radiactividad.
Al emitir partículas alfa, es decir, núcleos de
helio, el átomo original en realidad ya no existiría como el mismo elemento, y
en su lugar se formaría una sustancia menos estable y que acostumbra a tener
una mayor radiactividad.
En 1904. Rutherford sintetizó mediante estos diagramas todo el conocimiento
adquirido en la época sobre las secuencias radiactivas para distintos
elementos. Se observan cadenas de emisiones de rayos y la transformación del
elemento original en otros elementos, «u Pt» se refiere a partículas alfa y «p
Pt» son los rayos beta. En la actualidad, las familias radiactivas naturales se
reducen a 3: la del torio, la del uranio y la del actinio.
Tal como pudo desvelarse años más tarde, la
radiación beta también deriva de transformaciones fundamentales en el átomo —y
más en concreto en su núcleo, aunque en ese momento Rutherford aún no había
desvelado la estructura interna del átomo—, dado que los electrones y radiación
aparecen cuando un neutrón se desintegra dando lugar a un protón y un electrón.
La inestabilidad del segundo producto de la
desintegración implica que esta se convierte a su vez en un tercer producto,
que también es inestable. ¿Terna todo esto algún fin? Cada vez resultaba más
evidente que habiendo gran cantidad de sustancias radiactivas debían de algún
modo estar emparentadas, formando familias.
En la actualidad se conocen tres familias
radiactivas naturales: la del torio, la del uranio y la del actinio (véase la
figura de página anterior), en las que el proceso de desintegración finaliza
cuando se obtiene un elemento no radiactivo y estable como el plomo. Según la
imagen del propio Rutherford, a la cabeza de la familia se halla un padre, con
un peso atómico muy elevado. El padre tiene descendientes —los hijos— y la saga
se termina en un elemento de naturaleza estable. Cuando observó por vez primera
la radiactividad, Becquerel estaba usando uno de los isótopos del uranio que al
emitir radiación alfa se convierten en torio. Los isótopos son átomos de un
mismo elemento químico pero que difieren en el número de neutrones que
constituyen el núcleo; tienen por tanto distinta masa atómica, pero el número
de protones y electrones es el mismo. El mecanismo por fin había quedado
desvelado gracias a Ernest Rutherford y a su ayudante Frederick Soddy (véanse
más detalles en el anexo la desintegración alfa y beta).
§. Período de semi desintegración o semivida
Desde sus primeras investigaciones con la
radiactividad, Rutherford se había dado cuenta de que el ritmo de las emisiones
radiactivas disminuía con el tiempo. En algunos elementos, la radiactividad
podía agotarse al cabo de pocos segundos, mientras que en otros casos podía
prolongarse durante días o meses.
La expresión matemática del período de semi
desintegración o semivida
Aunque Rutherford era sobre todo un físico
experimental, también trató de plasmar matemáticamente el concepto de
«desintegración» (y de ahí la noción de «semivida») con fórmulas, de modo que
se pudiera expresar el número de átomos de material radiactivo en función del
tiempo. Tal como se ha explicado, el número de desintegraciones atómicas decae
de forma exponencial, de manera que la fórmula matemática que permite
cuantificarlo sería la siguiente. Partiendo de que N0 es
el número de átomos de material radiactivo en el momento inicial, N es
el número de átomos radiactivos en un momento dado:
N = N0e-λt
donde λ es la constante de desintegración
radiactiva para el elemento en cuestión y e es una constante
matemática, el número de Euler (número irracional cuyo valor (truncado) es
2,718...).
Para establecer el ritmo con el que se desintegran
los átomos radiactivos, se deriva la expresión anterior respecto al tiempo:
De este modo es fácil entender que la tasa de
desintegración está relacionada con el número de átomos que quedan en cada
momento. A medida que los átomos se desintegran, la tasa de desintegración
también se reduce. El período de semidesintegración o semivida (T), definido
como el período de tiempo en que el número de átomos radiactivos se reduce a la
mitad, también se puede deducir de la expresión anterior. T es
el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad del número inicial de átomos
radiactivos, esto es,
½N0 = N0e(-T)
Simplificando N0, eλT=
2, o, lo que es lo mismo: λT = ln (2) = 0,693.
Por tanto, el período de semidesintegración es igual a: T =
0,693/λ
Y si bien en un principio parecía que solo los elementos más activos tenían esa
propiedad, al establecer su teoría de la desintegración radiactiva observó que
siempre que había radiactividad, la cantidad de átomos originales tenían que ir
menguando paulatinamente, hasta que no quedara ni rastro.
Rutherford también se dio cuenta de que la duración
de la existencia de un elemento radiactivo era como una huella dactilar que
permitía identificar de qué elemento se trataba. Un elemento con una
desintegración lenta como el uranio podía durar miles de años, mientras que
otros elementos existían durante escasos segundos (en la actualidad se
sintetizan elementos cuya radiactividad se manifiesta en fracciones de
segundo). El científico neozelandés había aprendido que la radiactividad
natural es un fenómeno que se produce de forma probabilística, y, por tanto, es
imposible predecir cuándo se va a producir la siguiente desintegración de forma
exacta. Sin embargo, desde un punto de vista estadístico, las desintegraciones
se producen siguiendo una regularidad. De este modo, aunque es imposible
determinar cuándo va a ocurrir concretamente una desintegración, considerando
las desintegraciones tomadas como un conjunto sí que puede establecerse una
sistemática. Dicho de otro modo, para un elemento radiactivo, la probabilidad
de que en un núcleo de ese elemento se produzca una desintegración por unidad
de tiempo es constante. Este valor constante se conoce como «constante de
desintegración radiactiva» y se representa con la letra lambda (λ).
«La verdadera ciencia enseña, sobre todo, a dudar y
a ser ignorante.»
Ernest Rutherford.
Rutherford consideró conveniente introducir el
concepto de «período de desintegración» o «semivida» de un elemento radiactivo,
definido como el tiempo necesario para que el número de átomos radiactivos que
hay en una muestra se reduzca a la mitad. Este concepto permitía ilustrar la
rapidez con la que una sustancia radiactiva se desintegra para dar lugar a otro
elemento de la familia. Por ejemplo, el período de semidesintegración de uno de
los isótopos del uranio es de 4.500 millones de años (valor que se cree
coincidente con la edad de la Tierra). Existen diferentes variedades del
uranio, cada uno con un período de semidesintegración distinto.
§. La radiactividad y la edad de la tierra
Estas investigaciones tuvieron una extraordinaria
repercusión en otra disciplina científica que se desarrollaba esencialmente al
margen de la física atómica: se trataba de la geología. Rutherford se
encontraba un día paseando por el campus de McGill, y se tropezó con un
profesor de geología, al que preguntó: «¿Cuántos años se supone que tiene la
Tierra?». «Cien millones de años», le respondió el profesor. Entonces
Rutherford tomó un pedazo de pechblenda y le repuso: «Sé, y lo sé como un hecho
objetivo, que este trozo de pechblenda tiene setecientos millones de años». Nos
podemos imaginar la cara de perplejidad del geólogo. Pero ¿cómo osó Rutherford
afirmar tal cosa? Desde el siglo XVIII se tenía la convicción de que el sistema
solar había tenido un origen en el tiempo —se hipotetizaba sobre una nube de
polvo a partir de la cual se originarían el Sol y los planetas—. Se habían
propuesto ingeniosos y variados métodos de datación. Por ejemplo, se calculó
que se requerían unos cien millones de años para explicar la concentración de
sal en los mares y océanos de la Tierra, basándose en los procesos de erosión.
La cifra barbada por el geólogo cuando fue interrogado por Rutherford debió de
basarse en ese método.
El físico y matemático británico William Thomson,
lord Kelvin (1824-1907), fue uno de los principales científicos que se
esforzaron en dar respuesta a esta pregunta. En 1862 publicó un artículo
titulado «Sobre la edad de calor del Sol», en el que, basándose en cálculos
energéticos, llegaba a la conclusión de que su edad se encontraba entre los 24
y los 400 millones de años. Suponiendo que el origen de la Tierra era roca
fundida, se podía calcular el calor emitido hasta alcanzar la situación actual.
Lord Kelvin acotaba, aunque erróneamente, la existencia de la Tierra. También
hizo la proyección de sus cálculos respecto al futuro, y sus conclusiones no
eran optimistas, dado que, según sus consideraciones, el Sol tampoco podría
seguir emitiendo tanta energía por mucho tiempo:
Respecto al futuro, debemos decir con la misma
certeza que los habitantes de la Tierra no podrán continuar disfrutando de la
luz y el calor esenciales para su vida por muchos millones de años, a no ser
que fuentes de calor desconocidas ahora por nosotros estén preparadas en el
gran almacén de la creación.
Una controversia colateral del problema de la edad
de la Tierra se establecía en relación a la teoría de la selección natural.
Darwin había llegado a la conclusión de que era necesario un período de tiempo
más largo que el aceptado por la física para que se pudiera desplegar toda la
variabilidad de vida surgida a partir de la selección natural. El propio Darwin
expresó su preocupación con algunos de sus corresponsales:
Estoy enormemente preocupado por la corta duración
del mundo, de acuerdo con sir W. Thomson, porque para apoyar mis teorías,
necesito un período muy largo antes de la formación del Cámbrico.
Ante esa incongruencia, la física se presentaba
como una disciplina mucho más sólida y venerable que la teoría biológica de la
selección darwiniana, por lo que en el conflicto esta última salía perdiendo, y
ese pudo ser un factor de peso para explicar por qué a principios del siglo XX
la teoría de la selección natural contaba con pocos partidarios. Sin embargo,
las consideraciones y los cálculos consecuentes de lord Kelvin estaban
fuertemente equivocados, tal como probaría Rutherford.
Como ya se ha explicado, un elemento es radiactivo
porque su estructura es de algún modo inestable, y debido al proceso de
desintegración radiactiva adquiere mayor estabilidad. Por ejemplo, el uranio,
con 92 protones, sufre una desintegración alfa por la que pierde dos protones,
de modo que acaba transformado en torio (que es el elemento que ocupa la
posición 90 en la tabla periódica). El torio, a su vez, en una desintegración
alfa, pierde otros dos protones, por lo que se convierte en el elemento que tiene
como número atómico el 88, que resulta ser la posición en la tabla de los
elementos químicos del radio. Este conjunto de procesos de desintegraciones
forma una secuencia de elementos químicos que constituyen una familia
radiactiva natural, la cual termina en el plomo, que es un elemento estable.
La edad de la tierra
En la actualidad se cree que la Tierra tiene 4550
millones de años gracias a la intuición que tuvo Rutherford de usar la
radiactividad para hacer esta estimación (existe un afloramiento de piedra al
norte de Canadá llamada gneis Acasa que se ha calculado que tiene unos cuatro
mil millones de años y que es la más antigua conocida).
Arthur Holmes en 1912.
Sin embargo, este tema no captó el interés del
científico, y lo máximo que llegó a publicar fueron artículos de divulgación
(como el de la revista Harper, titulado «Radio, la causa del
calor de la Tierra»). Otros científicos, como el estadounidense Bertram
Boltwood (1870-1927), dedicaron más tiempo a indagar sobre esta cuestión. Entre
Boltwood y Rutherford llegaron a la conclusión de que el mejor método de
datación era comparar las cantidades de uranio y plomo. Tras muchos cálculos,
se avanzó que la edad de la Tierra tenía que hallarse entre 250 y 1300 millones
de años. El geólogo británico Arthur Holmes (1890-1965) prosiguió los trabajos
de Boltwood y Rutherford, y tuvo en cuenta los diferentes tipos de isótopos de
los elementos radiactivos, cada uno con su distinta vida media, para realizar
los experimentos. Los geólogos, que en un principio habían ignorado este tipo
de estudios, empezaron a asumir los resultados y Holmes publicó en 1927 La
edad de la Tierra, libro en el que aseguraba que la Tierra tenía una
edad comprendida entre 1300 y 3000 millones de años. Sin embargo, las muestras
terrestres no son las más adecuadas para tratar de hallar un valor para el
origen de la Tierra, dado que fenómenos como la tectónica de placas y la
erosión introducen cierto margen de error a los datos basados en la
radiactividad. El actual consenso en referencia a la edad de nuestro planeta
nace de un estudio realizado por el geoquímico Clair Cameron Patterson, quien
en 1953 efectuó las primeras medidas precisas de la Tierra estudiando datos
basados en muestras del impacto de meteoritos. En la actualidad, la cifra se
concreta en 4550 millones de años.
Dado que Rutherford podía determinar el ritmo de desintegración de cada uno de
ellos, tuvo la adecuada idea de considerar que a partir de esta información era
posible establecer la edad de la Tierra. Solo era necesario saber las
cantidades de plomo —que es el producto estable que resulta en la cadena de
desintegración del uranio— en relación con la cantidad de uranio existente en
una mina (en un principio pensó en el helio, pero, al ser un gas, los
resultados obtenidos no serían fiables porque una parte se habría escapado a la
atmósfera).
A pesar de su genial propuesta, Rutherford dejó que
fueran otros científicos los que concretaran los mecanismos por los que se ha
llegado a establecer la edad actual de la Tierra. Sin embargo, sí sintió la
necesidad de escribir algún artículo de divulgación sobre este tema, y también
impartió una charla en el Reino Unido, en la que expuso tales ideas. Allí tuvo
a un oyente de excepción, el propio lord Kelvin. Rutherford explicó el
encuentro como sigue:
Para mi alivio, Kelvin se quedó dormido, pero
cuando llegué al punto importante vi incorporarse al viejo zorro, abrir un ojo
y echarme una mirada siniestra. Entonces tuve una súbita inspiración y dije:
«Lord Kelvin había puesto un límite a la edad de la Tierra, siempre que no se
descubriera ninguna nueva fuente de calor. Esa profética observación alude a lo
que estamos considerando esta noche, la radiactividad». El viejo me sonrió.
La radiactividad se interpretaría como una nueva
fuente de calor que podría estar calentando la Tierra desde su propio interior
—los cálculos de Kelvin, por tanto, aunque correctos, partían de hipótesis
imprecisas— y también podría estar alimentando al propio Sol, de modo que la
edad de la Tierra podría ser mucho mayor de lo que creía el viejo científico,
así como perdurar un tiempo inimaginable según las leyes físicas conocidas en
el siglo XIX.
Según los cálculos de Kelvin, al Sol le restaban
cinco o seis millones de años de vida antes de agotarse, pero según Rutherford
le quedarían aún centenares de millones de años. Al anciano lord Kelvin, sin
embargo, jamás le convenció la nueva ciencia de la radiactividad, a pesar de
que según sus propias palabras la había estudiado con gran atención.
§. La energía
Otro aspecto que no había pasado desapercibido a
ninguno de los protagonistas del hallazgo de la radiactividad, como los Curie o
Rutherford y Soddy, eran las ingentes cantidades de energía que estaban
emanando del seno de la materia, como si los átomos fueran una fuente
inagotable de energía en la que la radiactividad constituiría apenas una
insignificante fuga. Exponiendo agua helada al radio se podía lograr que en
menos de una hora el agua se evaporara. Por no citar las múltiples quemaduras
que su contacto producía a Marie y Pierre Curie y que les obligaba a trabajar
con las manos vendadas. Rutherford y Soddy estimaron la energía desprendida por
un gramo de radio después de todas sus transformaciones en diez mil millones de
calorías. Era energía que estaba contenida en la materia, y si alguien lograra
desatarla de forma incontrolada podría acabar con todo el mundo conocido.
En 1903, Rutherford y Soddy ya adelantaron que con
la radiactividad se manejaban energías que no correspondían a las reacciones:
La radiactividad tiene que entenderse como el
resultado de un proceso que yace totalmente fuera de la esfera de las fuerzas
controlables conocidas... Todas estas consideraciones apuntan a la conclusión
de que la energía latente en el átomo tiene que ser enorme en comparación con
la que se produce libremente en los cambios químicos ordinarios.
También entrevieron que esa energía concentrada en
los átomos radiactivos podría ser en realidad una propiedad intrínseca de todos
los tipos de átomos habidos en el del universo:
No hay ninguna razón para creer que esta gran
cantidad de energía almacenada la posean exclusivamente los radioelementos.
La primera persona en concebir un vínculo entre
masa y energía fue precisamente Soddy, al pensar que podía haber una relación
entre la pérdida de masa que sufría el radio en sus transformaciones con la
cantidad de energía desatada. Sobre esta cuestión, Soddy aseguró:
Es probable que toda la materia pesada posea
—latente y enlazada con la estructura del átomo— una cantidad similar de
energía a la que posee el radio. Si pudiera ser extraída y controlada, ¡menudo
agente sería en transformar el destino del mundo! El hombre que pusiera las
manos en la palanca con la que una naturaleza parsimoniosa regula tan
celosamente la extracción de este almacén de energía poseería un arma con la
que podría destruir la Tierra si quisiera.
Con posterioridad, en 1905, Albert Einstein
introdujo su famosa fórmula, E=mc2, en la que
precisamente explicaba que la masa tema su correspondencia directa con la
energía.
Sin embargo, la fórmula de Einstein no es capaz de
indicar cómo extraer la energía de la materia; se limita a constatar su
relación. El resultado, por otro lado, fue ignorado en el momento en el que
publicó la ecuación y su influencia en los acontecimientos siguientes fue más
bien circunstancial.
Los científicos de aquella época se encontraban con
la radiactividad ante una fuerte de energía impensada, de modo que parecía
necesario esperar a ver si la humanidad podría aprovecharse para bien o para
mal de esa riqueza. Respecto a cómo aprovechar esta energía almacenada, hubo
opiniones dispares.
El químico escocés William Ramsay, premio Nobel de Química de 1904,
trabajando en su laboratorio.
Hacia el final de su vida, en 1933, Rutherford se
mostró muy cauto y escéptico respecto al posible aprovechamiento energético de
la energía:
No podemos controlar la energía atómica hasta el
punto de que pueda tener un valor comercial, y creo que jamás vamos a ser
capaces de lograrlo. Se han dicho muchas tonterías sobre la transmutación.
Nuestro interés en la materia es puramente científico, y los experimentos que
se están llevando a cabo ayudarán a una mejor comprensión de la estructura de
la materia.
Sin embargo, anteriormente, algunas bromas que le
gustaba gastar a Rutherford sobre la energía contenida en los átomos tuvieron
un gran eco. Por ejemplo, existe una en la que se hacía una referencia
implícita a la palanca de Arquímedes con la cual podría mover el mundo, ahora
convertida en detonador:
Si se pudiera encontrar un detonador adecuado,
sería justamente concebible que una onda de desintegración atómica pudiera
iniciarse dentro de la materia y que de hecho pudiera lograr que este viejo
mundo se desvaneciera en humo.
Medio en broma, medio en serio, también hablaba de
la posibilidad de que «algún estúpido en el laboratorio podría ser capaz de
reventar el universo de forma inadvertida». Soddy, por el contrario, era más
optimista y pensaba que la energía nuclear podía ser la promesa de un mundo
mucho mejor, gracias a la cual la Tierra se podría convertir en un «sonriente
Jardín del Edén».
§. De McGill al Nobel
Mientras Rutherford todavía estaba en McGill fue
asumiendo que sus descubrimientos podían acabar reportándole el premio Nobel.
También pensaba, sin embargo, que este reconocimiento solo tendría lugar una
vez transcurridos bastantes años y solo después de de que lo hubiera recibido
su maestro J.J. Thomson. Lo que no podía prever era que no iba a recibirlo en
Física, sino en Química, una disciplina por la que no tenía especial simpatía.
William Thomson, lord Kelvin, conocido, entre otras cosas, por sus estudios
sobre la edad de la Tierra.
El prendo Nobel de Física se había instaurado en
1901 y fue a parar en primer lugar a manos de Röntgen por su descubrimiento de
los rayos X. Ya en 1903, lo recibieron Pierre y Marie Curie, junto a Becquerel.
La radiactividad estaba entre los descubrimientos más importantes de la época,
por lo que era lógico pensar que Rutherford también sería recompensando por el
inmenso trabajo que estaba realizando.
Sin embargo, a pesar de la excelente labor
desarrollada y de contar con todos los medios en McGill, Rutherford mostró
desde su llegada a Montreal un gran interés por retomar a Europa Se sentía
desplazado del centro de la actividad científica y tenía claro que su estancia
en Canadá iba a ser tan breve como fuera posible.
En 1932, varios físicos destacados se reunieron en Münster, Alemania.
Sentados, de izquierda a derecha: James Chadwick, Hans Geiger y Ernest
Rutherford. De pie: George de Hevesy, Elisabeth Geiger, Ilse Meitner y Otto
Hahn.
Así se lo expuso a su mujer «No creo que te importe
que permanezca en Canadá durante unos años más, pero entre tú y yo, no me veo
estableciéndome aquí, ya que espero regresar a Inglaterra algún día».
«Si quiero tener una oportunidad para el premio
Nobel en los próximos años he de mantener mi trabajo en marcha.»
Palabras de Rutherford en una carta a su esposa en 1905.
También comunicó a su mentor J.J. Thomson la
desazón intelectual que le suponía encontrarse tan lejos del Reino Unido:
Después de los años transcurridos en Cavendish, me siento alejado de las
cuestiones científicas, y echo a faltar enormemente las oportunidades de
reunirme con personas interesadas en física Fuera del pequeño círculo del
laboratorio es muy raro que escuche a alguien decir lo que se está haciendo en
alguna parte.
Sin embargo, el puesto le daba la oportunidad de
tener unos ingresos suficientes como para poder mantener a una familia. Por ese
motivo, un año después de llegar a Montreal se dirigió a San Francisco para
tomar desde allí un barco de vapor que le condujo, tras un mes de viaje, a
Nueva Zelanda, con el objetivo de casarse. Rutherford contrajo matrimonio en
1900, y aprovechó su estancia allí para entregar la documentación necesaria a
la Universidad de Nueva Zelanda con el fin de recibir el título de doctor. Después
de una luna de miel por Estados Unidos y Canadá —que Rutherford aprovechó para
recoger muestras de elementos radiactivos para sus posteriores
investigaciones—, la joven pareja regresó a Montreal. En 1901 nació la que
sería su única hija, Eileen Rutherford.
En 1903 Rutherford publicó parte de su teoría de la
radiactividad, y ese mismo año se dirigió a Europa, donde se le concedió el
honor de ser nombrado miembro de la Royal Society.
La radiactividad y el cáncer
Los Curie fueron los primeros en sufrir
literalmente en su propia piel los efectos de la radiactividad, experimentado
consigo mismo los efectos nocivos de la exposición del cuerpo humano. Era
habitual entre los científicos de la época que guardaran los tubos con sales de
radio en el bolsillo y posteriormente se les enrojeciera la piel.
Pierre y Marie Curie en su laboratorio de París, donde realizaron algunos de
sus descubrimientos más trascendentales.
Pierre Curie observó también que tras una larga
exposición al radio, la piel cada vez se enrojecía más, se inflamaba y acababa
por desprenderse. Pierre tenía numerosos dolores y Marie sufrió cataratas y un
aborto probablemente por efecto de la exposición al radio. Rutherford, por el
contrario, jamás manifestó problemas de salud, a pesar de haberse expuesto en
innumerables ocasiones a los efectos de la radiación. La sociedad también acabó
sufriendo las consecuencias de la radiactividad. Los curiosos fenómenos
asociados al radio, como el hecho de que fuera luminoso por la noche, fue
aprovechado para instrumentos militares. Entre 1918 y 1928 se empezó a
comercializar un producto llamado Radithor, que contenía trazas de radio, con
el que se prometía mayor longevidad, aunque en realidad envenenó a la
población. Aparecieron otros compuestos que aseguraban que eran capaces de
evitar la caída del cabello, entre otras ventajas que no eran más que fraudes.
Marie Curie fue una de las primeras científicas en darse cuenta de que si la
radiación podía matar células sanas, también podía hacer lo mismo con células
enfermas, como las cancerosas, para evitar que se reprodujeran, como
efectivamente ocurre. Estaba abriendo las puertas a la radioterapia.
Ese viaje fue muy importante para Rutherford, ya que le dio la oportunidad de
conocer personalmente a todos aquellos científicos que habían estado entre los
pioneros en la carrera por la radioactividad, entre los que se encontraban los
Curie. En junio de 1903, Ernest y su esposa Mary llegaron a París y el
científico neozelandés recordaría de la siguiente manera esa estancia:
Durante el verano visité al Profesor y Madame Curie
en París, y encontré que ésta recibía el grado de doctor en Ciencias el día de
mi llegada. Por la tarde, mi viejo amigo, el profesor Langevin, nos invitó a mi
esposa, a mí, a los Curie y a Perrin a cenar. Después de una animada velada,
nos retiramos sobre las once al jardín, donde el profesor Curie mostró un tubo
recubierto en parte con sulfuro de cinc y que contenía una gran cantidad de
radio en una solución. La luminosidad resultaba brillante en la oscuridad y fue
un final espléndido para un día inolvidable. Entonces no pudimos evitar
observar que las manos del profesor Curie se encontraban en un estado muy
inflamado y penoso debido a la exposición a los rayos del radio. Aquella fue la
primera vez que vi a Curie. Su muerte prematura en un accidente callejero en
1906 constituyó una gran pérdida para la ciencia y particularmente para la
ciencia de la radiactividad, en tan rápido desarrollo.
Al año siguiente, Rutherford huyó de nuevo a
Europa, y aprovechó para impartir dos charlas. Una de ellas fue la conferencia
bakeriana anual de la Royal Society, un gran honor que aprovechó para exponer
sus ideas sobre la desintegración radiactiva. La segunda charla versó sobre la
edad de la Tierra; como ya se ha comentado, entre la audiencia se encontraba
lord Kelvin.
Al estar constituyéndose la radiación y la física
de partículas como una nueva disciplina física, se vio la necesidad de que
existiera también un manual de texto. Rutherford se puso manos a la obra y en
1904 apareció Radiactividad, el primer libro de texto sobre
esta materia. La obra estaba dedicada a J. J. Thomson, quien después de leerlo
aseguró: «Rutherford no solo ha extendido los límites del conocimiento de esta
materia, sino que ha anexionado una nueva provincia».
La fama de Rutherford se empezó a extender por todo
el mundo, y algunos estudiantes brillantes optaron por dirigirse a McGill para
poder trabajar junto al genio neozelandés. Uno de esos estudiantes fue el
químico alemán Otto Hahn, futuro premio Nobel de Química en 1944 por sus
investigaciones sobre la fisión nuclear. En 1906, la revista Nature (junto
con Science, la publicación científica más importante de
temática no específica) dedicaba un artículo a Rutherford en el que se afirmaba
lo siguiente, en relación con sus estudiantes:
El profesor Rutherford inspira la investigación de
estudiantes con su propio entusiasmo y energía Sigue los resultados que
obtienen de forma cercana y se siente tan satisfecho con los descubrimientos de
estos como con los suyos propios. Es la generosidad personificada otorgando un
completo crédito a aquellos que hacen investigación bajo su tutela Cualquiera
de sus colaboradores fue testimonio de la exactitud de las palabras de este
artículo. Tanto Soddy, como Marsden o Geiger, y también James Chadwick pudieron
comprobar que Rutherford les dio el crédito completo por sus investigaciones, a
pesar de estar fuertemente respaldadas por ese torrente de energía que era su
maestro.
Al mismo tiempo que su fama se acrecentaba,
empezaron a llegarle ofertas de universidades estadounidenses, aunque en ese
momento aún no tenían suficiente prestigio y ofrecían una dotación económica
escasa. También desde Londres le llegó otra oferta poco tentadora, que por
tanto rechazó. En 1906, finalmente, le llegó la oferta que estaba anhelando. La
Universidad de Manchester tenía uno de los mejores laboratorios de Física
gracias al buen hacer del director del departamento, Arthur Schuster. Este
profesor pensaba ya en retirarse, pero puso una condición: que su puesto fuera
ocupado por Rutherford. Era la oportunidad que Ernest estaba esperando para
regresar al Reino Unido y contar con un laboratorio de primer nivel con el que
seguir realizando sus pioneras investigaciones. Incluso pensó en Harriet Brooks
—una de las primeras estudiantes de posgraduado de McGill que, después de
trabajar junto a Rutherford en la determinación de la masa atómica del radón,
también colaboró con Marie Curie— para que la acompañara ocupando una de las
becas. Brooks, sin embargo, rechazó la oferta, pues iba a contraer matrimonio,
lo que supuso el definitivo abandono de su carrera profesional.
Incluso el periódico The New York Times se
hizo eco de su marcha de Canadá. En McGill, Rutherford había llegado a publicar
69 trabajos científicos, de los que firmó 19 junto a Soddy. Había logrado fama
mundial, con un enorme reconocimiento por su trabajo, pero su marcha no
supondría ni mucho menos que su rendimiento fuera a flaquear.
«Un enorme almacén de energía latente reside en los
mismos átomos radiactivos.»
Ernest Rutherford.
Rutherford llegó a Mánchester en otoño de 1907 y su
primera preocupación fue disponer de material radiactivo. Desde el Instituto
del Radio de la Academia Austríaca de las Ciencias le ofrecieron compartir con
Ramsay parte de ese material. Tras algunas disputas con este último —Ramsay
solo pensaba dar a Rutherford muestras una vez que él las hubiera usado—, desde
Viena acabaron por ofrecer a Rutherford muestras independientes. Otro aspecto
importante fue contar con un ayudante de primer nivel, y esta vez lo encontró
en Hans Geiger, que había llegado de Erlangen (Alemania) para trabajar junto a
Schuster en 1906.
En Mánchester, las primeras investigaciones de
Rutherford estuvieron dedicadas al análisis de las partículas alfa, iniciado en
1902. Quiso asegurarse de su composición, que ya había adelantado años antes, y
también quiso comprobar que era un tipo de radiación idéntica con independencia
de la fuente radiactiva de la que brotara. Se trataba de una hipótesis que
tampoco contaba con apoyo experimental, y era necesario confirmar este aspecto.
Rutherford y Geiger idearon un tubo que permitía
contabilizar rayos alfa, aparato que tras algunas mejoras añadidas por el
ayudante pasó a llamarse contador Geiger. Gracias al contador
pudieron establecer el número de partículas que emergían de una fuente
radiactiva. Como ya podían determinar la carga total que producía el flujo de
partículas, ello les permitió averiguar la carga de una partícula con tan solo dividir
la carga total capturada por el número de partículas captado. Con este número
en la mano, la identificación de la radiación alfa con el ión helio quedó fuera
de toda duda; es decir, las partículas alfa eran núcleos de helio, átomos de
helio que carecían de sus dos electrones. En esos momentos, por fin había
hallado su corroboración experimental, que posteriormente complementó con un
experimento aún más refinado en el que se podía apreciar el espectro de
absorción de la radiación alfa, que de nuevo era idéntica al espectro del
helio. Precisamente cuando estaba enfrascado en estos experimentos, llegó la
noticia de que iba a recibir el ansiado premio Nobel de Química de 1908. Le fue
otorgado por «sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la
química de las sustancias radiactivas».
Después de viajar a Estocolmo, su mujer refirió por
carta a unos familiares la siguiente anécdota:
«Explicó que había tenido que trabajar durante
largo tiempo con transformaciones de duración variable pero que ninguna había
sido tan rápida como la suya propia, que en un instante había pasado de ser
físico a ser químico».
En la charla, explicó sus indagaciones sobre los
rayos alfa, iniciadas en Cavendish, cuando fue el primero en prestar atención a
este tipo de radiación, y luego en McGill, cuando sospechó que podían ser
partículas de helio —dado que en los yacimientos de minerales radiactivos había
gran cantidad de helio, como había observado Ramsay— y ya sus más recientes
investigaciones en Mánchester, donde corroboró experimentalmente esta
suposición.
Rutherford fue siempre una persona austera, en
consonancia con sus orígenes humildes, pero esta vez aprovechó el dinero
recibido en el premio para adquirir un automóvil. Uno de sus antiguos alumnos,
Otto Hahn, preparó para su maestro un recorrido triunfal por distintas
universidades alemanas, en las que dio charlas y se reunió con numerosos
científicos, a los que, en algunos casos, solo conocía de nombre, por su
trabajo publicado.
Cuando regresó a su trabajo en el laboratorio de
Mánchester, Rutherford rápidamente logró el otro gran éxito de su carrera
profesional y que ya se ha descrito en el primer capítulo de la presente obra:
la detección del núcleo atómico mediante rayos alfa. Estas radiaciones se
habían convertido casi en un talismán para el éxito, un timón que guiaría la
mayor parte de su carrera científica.
Capítulo 4
Hacia la escisión del núcleo
El camino para romper el núcleo atómico se inició
con un sencillo experimento con el que Rutherford arrancó algunos protones del
núcleo de un átomo de nitrógeno. Sin embargo, esta forma de hacer ciencia con
pocos medios e instrumentación sencilla estaba llegando a su límite. Rutherford
fue consciente de que para realizar nuevos descubrimientos era necesario
impulsar la Gran Ciencia, basada en experimentos como los realizados hoy en los
aceleradores de partículas.
Para saber cómo funcionan las cosas, lo mejor es
desmontarlas: es lo que haría cualquier niño curioso, por ejemplo, ante un
aparato eléctrico. Rutherford supo aplicar ese mismo espíritu deconstructor
hasta el núcleo atómico. Desmenuzarlo sería la manera de acceder a aquello que
mantenía celosamente oculto a los ojos humanos.
Rutherford llegó a Mánchester en 1907, al año
siguiente recibiría el premio Nobel y en 1909 ya estaba trabajando junto a
Geiger y Marsden en el modelo atómico, tema que lo mantuvo ocupado hasta 1912.
En esa época, Bohr se incorporó al equipo para introducir las teorías cuánticas
al mundo subatómico. Poco después estalló la Primera Guerra Mundial
(1914-1918), conflicto que tuvo una enorme repercusión también en el mundo
científico: algunos de sus artífices más prometedores y otros destacados
fallecieron en la contienda, y al compás de la guerra los proyectos científicos
se desvanecieron como un sueño, con la destrucción de sus instalaciones, la
mengua de las inversiones y la disolución de grupos de trabajo.
Marsden, colaborador de Rutherford, emigró a Nueva
Zelanda después de la Gran Guerra. Rutherford movió los hilos necesarios para
que pudiera incorporarse sin problemas en la Universidad de Nueva Zelanda como
catedrático de Física. Sin embargo, antes de partir del Reino Unido en 1915,
estuvo trabajando hasta el último momento en una serie de experimentos
dirigidos por el profesor. Antes de su marcha, el último experimento que
desarrolló consistía en bombardear los átomos de nitrógeno gas con partículas alfa.
Esta vez, Marsden observó que de dicho núcleo emergían unas partículas que no
fue capaz de identificar. En principio, creyó que se trataba de un nuevo tipo
de haces radiactivos que pasarían a engrosar a los ya conocidos hasta entonces:
la radiación alfa, beta y gamma. Sus investigaciones quedaron interrumpidas en
este punto por tener que incorporarse al frente.
§. Desgajando el núcleo
Rutherford, sin embargo, no había quedado
satisfecho con esa hipótesis preliminar. La interpretación de Marsden no le
convencía, y por esa razón le pidió permiso para proseguir él mismo con los
experimentos. Tras incorporar algunas mejoras al sistema experimental, siguió
lanzando partículas alfa al nitrógeno gaseoso y pudo comprobar cómo tintinaba
la pantalla detectora debido a ciertas partículas no identificadas. Pero esta
vez pudo comprender que no era un nuevo tipo de radiación, sino que se trataba
en realidad de núcleos de hidrógeno (con una carga positiva). La hipótesis de
Marsden era, pues, errónea, pero el hallazgo requería comprender el origen de
dicha emanación. Todo encajó con una armonía extraña, al tiempo que sencilla y
maravillosa, cuando constató que su origen era el propio núcleo de los átomos
de nitrógeno. En el proceso, los átomos de nitrógeno se transmutaban,
simultáneamente, en oxígeno. Ante sus ojos tema lugar una singular danza,
aunque con una baja eficiencia: solo por una de cada trescientas mil partículas
alfa lanzadas se producía la conversión de nitrógeno en oxígeno. En todo caso,
se trataba de una cantidad suficientemente significativa debido a la baja
densidad de átomos de nitrógeno, al estar en estado gaseoso.
Ernest concluyó que las partículas alfa
colisionaban y eran absorbidas por los núcleos de nitrógeno. Como resultado, el
núcleo resultante era de naturaleza inestable, por lo cual una cierta partícula
procedente del núcleo debía ser emitida para estabilizarlo. Estas partículas
desprendidas del núcleo, de carga positiva y de características idénticas con
el núcleo del hidrógeno, eran lo que hoy conocemos como protones. Por
primera vez en la historia se había logrado identificar las partículas que
componían el núcleo. El nombre de «protón» fue establecido en 1920.
«Los protones dan al átomo su identidad, los
electrones su personalidad.»
Bill Bryson (1951), escritor científico británico.
Si echamos una ojeada a la tabla periódica, veremos
que oxígeno y nitrógeno se encuentran en posiciones contiguas. En ese sentido,
su diferencia reside fundamentalmente en un único protón. Para hacer las
cuentas en el experimento de Rutherford, diríamos hoy que al nitrógeno primero
se le añadían dos protones procedentes de las partículas alfa y luego había que
restarle el que seguidamente era emitido. No era más que una operación de
cálculo básica, pero deducir aquello tenía una profunda transcendencia en la
comprensión de la naturaleza de la materia. Rutherford aplicó su habitual
método para diseñar y ejecutar los experimentos de modo que su interpretación
fuera concluyente e inequívoca y pudo establecer de forma precisa algunas
nuevas ideas sobre los átomos. Para empezar, por primera vez se podía
identificar la carga positiva de los átomos con los protones. El número de
protones del núcleo de un átomo determina el tipo de elemento que es el átomo
(incrementar o disminuir este número modifica, por tanto, la naturaleza de
dicho elemento). En segundo lugar, esto significaba que había dividido el
contenido del núcleo, aunque solo hubiese desgajado un pequeño fragmento. Y lo
había logrado artificialmente con el bombardeo de proyectiles tipo alfa.
En consecuencia, en este proceso se producía por
primera vez en la historia una transmutación de los elementos mediante una
técnica artificial.
En diciembre de 1917, Rutherford escribió a Bohr
informándole de estos nuevos descubrimientos:
He obtenido unos resultados que creo que tendrán
una gran importancia. He detectado —y contado— los átomos más ligeros puestos
en movimiento por partículas alfa y los resultados creo que arrojan mucha luz
sobre el carácter y la distribución de las fuerzas próximas al núcleo [...].
Estoy intentando romper el átomo con este método... Mis mejores deseos para que
paséis una feliz Navidad.
Aunque a sus más estrechos colaboradores pronto
pudo transmitirles las noticias de sus descubrimientos, fue necesario esperar a
que finalizara la guerra para que concluyera el veto sobre las publicaciones
científicas. Vigente durante el conflicto, era una medida excepcional para
evitar que una potencia rival pudiera aprovechar con fines bélicos un resultado
científico. Rutherford publicó sus resultados en una serie de artículos en la
prestigiosa revista científica inglesa Philosophical Magazine. Entre
las conclusiones de su artículo «Colisión de partículas alfa con átomos
ligeros» se podía leer:
A partir de los resultados obtenidos hasta el
momento es difícil ignorar la conclusión de que el gran rango de átomos que
surgen de la colisión de partículas alfa con el nitrógeno no son átomos de
nitrógeno, sino probablemente átomos de hidrógeno [...]. Si este fuera el caso,
tendríamos que concluir que el átomo de nitrógeno se desintegra bajo las
intensas fuerzas desarrolladas en una colisión cercana con una partícula alfa
rápida y que el átomo de hidrógeno que se libera era una parte constituyente
del átomo de nitrógeno.
En este texto también hay sentencias visionarias y
acertadas de lo que iba a ocurrir en los años posteriores:
Si pudieran conseguirse partículas alfa —o
proyectiles similares— de mayor energía para futuros experimentos, sería
esperable la ruptura de la estructura del núcleo atómico de la mayoría de los
átomos en elementos más ligeros.
Rutherford fue capaz de entrever que la física de
partículas experimental se orientaría hacia la construcción de aceleradores de
partículas. La guerra, sin embargo, lo retrasó todo. Hubo que esperar más de
una década para que sus ideas se tomaran realidad.
Numerosos medios se hicieron eco de estos
resultados tras su publicación, porque parecía que de ellos se podía desprender
también la conclusión de que en el mundo subatómico contenía almacenada una
ingente cantidad de energía que tarde o temprano llegaría a ser accesible.
Las partículas alfa y el nitrógeno
Las partículas alfa constan de 2 protones y 2
neutrones (es decir, análogo a los núcleos de helio). Al proyectarlos contra
los núcleos de nitrógeno —que cuenta con 7 protones—, los protones de las
partículas alfa pueden llegar a colisionar con el núcleo atómico e integrarse
en el núcleo de forma transitoria; el núcleo entonces alberga 9 protones. Como
producto final de la desintegración, 8 de ellos se mantienen unidos formando el
núcleo del átomo de oxígeno, mientras que el protón restante sale emitido. El proceso,
en el se incluye también el número de neutrones, aunque en aquella época esta
partícula aún no se había descubierto, se puede expresar del siguiente modo:
(El número inferior a la izquierda del símbolo de
cada elemento representa el número atómico o número de protones, mientras que
el superior hace referencia al número de partículas del núcleo, es decir, a la
suma de protones y neutrones. Véase el anexo A.)
El núcleo del nitrógeno está formado por 7 protones y 7 neutrones. Las
partículas alfa aportan 2 protones y 2 neutrones. Los productos de la reacción
son un átomo de oxígeno (O) con 8 protones y 9 neutrones, y un protón (p+).
En diarios como el The New York Times se pudo leer:
Ahora sabemos, por el calor que se libera en la
desintegración, que la cantidad de energía guardada en el núcleo es [...]
millones de veces mayor que la generada por cualquier reacción química, como la
combustión de carbón.
El descubrimiento de Rutherford pondría a nuestra
disposición «una fuente de energía casi inagotable que transcenderá por
completo cualquier cosa conocida hasta ahora».
En esa época, Rutherford estaba colaborando con la
marina del Reino Unido. Alternaba sus investigaciones con largas y tediosas
reuniones. En una ocasión, sin embargo, envió el siguiente telegrama para
excusar su ausencia: «Si, como tengo razones para creer, he desintegrado el
núcleo de un átomo, esto tiene mucha más significación para mí que la guerra».
Rutherford había desgajado un fragmento del núcleo del átomo mientras el mundo
se había enzarzado literalmente en una guerra.
§. La primera guerra mundial
Mientras que el Imperio austrohúngaro conquistaba
Serbia, Alemania se desplegaba sobre Francia, en un rápido y demoledor ataque
que situó al ejército a las puertas de París. Empezó entonces la guerra de
trincheras, una trampa mortal para millones de jóvenes, donde avanzar unos
pocos metros tenía un coste en vidas humanas y materiales inimaginables. El
número de cadáveres y víctimas en ese frente —muchos de ellos abandonados en la
campiña francesa— fue de cientos de miles, aunque, en realidad, estos solo representan
una pequeña parte de los nueve millones de víctimas con las que se saldó la
guerra.
Esta capacidad para matar y destruir alcanzada por
los ejércitos se debía principalmente al uso de nueva tecnología militar en la
que se aplicaban los últimos descubrimientos científicos. Fritz Haber,
científico alemán de origen judío, realizó una de las contribuciones más
terroríficas cuando desarrolló el gas mostaza. Este gas, que estuvo a
disposición del ejército alemán, era capaz de provocar graves quemaduras y
ampollas. Cuando décadas más tarde se alzó el nazismo con el poder, Haber se
vio obligado a escapar de Alemania, para finalmente instalarse en Palestina.
Rutherford, que era un defensor del universalismo en ciencia, no pudo
perdonarle jamás que inventara ese mortífero gas y se negó a establecer ningún
contacto a pesar de haber caído en desgracia en su propio país.
La aplicación del desarrollo científico no solo
tuvo una vertiente destructiva. En el frente francés, una ambulancia conducida
por Marie Curie, junto a su hija Irène, y en la que se había instalado un
equipo de rayos X, sirvió para hacer radiografías y así diagnosticar de manera
más precisa las causas y el estado de las heridas de los soldados. En total
llegaron a haber veinte unidades de la marca Renault dotadas con esta
tecnología Se estima que se hicieron aproximadamente un millón de radiografías.
Con la guerra, las universidades cesaron su
actividad. En París, la École Nórmale Supérieure se convirtió en un hospital.
En Oxford, apenas quedaron varios centenares de alumnos. En la Universidad de
Mánchester, el equipo de Rutherford también fue diezmado. Jóvenes que fueron
enviados a filas y sacrificados en las trincheras, aunque con el tiempo el
comando de los ejércitos reconoció que estas mentes privilegiadas podían
también contribuir a diseñar nueva tecnología bélica. Sin duda, el conflicto
interrumpió proyectos y carreras científicas prometedoras, y en muchos casos de
forma definitiva.
§. La ciencia. También en guerra
«La guerra ha forzado a la ciencia a ir al frente»,
afirmó, de forma muy descriptiva, el astrónomo estadounidense George Ellery
Hale (1868-1938). Fue realmente así, y ello no tiene que verse necesariamente
como algo del todo negativo. Antes de que estallara la guerra, los centros
académicos actuaban con independencia de la industria y del gobierno. Tras la
Gran Guerra, este hecho cambió para siempre: los centros de investigación
gozaron a partir de entonces del apoyo del Estado en forma de generosas subvenciones.
Los vínculos de la industria y las instituciones académicas también se
estrecharon gracias a que la investigación científica se entendió como un motor
de la economía a través de la innovación. Los vientos de la guerra modelaron en
este sentido el mundo en el que vivimos en la actualidad.
La sinrazón de la guerra, por otro lado, también
provocó grietas profundas en las relaciones entre los científicos de los países
de la Triple Entente y los de la Triple Alianza Investigadores que habían
trabajado juntos súbitamente se vieron enfrentados participando en proyectos
que perseguían la aniquilación del otro. La intromisión de la guerra, con sus
proclamas nacionalistas y llamamientos patrióticos, fue dramática para el
desarrollo científico del momento.
La barbarie que infligió el ejército alemán en
tierras francesas, donde se habían llevado a cabo numerosas atrocidades, sin
respetar vidas humanas, ni tampoco instituciones históricas o bienes
culturales, fue muy criticada en todo el mundo. Como reacción, un grupo formado
por 93 intelectuales y científicos alemanes —entre los que destacaba Max
Planck, pues finalmente retiró su apoyo— elaboraron un manifiesto defendiendo a
sus soldados y tachando las críticas de propaganda. La mayoría de ellos creían
honestamente que sus soldados, a los que se les atribuía una educación
excelente, no podían haber cometido los destrozos y crímenes gratuitos que se
les atribuían. Una vez finalizada la guerra, estos encontronazos entre
científicos alemanes por un lado, y franceses e ingleses por el otro,
desembocaron en la expulsión de los investigadores alemanes de las principales
instituciones científicas europeas.
También hubo científicos que trataron de mediar
para lograr construir puentes y recuperar el discurso unificado e
internacionalista propio de la ciencia. Ante las constantes proclamas para
despedir de las instituciones científicas inglesas o francesas al personal de
origen alemán, personalidades como Thomson, que aún ejercía como presidente del
laboratorio Cavendish, hicieron caso omiso.
James Chadwick
Nacido en 1891 en Manchester, Chadwick estudió en
la Universidad de Cambridge y luego en la de Manchester, donde conoció a
Rutherford. Gracias a los contactos que mantenía su maestro con Geiger,
Cuando estalló la Primera Guerra Mundial, fue
acusado de espionaje y trasladado a un campo de concentración. Después de la
guerra, Rutherford lo acogió en su propia casa y pudo ofrecerle una posición en
Mánchester. Más tarde, creó un cargo como asistente al director en el
laboratorio Cavendish especialmente para él. En mayor parte, su función era
descargar de tareas administrativas a Rutherford, y pudo alternar esta labor
con sus propias investigaciones, dedicadas al bombardeo de núcleos atómicos
mediante partículas alfa. En 1932, inició sus estudios con el berilio,
inspirándose en el trabajo realizado por el matrimonio Irène Curie y Frédéric
Joliot, gracias a lo cual llegó a enunciar el descubrimiento del neutrón, la
otra principal partícula presente en el núcleo de los átomos. Los neutrones se
convertirían por su parte en una nueva herramienta para la investigación, dado
que su neutralidad de carga los hace «invisibles» a los efectos de los campos
eléctricos, y ello posibilita que permitan colisionar con los núcleos atómicos
con más facilidad. Por este trabajo obtuvo el premio Nobel de Física en 1935,
año en que optó por trasladarse a la Universidad de Liverpool, donde le
garantizaron que podría construir un ciclotrón, obra que no aprobaba Rutherford
(el ciclotrón había sido un desarrollo estadounidense, y desde el Viejo
Continente se seguía contemplando con cierta displicencia cualquier propuesta
llegada de Estados Unidos). Seguidamente, participó en numerosos proyectos para
investigar sobre la construcción de una bomba nuclear. En 1945 fue nombrado
caballero y al año siguiente ocupó el puesto de asesor de la comisión de
energía atómica de las Naciones Unidas. James Chadwick falleció el 24 de julio
de 1974.
Algunos de los mejores colaboradores de Rutherford eran de origen alemán, como
Hans Geiger y Otto Hahn, con quienes siguió en contacto. Con el propio Geiger
llegó a escribirse expresándole su deseo de que la guerra no quebrara los
vínculos que siempre habían mantenido. La ciencia tenía que estar por encima de
cualquier frontera Por esta razón, en 1926, cuando Rutherford ya era presidente
de la Royal Society, hizo lo posible para que el veto a los científicos
alemanes desapareciera Otto Hahn participó en el programa para fabricar el
letal gas mostaza, mientras que Geiger, tras ser herido, tuvo que regresar a la
guerra cuando se curaron sus heridas. Afortunadamente, sobrevivió a cuatro años
infernales en el frente. Geiger, además, hizo lo posible para ayudar a los
científicos extranjeros apresados en Alemania, como ocurrió con James Chadwick.
Formado junto a Rutherford, Chadwick logró una beca para ampliar sus estudios
en Alemania junto a Geiger. Este premio, sin embargo, se convirtió muy pronto
en pesadilla. Al estallar la guerra, fue apresado y trasladado a un campo de
concentración —que era en realidad, un antiguo hipódromo— en las proximidades
de Berlín, donde estuvo recluido tres años. Estas penosas circunstancias no
detuvieron su impulso irrefrenable a investigar con la radiactividad. Logró
proveerse de fuentes de radiación y de un laboratorio casero, por ejemplo,
aprovechando productos de consumo como un tipo de pasta de dientes compuesto
por trazas de torio. La radiactividad se había convertido en un reclamo
publicitario en una época en la que se ignoraba las terribles secuelas que
supone cierto nivel de exposición a la misma. El contenido en torio se usó como
fuente de radiación. Entre los materiales que hizo servir para realizar sus
experimentos había también mantequilla rancia En esas circunstancias, contó
además con el apoyo de Geiger, que trató de proporcionarle todo lo que
necesitara para hacer su confinamiento lo más confortable posible.
§. Muerte en el frente
El físico y químico Henry Moseley (1887-1915) fue
uno de los científicos más brillantes de su generación, aunque no pudo llegar a
demostrar su talento porque falleció en la guerra.
De origen británico y de familia adinerada, Moseley
fue capaz de enunciar una de las regularidades más fundamentales escondidas
tras el orden de la tabla periódica Expresado en sus propias palabras, el
principio dice lo siguiente:
Hay una cualidad fundamental en el átomo que se
incrementa con pasos regulares cuando pasamos de un elemento al siguiente. Esta
cualidad solo puede ser la carga del núcleo positivo central.
Las ideas de Moseley fueron anteriores al propio
descubrimiento del protón por parte de Rutherford, y es obvio que este último
las tuvo presentes cuando finalmente fue capaz de detectarlo.
«Esto muestra que el interior de todos los átomos
es muy parecido, y a partir de estos resultados será posible saber algo más de
lo que está hecho tal interior.»
Henry Moseley, en referencia a su concepto de número atómico.
Moseley llegó a la conclusión de que, al observar
las longitudes de onda de rayos X emitidos por los átomos, estas mostraban una
relación directa con el número de cargas positivas, un número que acabó por
conocerse como número atómico (representado con la letra Z).
La diferencia entre el número de protones era lo que diferenciaba un elemento
de otro y lo que determinaba, por tanto, las propiedades fisicoquímicas del
elemento. De esta manera, el número atómico pasaba a sustituir al peso atómico,
que hasta ese momento los químicos habían tomado como referencia fundamental
para identificar un elemento, y determinaba sus características químicas.
Mientras Rutherford y Moseley asistían a un
simposio científico en Nueva Zelanda, estalló la guerra. Moseley, que había
sido presentado ante la comunidad científica como un investigador con un gran
futuro, tuvo que regresar inmediatamente a Gran Bretaña para incorporarse al
frente. Rutherford, que evidentemente por su edad estaba exento de intervenir
directamente en el conflicto, trató de mantener su agenda, que incluía recibir
diversos premios e impartir algunas charlas, pero movilizó a sus contactos en
las altas esferas para lograr que su discípulo pudiera regresar de filas cuanto
antes y retomar a sus experimentos. Existía una razón eminentemente práctica
para convencerles de que estos jóvenes brillantes entre los que se contaba
Moseley no tenían que ir a las trincheras. Por primera vez, la guerra estaba
condicionada por los descubrimientos científicos, y precisamente eran esos
jóvenes investigadores los que podrían desarrollar de forma más eficiente la
tecnología militar necesaria para obtener la victoria.
Rutherford contactó con cargos influyentes en el
ejército. Finalmente, tras explicarles que Moseley sería más útil a su país en
el laboratorio que en el campo de batalla, hubo un cambio de actitud y el
ejército concedió permiso al oficial Moseley para abandonar el frente. Por
desgracia, fue demasiado tarde. En la batalla de Galípoli, mientras estaba
usando el teléfono —otra novedosa invención que fue aprovechada para la guerra—
para pedir ayuda, recibió un impacto de bala en la cabeza y falleció en el acto.
Rutherford se lamentó amargamente de esta pérdida: «Es una tragedia nacional»,
aseguró.
§. En la marina real
Rutherford aceptó la responsabilidad de liderar un
equipo de la Marina Real encargado de diseñar la defensa antisubmarina. Para
los alemanes, los submarinos se habían convertido en una tabla de salvación, ya
que era la manera de sortear la escasez de recursos debido al bloqueo al que
los sometían los aliados. Este tipo de buque era capaz de torpedear y hundir
cualquier barco, de modo que detectarlos acabó siendo una prioridad.
El ejército británico tradicionalmente recibía con
displicencia las sugerencias provenientes del mundo académico y no hizo una
excepción con Rutherford, que se vio obligado a asistir a las reuniones sin que
su opinión se tuviera en cuenta. Sin embargo, no se trataba de una preocupación
puramente británica. Franceses y estadounidenses también estaban detrás del
desarrollo de la tecnología capaz de detectar submarinos.
Rutherford puso todo su empeño en la labor que se
le había encomendado, a pesar de que todas sus recomendaciones cayeran en saco
roto. Habilitó tanques de agua en el laboratorio y usó una pequeña embarcación
facilitada por el ejército —la única concesión que se le otorgó para realizar
su investigación—, que utilizó durante largas jomadas en el mar para comprobar
sus desarrollos. Para calibrar los micrófonos subacuáticos en el laboratorio,
no tuvo mejor alternativa que usar a un lingüista de la universidad que poseía
un gran sentido auditivo. Mientras Rutherford lo sostenía por los pies, el
lingüista mantenía su cabeza y su cuerpo en el interior del agua, atento a los
sonidos que se iban originando.
Durante dos años, y después de empaparse de la obra
científica de lord Rayleigh, que había escrito uno de los tratados
fundamentales sobre acústica, Rutherford desarrolló finalmente el hidrófono.
Este aparato, que se convirtió en su primera y última patente, permitía captar
sonidos debajo del agua y, por tanto, en principio tendría que ser capaz de
detectar la presencia de submarinos. Se basaba en un método pasivo de detección
que aprovechaba materiales piezoeléctricos para convertir las señales sonoras
en eléctricas. A pesar de sus limitaciones —el ruido de todas las embarcaciones
donde se instalaba el aparato lo inutilizaba, de modo que para hacer las
comprobaciones era necesario parar las máquinas—, se usó ampliamente a finales
de la Primera Guerra Mundial.
En 1917, una delegación liderada por Rutherford
viajó primero a París para compartir sus avances con el hidrófono con el resto
de los países aliados. Allí se encontró con Langevin, su viejo amigo, que
también trabajaba en la detección de submarinos, y también pudo ver a Marie
Curie (unida sentimentalmente a Langevin, lo que provocó un escándalo en la
sociedad francesa). Más tarde, la comisión se trasladó a Estados Unidos, donde
Rutherford pudo mostrar los avances realizados en su precedente del sonar a los
estadounidenses (que aunque teman los medios económicos y materiales para
desarrollar estas ideas, iban entonces un paso por detrás en conocimiento
científico). Uno de los consultores del grupo de trabajo estadounidense era un
envejecido Thomas Alva Edison.
Por su parte, Rutherford quiso mejorar su invento
cuando se dio cuenta de que un sistema activo que fuera capaz de emitir sonidos
con la suficiente energía lograría que las ondas sonoras rebotaran en los
cuerpos en movimiento en el agua. Aquí se encuentra el precedente del sonar, y
estas ideas de Rutherford fueron efectivamente aprovechadas por los
estadounidenses, quienes en la Segunda Guerra Mundial pudieron combatir a los
navíos alemanes con los sonares.
«Fui recibido muy bien por el viejo hombre, que se
mostraba tan entusiasmado como lo estaría un colegial.»
Palabras de Rutherford sobre su encuentro con Thomas Alva Edison en Estados
Unidos.
La decepción sobre el entorno militar británico y
la ausencia de apoyo económico para desarrollar sus ideas contribuyeron a
incrementar su escepticismo, hasta que finalmente pudo volver a dedicarse a sus
líneas tradicionales de investigación.
§. Regreso al Cavendish
Durante la guerra, el laboratorio Cavendish, que
seguía bajo la dirección de J.J. Thomson, se había puesto al servicio de la
institución militar. Se anularon clases y proyectos de investigación, de modo
que el fin de la guerra supuso un inmenso reto para intentar volver a situar al
laboratorio en el epicentro de la actividad científica de la época. Hacía falta
ponerlo todo de nuevo en funcionamiento. Thomson acabó por aceptar un cargo en
otra universidad, por lo que su plaza estaba vacante, y el mejor candidato a
sucederle no podía ser otro que Rutherford.
En 1919, Rutherford terminó el año escolar en
Mánchester y regresó a Cavendish. Ahora regresaba como director del
laboratorio, después de obtener el premio Nobel y tras realizar alguno de los
descubrimientos más memorables de la historia de la ciencia durante su época.
Rutherford tuvo que enfrentarse a un desafío de
gran magnitud. Necesitaba, por un lado, obtener financiación, la cual acabó
siendo en buena medida pública gracias al interés que la actividad científica
había despertado en el órgano estatal durante la guerra. Por otro lado,
Rutherford fue capaz de rechazar algunas fuentes de financiación privadas, en
parte guiado por la convicción de que la investigación está unida a la
carestía. Mantuvo la austeridad como una de las señas de identidad del centro,
lo que en algunos casos despertó la incomprensión de sus colaboradores. Su
propia carrera podía ser tomada como ejemplo de que con relativamente pocos
medios se podía llegar muy lejos, aunque en ese momento empezó a entrar en
crisis. Estaban surgiendo nuevas necesidades para la investigación que
requerían presupuestos muy elevados, a menudo debido a necesidades de
instrumental. Rutherford necesitó tiempo para convencerse de que si deseaba
desentrañar los misterios que escondía el núcleo atómico, sería necesario disponer
de dinero y de instalaciones.
Como director del laboratorio, Rutherford tuvo que
gestionar también el incremento del número de estudiantes e investigadores y la
ampliación de las instalaciones. Por encima de todo, dedicó tiempo al equipo de
investigadores, se preocupó por sus problemas y ejerció un liderazgo
indiscutible. Era muy exigente con los resultados, pero al mismo tiempo
inspirador. De este modo, conseguía obtener el máximo rendimiento de sus
estudiantes y unos resultados fuera de lo común. Tuvo la capacidad de rodearse
siempre de los mejores, y de que los que le rodearan acabaran convirtiéndose al
mismo tiempo en los mejores. A su alrededor se formó un vivero de futuros
premios Nobel.
En aquella época, lo más urgente era ocuparse de
los investigadores que trataban de rehacer su vida tras la guerra. Rutherford
también tuvo que hacer frente a esa problemática, y en algunos casos hasta
implicarse personalmente. Un ejemplo fue el de Chadwick, por quien siempre
manifestó un gran aprecio. Al finalizar la guerra, Chadwick fue liberado de su
encierro en el campo de concentración, en un estado físico lamentable y con una
profunda depresión. Con solo veintisiete años, no se sentía con ninguna perspectiva
clara de futuro. Rutherford se ocupó de él y una década más tarde logró
detectar el neutrón y obtener el premio Nobel.
«No tenemos dinero, así que tenemos que pensar.»
Ernest Rutherford.
En ese equipo, que firmó una de las épocas
estelares del centro Cavendish, era imprescindible un matemático. El desarrollo
de la física cuántica se basaba en abstracciones matemáticas que requerían un
gran dominio del cálculo y desarrollos matemáticos. Rutherford carecía de él,
por lo que dio cabida en su laboratorio a uno de los mejores matemáticos de
Cambridge, Ralph
La historia del laboratorio Cavendish
El laboratorio Cavendish es una institución sin la
que no se puede entender parte de la historia reciente de la ciencia, en
especial la física moderna. Surgió en 1874, en plena Revolución industrial y en
un momento de gran competencia económica entre el Reino Unido, Alemania y
Francia. Se trataba de una época en la que existía la convicción de que era
necesario preparar a jóvenes en la experimentación y en la aplicación práctica
de las ideas científicas para así contribuir al desarrollo de nuevas industrias.
En Berlín, ya se había construido un laboratorio de física experimental cuando
Henry Cavendish, duque de Devonshire e industrial, accedió a financiar una
cátedra en Cambridge que recibió su nombre. El primer director del laboratorio
Cavendish fue el extraordinario físico escocés James Clerk Maxwell, quien
contribuyó a dotar al laboratorio de los instrumentos experimentales necesarios
para que pudiera funcionar. Uno de sus objetivos fue estandarizar la medición
de la unidad de resistencia eléctrica, un estudio que contribuyó a que el
laboratorio fuera visto como un lugar que se ocupaba de problemas de algún modo
prácticos. Maxwell falleció prematuramente cinco años más tarde y fue
sustituido por lord Rayleigh, quien puso en marcha un curso de física experimental
que pasó a constituir uno de los ejes centrales de la institución.
El laboratorio Cavendish, en la Universidad de Cambridge, puede verse más
allá del lago.
Rayleigh renunció al cargo en 1884, y entonces fue
sustituido por un joven físico y matemático casi desconocido, J.J. Thomson, que
puso a la institución en busca de la conquista del átomo. A pesar de las
estrecheces económicas en las que vivía el centro —solo se financiaba por las
matrículas de los estudiantes, y el Estado no hacía ninguna contribución a su
mantenimiento—, logró que se convirtiera en un auténtico foco de atención y que
atrajera a los científicos más brillantes. Rutherford, que sucedió a Thomson en
el cargo en 1919, no se vio tan asediado por la financiación gracias a que
desde entonces hubo asignaciones de dinero público. Tras él, le siguió en 1938
William Bragg, con quien se desarrolló la cristalografía por rayos X, técnica
fundamental que permitió fotografiar la molécula de ADN, conduciendo así a la
elucidación de su estructura en doble hélice. En 1954, con el liderazgo de
Nevill Mott, se desarrolló el campo de la física de la materia condensada. Ya
en 1971, tomó las riendas de la institución Brian Pippard, en la que se llevó a
cabo una importante ampliación de las instalaciones. Desde 1984, Sam Edward
redirigió los esfuerzos del laboratorio hacia la materia condensada suave.
Desde 1995, el director del laboratorio es Richard Friend, experto en la
ingeniería de semiconductores basados en el carbono.
Howard Fowler, con la misión de expresar matemáticamente las teorías de física
cuántica que desarrollaban Bohr, Heisenberg o Schrödinger. Este matemático, que
durante la guerra había sido oficial de artillería, también acabó formando
parte de su familia, al casarse con Eileen Rutherford en 1921. Junto a Fowler,
otros físicos que se sintieron atraídos por los proyectos de Rutherford en
Cavendish fueron Patrick Maynard Stuart Blackett, John Cockcroft, Ernest Walton
y Pyotr Kapitsa.
Los años al frente del laboratorio Cavendish lo
mantuvieron absorto en su labor de dirección, hecho que impactó principalmente
en sus propias investigaciones. Aunque mantuvo su propio programa de
investigación, Rutherford se vio obligado a dedicar buena parte de su tiempo a
la administración del centro, y también a hacer frente a la avalancha de
honores y premios que se le concedían por todo el mundo. Realizó constantes y
largos viajes para atender las demandas de su presencia. Entre esos
reconocimientos destacan sus nombramientos como presidente de la Asociación
Británica para el Avance Científico (1923) y presidente de la Royal Society
(1925). Tantas responsabilidades hicieron mella en su productividad científica:
pasó de un ritmo endiablado de publicaciones anuales a que estas prácticamente
desaparecieran.
Una de las pocas teorías científicas originales que
Ernest defendió durante la década de 1920 resultó ser, además, un completo
error. Creyó que el propio núcleo atómico estaba compuesto a su vez por un
núcleo aún más pequeño alrededor del cual girarían otras subpartículas. Es
decir, esperaba encontrar en el núcleo una reproducción a escala de la
estructura del átomo, como si se tratara de una estructura como la de las
muñecas rusas. Bohr cuestionó este planteamiento, y finalmente Rutherford tuvo
que aceptar la evidencia de que estaba equivocado.
¿Había llegado la decadencia en una carrera, por
otro lado, brillante? ¿Era el momento de que se le rindiera a Rutherford el
reconocimiento merecido por sus méritos, sin esperar mayores aportaciones? Su
enorme creatividad y sus constantes inquietudes le impidieron que se atuviera a
esa posibilidad. Ya en 1920, con la impartición de la conferencia bakeriana,
mostró que aún podía tener chispazos geniales y que su capacidad para
trascender su propia época se mantenía intacta.
La celebración como segunda edición de la
conferencia bakeriana apenas tuvo impacto y pasó desapercibida entre la
comunidad científica. Frédéric Joliot, marido de Irène Curie, reconoció más
tarde no haber acudido por considerar que se trataría del «habitual despliegue
de oratoria sin ideas nuevas». Nada más lejos de la realidad y, tal como
veremos a continuación, basado en lo que allí se dijo, le valió a él mismo el
premio Nobel.
En esta conferencia, Rutherford fue capaz de
anteceder algunos de los avances de la ciencia en los siguientes años. Entre
sus pronósticos, todos ellos confirmados, hizo referencia, por ejemplo, a la
existencia del hidrógeno «más pesado», que tendría un núcleo con el doble de
masa del hidrógeno usual, pero que mantendría una estructura basada en un solo
electrón. El deuterio —así se llama este isótopo del hidrógeno— fue descubierto
once años más tarde. También habló en un sentido hipotético y teórico de un isótopo
del helio más ligero, que también se descubrió pocos años después. Pero lo que
realmente convirtió esta charla en algo especialmente visionario reside en el
hecho de que se adelantara en más de una década al descubrimiento del neutrón.
§. Chadwick y el neutrón
Con las siguientes palabras, Rutherford anticipó
algunas de las características que tendría el neutrón, la partícula nuclear que
nadie había sido capaz de detectar hasta ese momento:
Es concebible que un electrón se combine mucho más
próximamente con el núcleo del hidrógeno, formando un tipo de doblete neutro.
Este átomo tendría propiedades noveles. Su campo externo sería prácticamente
nulo, excepto en las proximidades del núcleo, y en consecuencia sería capaz de
moverse libremente por la materia Su presencia sería probablemente muy difícil
de detectar por el espectroscopio, y sería imposible contenerla en un
recipiente sellado. Por otro lado, sería capaz de entrar en la estructura de los
átomos, y podría unirse al núcleo o ser desintegrado por su intenso campo,
dando lugar en la huida a un átomo de hidrógeno cargado o un electrón o ambos.
Tal como Rutherford había indicado, al carecer de
carga eléctrica, el neutrón podría penetrar más fácilmente en la estructura
atómica. Rutherford lo describía como la fusión entre un protón y un electrón,
lo que daría como resultado una partícula con la misma masa que el protón —la
del electrón es en comparación casi nula— y con carga eléctrica neutra Chadwick
centró parte de sus estudios y experimentos en buscar esta partícula Lo hizo de
todas las maneras posibles. «He hecho algunos experimentos absurdos», afirmó
más tarde, aunque añadió: «Pero los más absurdos los hizo Rutherford». A pesar
de estas preliminares impresiones, su esfuerzo, después de años de trabajo,
tuvo su fruto, tras conocer los experimentos realizados por un equipo de
científicos alemán y otro francés.
«Que hay que trabajar seriamente y hay que ser
independiente y no solo buscar la diversión en la vida, esto nos lo dijo
siempre nuestra madre, pero nunca que la ciencia fuera la única carrera que
valía la pena seguir.» — Irène Curie.
En 1928, el equipo alemán formado por Walter Bothe
y Herbert Becker usó partículas alfa procedentes de polonio y las lanzó sobre
berilio. Como resultado, obtuvieron una radiación muy penetrante y de carga
eléctrica neutra Aunque sin estar seguros, los científicos alemanes se
convencieron de que se trataba de radiación gamma.
En el experimento de Chadwick, el polonio se usa como fuente para generar
radiación alfa. Esta radiación sirve para irradiar el berilio, de donde saltan
los neutrones. Estos impactan en un blanco como el plomo, y luego un
amplificador permite registrar la cantidad de los impactos.
Cuatro años más tarde fueron los franceses Irène,
hija de Marie Curie, y su marido, Frédéric Joliot, los que se decidieron a
investigar esa radiación detectada por los científicos alemanes. Se dieron
cuenta de que al exponer parafina a esa radiación neutra, emergían protones.
¿Cómo era posible que la radiación gamma, que carece de masa —se trata de
radiación electromagnética como la luz visible, pero más energética—, fueran
capaz de expulsar protones de un elemento? Había algo que no encajaba, pero
Frédéric e Irène se limitaron a señalar que podría estar relacionado con el
efecto Compton (según el cual la exposición con fotones en una superficie
metálica provoca la emergencia de electrones).
Energéticamente era una suposición incorrecta, dado
que la masa de un protón no es comparable con la de un electrón. La radiación
gamma no podía lograr el efecto observado. Algo no encajaba Chadwick tuvo
noticias de los resultados obtenidos por los franceses y los alemanes. Tras
comentárselo a Rutherford, estuvo de acuerdo en que había algún tipo de error,
de modo que Chadwick se dispuso a reproducir los experimentos para hallarlo y
amplió el número de objetivos a los que someter la radiación alfa: no solo usó
parafina, sino también berilio (véase la figura). Los resultados comparativos
—y también el hecho de darse cuenta de que la radiación emergente era capaz de
penetrar en el plomo— le convencieron de que esta radiación en realidad se
componía de partículas neutras tan masivas como el protón. Contaba con una
ventaja sobre los científicos alemanes y franceses: su maestro había anticipado
la existencia de los neutrones, y era un tema sobre el que habían mantenido
numerosas discusiones. Esto le permitió identificarlos nada más verlos.
Frédéric Joliot e Irene Curie, en cambio, carecían de esos antecedentes y no
fueron capaces de interpretar correctamente la información (lo que les costó un
premio Nobel). Por fin, el rompecabezas atómico parecía completarse. En 1932,
Chadwick escribió un artículo en la revista Nature titulado
«Posible existencia del neutrón», donde anunciaba su descubrimiento.
Para explicar el contexto de su fracaso, Frédéric
Joliot arguyó que aunque el mundo científico había ignorado las ideas de
Rutherford, estas seguían presentes en Cavendish, y esa ventaja fue crucial
para que Chadwick fuera el primero en demostrar la manifestación experimental
del neutrón. Se diría que se trataba de una partícula especialmente escurridiza
y difícil de detectar precisamente por aquello que la caracterizaba: la
ausencia de carga En palabras del propio Frédéric:
Los viejos laboratorios con largas tradiciones
siempre tienen riquezas escondidas. Ideas expresadas, en un tiempo pasado, por
nuestros profesores vivos o muertos, se repiten cientos de veces, y luego se
olvidan, pero consciente o inconscientemente penetran en el pensamiento de
aquellos para quienes trabajan en el viejo laboratorio y, de tanto en tanto,
dan su fruto.
§. Del positrón a la fisión nuclear
Frédéric Joliot e Irène Curie habían desaprovechado
una gran oportunidad para ganar el Nobel, y no sería la única. El físico
teórico británico Paul Dirac (1902-1984) predijo la existencia del positrón en
1928. Cuatro años más tarde, en 1932, el físico estadounidense Cari Anderson
descubrió, estudiando rayos cósmicos mediante una cámara de niebla, la
presencia de una partícula que tenía la misma masa que el electrón, pero con
una particularidad: su carga era positiva. Se trataba del antielectrón o, como
acabó denominándose, del positrón, la partícula de antimateria enunciada por
Dirac. Anderson fue capaz de observarla al darse cuenta de que ante un campo
magnético traza una trayectoria idéntica a los electrones, al tener la misma
masa, pero se desvía en dirección opuesta debido a que su carga es positiva. Su
masa es la misma que la del electrón, pero sus cargas son opuestas. Los
instrumentos de Joliot-Curie también habían detectado la presencia de esta
extraordinaria partícula, pero de nuevo pasó desapercibido a los ojos de la pareja
de científicos. Consideraron entonces que los positrones podían ser un
interesante campo de estudio. De nuevo se sirvieron de polonio como fuente de
partículas alfa, y se dedicaron a bombardear una lámina de aluminio. En cierto
momento de este proceso se emitían positrones, pero lo que llamó su atención es
que, al dejar de emitir radiación alfa, el aluminio —que con el impacto se
había transformado en fósforo— seguía emitiendo radiación. Comprobaron una y
otra vez que todos los instrumentos funcionaran correctamente. Es decir, habían
logrado transformar de forma artificial un material estable como el aluminio en
otro radiactivo. Como resultado de sus observaciones, también pudieron llegar a
la conclusión de que la desintegración que da lugar a la radiactividad podía
producir tanto electrones como positrones (desintegraciones β+ y
β-).
Figura 1: En el proceso de fisión del núcleo del uranio, se bombardea el
uranio con neutrones. El núcleo se divide en dos partes casi iguales, dando
lugar a un átomo de bario (Ba) y kriptón (Kr).
En esta ocasión sí que fueron merecedores de la
recompensa del premio Nobel de Química, en 1935.
El descubrimiento de Chadwick, por otro lado,
condujo al desarrollo de la fisión nuclear, donde los neutrones tienen un papel
crucial. Otto Hahn y Lise Meitner, ambos colaboradores de Rutherford, fueron
los primeros en llevar a cabo este proceso.
La fisión nuclear se basa en el bombardeo con
neutrones de materiales como el uranio, elemento escogido porque era uno de los
más grandes conocidos en la época.
Tal como Rutherford había predicho, el neutrón
podía penetrar más fácilmente en el núcleo, y su impacto produce su rompimiento
o escisión en dos del núcleo original. Esto libera una gran cantidad de
energía, y como resultado de la reacción se obtienen dos nuevos átomos, de
menos masa, en sustitución del uranio original: el bario y el kriptón (figura
1).
Figura 2: Cuando se fisiona uranio con un neutrón, además de partirse en dos
el átomo de uranio, emergen otros tres neutrones, que a su vez pueden provocar
la escisión de otros tres núcleos atómicos. En pocos instantes, esta reacción
en cadena puede liberar una energía extraordinaria; es la base de la bomba
atómica.
Esto supuso una gran sorpresa para Hahn, dado que
ambos son elementos muy ligeros en comparación con el uranio. En realidad, en
un principio, cuando Hahn detectó el bario, ignoraba de dónde había surgido.
Pero en discusiones con Meitner pudieron determinar que el origen estaba en el
bombardeo del uranio con neutrones.
Otro de los productos del proceso de la fisión
nuclear son neutrones, que pueden aprovecharse para escindir a su vez otros
tantos núcleos de uranio atómico. De esta manera, se puede provocar una
reacción en cadena de desintegración nuclear (figura 2).
§. El acelerador de partículas
Kapitsa, Walton y Cockcroft son algunos de los
nombres relacionados con la construcción del primer acelerador de partículas.
Gracias a este instrumento científico se inició la llamada época de la Gran
Ciencia, tanto en lo referente a instalaciones y financiación, como a la
colaboración y coordinación de numerosos equipos de científicos. El propio
Rutherford lo aseguró en 1927 en un discurso a la Royal Society: «El futuro
pertenece a la Gran Ciencia». También afirmó que conseguir «electrones a gran
velocidad y átomos a gran velocidad abriría un campo extraordinariamente
interesante de investigación».
El acelerador se había tomado una necesidad.
Rutherford —que había sido un genio manejando partículas alfa de origen natural
para desentrañar los misterios del átomo— reconocía que este método de
investigar las partículas fundamentales de la materia había alcanzado sus
límites. Si se quería alcanzar un conocimiento más profundo era necesario
aplicar mayor energía a las partículas de forma artificial.
§. Generadores
El secreto estaba en generar la suficiente energía
como para descomponer los núcleos de los átomos. Aunque los primeros cálculos
apuntaban a que la cantidad de energía necesaria para romper un átomo era
inalcanzable, hubo pioneros que no se echaron por ello atrás. Uno de ellos fue
Pyotr Kapitsa, de origen ruso, que tras una visita a Cavendish, en 1921,
decidió permanecer al lado de Rutherford, durante quince años.
«Es un físico absolutamente excepcional y un hombre
muy original.» — Palabras de Pyotr Kapitsa en muestra de la enorme admiración
que tenía por su maestro Rutherford.
Kapitsa era muy dinámico y tenía una gran capacidad
de persuasión, lo que le permitió que Rutherford destinara para sus proyectos
más dinero que para la suma del resto. Este hecho generó más de un encontronazo
debido al trato diferencial que recibían los miembros del equipo. También
instauró unas reuniones informales junto a otros científicos para comunicar sus
ideas. En el club Kapitsa se respiraba un ambiente distendido y, por ejemplo,
fue el lugar que escogió Chadwick para anunciar el descubrimiento del neutrón.
Kapitsa congenió siempre a la perfección con Rutherford, y era uno de los pocos
que se atrevían a bromear en su presencia y a cuestionar sus ideas. Ambos
compartían además una misma concepción de la ciencia y del vínculo entre teoría
y práctica. Para Kapitsa, «la separación de la teoría de la práctica, del
trabajo experimental, y de la práctica sobre todo, perjudica principalmente a
la propia teoría». Kapitsa tenía muy claro que para investigar la materia era
necesario desarrollar in- tensos campos magnéticos, para lo cual se requerían
potentes dinamos. Gracias a los campos magnéticos generados se podría modificar
la trayectoria de todo tipo de partículas con carga eléctrica.
Un repertorio de partículas
Cuando en 1932 Chadwick, colaborador de Rutherford,
descubrió el neutrón, parecía que la última pieza del puzle atómico había sido
descubierta. Se trataba de una partícula que se sumaba al descubrimiento del
electrón, realizado por Thomson, y luego del protón, por parte de Rutherford.
Parecía que se había logrado describir los componentes más elementales de la
materia. Sin embargo, con el desarrollo de los aceleradores de partículas, en
la década de 1950 empezó a tomar cuerpo la idea de que las partículas nucleares
—protones y neutrones— tenían algún tipo de estructura en su interior. Esto
significaba que probablemente existían otras partículas aún más fundamentales
tras las partículas del núcleo. En 1964, el físico estadounidense Murray
Gell-Mann introdujo la idea del quark como respuesta a los resultados
experimentales. Sucesivos descubrimientos permitieron concluir que existen seis
tipos (también llamados «sabores») de quarks: up (u), down (d), charm (c
), strange (s), top (t) y bottom (b).
Según Gell-Mann, cuando los quarks se presentan unidos en una tríada generan
protones y neutrones (lo que se conoce también como «materia bariónica»).
Por ejemplo, la combinación de dos quarks up y
un quark down da lugar a un protón; y un quark up y
dos quarks down producen un neutrón (figura siguiente).
Más descubrimientos
Los quarks, en todo caso, no serian las únicas
partículas elementales que iban a descubrirse. En 1937, el estudio de la
radiación cósmica permitió detectar una nueva partícula a la que se llamó partícula
mu o muón. Como el electrón, tiene carga negativa, pero es 200 veces
más pesada. En 1975, a esta partícula habría que añadir la partícula tau,
también negativa, pero esta vez 3500 veces más pesada que el electrón. Los
electrones, los muones y la partícula tau pasaron a llamarse leptones. En
este grupo también se incluyen tres tipos de neutrinos, que son la
contrapartida simétrica de cada una de las tres partículas anteriores: el
neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico. Además de
estas partículas, los físicos también han señalado la existencia de partículas
que intervienen cuando las partículas anteriores interaccionan entre sí. La más
conocida es el fotón, a la que hay que sumar el gluón, que
surge en las interacciones fuertes y que explica por qué las partículas del
núcleo se encuentran fuertemente sujetas entre sí superando las fuerzas
electrostáticas de repulsión. A estas partículas que actúan como intermediarias
se las conoce también como bosones, y entre ellas hay que
añadir los bosones W y Z, que actúan en las interacciones débiles (en el
recuadro se muestran estas «nuevas» partículas elementales).
Cuando Rutherford y Thomson descorrieron las
cortinas que escondían las partículas elementales del átomo, nadie podía
imaginar que un hervidero de partículas en constante ebullición iba a hacer
acto de presencia.
Fue capaz de crear los campos magnéticos potentes de la época, solo superados
varias décadas más tarde. Los estudios de Kapitsa sobre campos magnéticos
fueron aprovechados posteriormente por Walton y Cockcroft para construir su
acelerador de partículas.
Pyotr Kapitsa
Pyotr Leonidovích Kapitsa (1894-1984) nació en la
localidad rusa de Kronstadt, de padre militar y madre maestra. Estudió
ingeniería en la Universidad de Petrogrado (actual San Petersburgo) y vivió la
Revolución rusa.
El régimen de Stalin En 1934, por orden del propio
Stalin, las autoridades soviéticas impidieron a Kapitsa salir del país, y le
instaron a que a partir de ese momento desarrollara su carrera científica en su
patria. Rutherford hizo campaña para que lo dejaran regresar, pero las
autoridades soviéticas le respondieron de forma contundente: «A Cambridge le
gustaría sin duda tener a los más grandes científicos del mundo en sus
laboratorios tanto como a la Unión Soviética le gustaría disponer de lord
Rutherford». Kapitsa fue nombrado director del Instituto de Problemas de Física
de Moscú, donde trasladó todo el equipo que había adquirido para el laboratorio
de Cambridge (una transacción que incluía en realidad todo el edificio, aunque
en Cambridge reconstruyeron una copia). En 1938, descubrió el estado de la
materia conocido como superfluidez, al observar que había una forma de helio
que carecía de viscosidad. También inventó un dispositivo para la producción
industrial de oxígeno líquido. Kapitsa logró entablar amistad con Stalin, lo
cual le garantizó que su laboratorio contara con algunos privilegios. Trabajó
junto a Lev Landau, físico soviético capaz de explicar la superfluidez
recurriendo a la teoría cuántica. Sin embargo, cuando en 1945 rechazó
participar en el proyecto de construcción de una bomba atómica soviética,
Kapitsa fue apartado de sus cargos. Solo tras la muerte del dictador, en 1953,
logró recuperar su posición al frente del Instituto de Problemas de Física.
Kapitsa murió en Moscú en 1984.
§. Cockcroft y Walton
El físico británico John Douglas Cockcroft
(1897-1967), asistente de Kapitsa en el laboratorio Mond, tenía formación
matemática y había trabajado también en la industria eléctrica, una experiencia
que cuando empezó a trabajar en el laboratorio Cavendish se reveló como
fundamental. Por su parte, el físico irlandés Ernest Thomas Sinton Walton
(1903-1995) se había especializado en hidrodinámica Se sintió totalmente
fascinado por las investigaciones realizadas por Rutherford, a pesar de que
carecía de la experiencia y los
conocimientos necesarios sobre la estructura
atómica También estaba convencido de que el acelerador de partículas iba a ser
uno de los grandes proyectos de la época, y quería participar en él. En 1927,
pudo mostrar a Rutherford uno de sus trabajos relacionados con cilindros y
corrientes de agua realizado gracias a la beca de la Exposición de 1851 (la
misma que había ganado Rutherford). El Profesor se convenció de que podía ser
un buen fichaje.
Rutherford, Cockcroft y Walton iniciaron con esto
una colaboración que se prolongó durante cinco años y que tenía como propósito
dividir el átomo de forma artificial mediante un acelerador de partículas
(véase el anexo B). Primero trabajaron junto a Kapitsa para lograr acelerar
electrones aplicando voltajes muy intensos. En un principio, creyeron que era
necesario aplicar millones de voltios para obtener los resultados deseados
—tarea que parecía fuera de su alcance—, pero Cockcroft leyó un trabajo del físico
y astrónomo ucraniano George Gamow (1904-1968) en el que se aseguraba que con
voltajes bastante inferiores al millón de voltios se podía conseguir el mismo
objetivo. Gamow llegaba a la conclusión de que si se tienen en cuenta fenómenos
cuánticos, partículas que a priori no disponen de la
suficiente energía para alcanzar el núcleo según las leyes de la física
convencionales, en realidad sí logran su objetivo gracias al llamado «efecto
túnel». La meta de alcanzar su propósito era viable.
Walton y Cockcroft se pusieron manos a la obra y
las primeras piezas de lo que sería el acelerador de partículas, que se
ensamblaban en los sótanos de Cavendish, empezaron a llegar en 1928. Se inició
en esos momentos una dura competencia entre laboratorios de distintas partes
del mundo.
A principios de 1930, había por lo menos cinco
participantes en esta sorprendente carrera que buscaba acelerar partículas con
la intención de interrogar el núcleo atómico. En Estados Unidos, por ejemplo,
había varios proyectos, como el dirigido por Ernest Lawrence en la Universidad
de California, donde se inició la construcción de un acelerador circular que
posteriormente se denominó ciclotrón. En Camegie, Merle Tuve,
estaba construyendo un acelerador tan grande que no cabía en ningún edificio,
por lo que se vio obligado a construirlo a la intemperie, con el problema
añadido de que los aparatos se estropeaban constantemente.
Irène Curie y su marido Frédéric Joliot en su laboratorio en 1935, arto en
el que ambos recibieron el premio Nobel de Química por sus trabajos en la
síntesis de nuevos elementos radiactivos.
Con los grandes voltajes se pretendía crear
intensos campos electromagnéticos, que a su vez contribuirían a empujar las
partículas que entraran en su campo de acción. Estas partículas se dirigirían
hacia un blanco fijo, como una fina lámina de metal. En el proyecto de
Cockcroft y Walton —bajo la supervisión de Rutherford— se buscaba la
aceleración de protones para hacerlos colisionar con láminas de litio (que es
el más ligero de los metales).
Ernest Rutherford (centro), Ernest Walton (a su derecha) y John Cockcroft
trabajaron juntos en el laboratorio Cavendish en la tarea de dividir el átomo
de forma artificial con aceleradores de partículas.
Cuando la partícula acelerada golpeara contra los
átomos, su intensa velocidad permitiría suponer que algunos de sus núcleos
recibirían su impacto. ¿Se lograría descomponer el núcleo, tal como ya había
observado Rutherford en 1917? En realidad, nadie sabía las implicaciones si el
experimento acababa por tener éxito, aunque existía la convicción de que
abriría las puertas a una comprensión más profunda de la naturaleza.
En medio de esta carrera tan intensa y emocionante,
Rutherford sufrió uno de los golpes más impactantes de su vida. En 1930
falleció su hija Eileen, cuando estaba dando a luz a su cuarto hijo. Ernest no
pudo superar jamás ese dramático acontecimiento. Envejeció rápidamente, y se
volcó en cuidar a sus nietos. Sus viajes al extranjero se pospusieron o
anularon. El laboratorio y su intensidad intelectual siguieron atrayéndolo,
pero en menor medida. Pocas semanas después de la muerte de su hija, fue
nombrado barón con el título de «lord Rutherford de Nelson». En su escudo de
armas escogió la figura de un guerrero maorí y de un ave, el kiwi, en
reconocimiento a su lugar de origen. Entre otras referencias, escogió una
imagen de Hermes Trismegisto, personaje mítico griego considerado como el
primer alquímico. También había un lema en latín: «primordio, quaerere
rerum», es decir, «investigar en el fundamento de las cosas».
Mientras tanto, Cockcroft y Walton pronto se dieron
cuenta de que necesitaban crear una diferencia de potencial mayor del que
habían calculado en un principio. Sus competidores lograban crear voltajes de
más de un millón de voltios, por lo que a todas luces parecía que estaban en
desventaja. Sin embargo, aún nadie había logrado romper un núcleo atómico, así
que seguían albergando esperanzas. Rutherford, por su parte, continuaba
exigiendo resultados urgentemente, tal como había hecho siempre. Además, sospechaba
que sus alumnos estaban retrasando premeditadamente el inicio de las pruebas
por cierto temor a fracasar.
En 1930, el ciclotrón estaba en funcionamiento con
unos voltees de 1,2 millones de voltios. No obstante, no había conseguido
escindir ningún átomo. El aparato de Walton y Cockcroft, por su parte,
consistía en una torre de unos 4,5 m de alto y con un generador que a duras
penas cabía en el sótano. En 1932 afirmaron haber logrado unos voltajes de
ochocientos mil voltios, que era la cantidad que habían calculado que se
requería para romper el átomo.
Cuando el 14 de abril de 1932 Walton puso en
funcionamiento el acelerador, no había nadie más presente que fuera testigo de
aquellos primeros tintineos que empezó a captar la máquina. Walton era
consciente de que estaba ocurriendo algo importante, por lo que de inmediato
avisó a Cockcroft y a Rutherford para que echaran un vistazo a estos
resultados.
El generador Cockcroft-Walton
El trabajo de Cockcroft y Walton consistió
principalmente en construir un generador de grandes dimensiones, es decir, un
circuito eléctrico capaz de crear grandes voltajes de corriente continua a
partir de bajos voltajes de corriente alterna. Con este generador fueron
capaces de acelerar las partículas a la velocidad suficiente como para
desintegrar el átomo por primera vez en la historia.
Ernest Walton ajustando el funcionamiento del generador Cockcroft-Walton
hacia 1940, con el detector desde el cual se podían realizar las observaciones
de los centelleos tras la desintegración del litio.
Su generador estaba compuesto por una red en forma
de escalera de capacitores y diodos capaz de multiplicar el voltaje. Se trataba
de un sistema muy efectivo y más económico que el uso de transformadores.
Rutherford se puso enseguida a comprobar la naturaleza de los centelleos y los
reconoció inmediatamente como partículas alfa, viejas conocidas que de nuevo
volvían a hacer acto de presencia En ese momento, Rutherford aseguró:
Estos centelleos se parecen poderosamente a
partículas alfa Y yo precisamente debería ser capaz de identificar el centelleo
de una partícula alfa solo con verla, porque estuve en su mismísimo nacimiento.
Las partículas alfa eran en realidad fragmentos de
litio, que se había escindido en dos mitades. Efectivamente, la máquina estaba
captando partículas alfa que, como ya se ha dicho, están compuestas por dos
protones y dos neutrones.
El protón acelerado impacta contra el núcleo de litio, produciendo energía y
escindiéndolo al mismo tiempo en dos partes iguales identificadas como
partículas alfa.
Con su acelerador de partículas habían lanzado un
protón contra un isótopo del litio compuesto por 3 protones y 4 neutrones en su
núcleo. Al impactar con el litio, el protón primero era absorbido por el núcleo
—formando un núcleo inestable de 4 protones y 4 neutrones— y luego se
desencadenaba un proceso de desintegración del átomo en dos mitades iguales
(véase la figura). La división era exacta, de modo que surgían dos partículas,
cada una con dos protones y dos neutrones. Eran las partículas alfa que estaba
registrando el detector. Habían logrado escindir el núcleo atómico por la
mitad.
Rutherford instó a que inmediatamente los dos
investigadores escribieran el artículo científico confirmando el
descubrimiento. Eran los primeros en lograr el ansiado objetivo, y nadie se les
podía adelantar en el último momento. Dos semanas después, la revista Nature anunciaba
el descubrimiento con un texto de Cockcroft y Walton, en el que afirmaban:
El brillo de los centelleos y la densidad de las
pistas observadas en la cámara de expansión sugieren que las partículas
captadas son partículas alfa comunes. Si este punto de vista resulta ser
correcto, es probable que el isótopo de litio de masa 7 de vez en cuando capte
un protón y el núcleo resultante de masa 8 se rompa en dos partículas alfa,
cada una de masa 4 y cada una con una energía de cerca de ocho millones de
electronvoltios. La evolución de la energía en este punto de vista es
aproximadamente de dieciséis millones de electronvoltios por desintegración,
coincidiendo aproximadamente con la que se espera a partir de la disminución de
la masa atómica implicada en tal desintegración.
Casualmente, Einstein tenía programada una visita
al laboratorio pocas semanas más tarde. El físico alemán tuvo ocasión entonces
de conocer a Cockcroft y Walton y también de visitar las instalaciones.
Precisamente, en las reacciones nucleares era necesario recurrir a su
fórmula E = mc2 para explicar que una parte de la
masa implicada al principio del proceso se convertía en energía Después de años
sin poder anunciar ninguna contribución especialmente relevante, Rutherford
había logrado de nuevo ocupar la posición más destacada En el mismo año,
Chadwick también pudo anunciar el descubrimiento del neutrón. Se trataba de
hitos científicos asociados para siempre al gran profesor.
§. El final de una época
Rutherford se había mantenido en las primeras filas
de la innovación científica durante tres décadas, y aún seguía resistiéndose a
ceder el centro de la investigación puntera. Ya había superado los sesenta
años, y todavía había tenido la energía y el entusiasmo suficientes como para
embarcarse en el estudio del deuterio, el hidrógeno pesado que profetizó y que
solo recientemente había sido descubierto. Seguía en continuo contacto por
carta con los científicos más destacados, entre los que se contaban las nuevas
generaciones. Una de las ideas que defendió con ahínco —precisamente en una
época de gran convulsión social y política— es que las ideas científicas
necesitaban ser difundidas, comunicadas y transmitidas. El discurso científico,
por su propia naturaleza, era opuesto a la cerrazón propia de los
patrioterismos. Su raíz era puramente cosmopolita.
En 1933, Rutherford participó en una controversia
científica referida a los posibles usos de la cuantiosa energía liberada de la
fisión de los núcleos atómicos. Era muy crítico con sus posibles usos
comerciales, porque para romper el átomo había sido necesario emplear unas
cantidades asombrosas de energía para acelerar las partículas. Según su punto
de vista, este proceso jamás alcanzaría la eficiencia. Tuvo que matizar esta
opinión tres años más tarde, al darse cuenta de que los neutrones no requerirían
tanta energía para descomponer el núcleo y desatar la energía almacenada en su
interior. «Solo bastaba con que apareciera un método que permitiera producir
neutrones lentos en cantidad suficiente y sin que fuera necesario gastar más
energía.» Sin embargo, hasta el momento no se conocía nada parecido.
§. El nazismo y la ciencia
Rutherford entendía que la colaboración era una de
las piezas fundamentales del progreso científico, y a pesar de que jamás
exponía sus ideas políticas, cuando Adolf Hitler alcanzó el poder en Alemania
en 1933, pudo darse cuenta de que esta tendencia política suponía una verdadera
amenaza para todos sus ideales científicos.
«Estas transformaciones de los átomos son de un
interés extraordinario para los científicos, pero no podemos controlar la
energía atómica hasta el punto que pudiera ser valiosa comercialmente, y creo
que no estamos ni por asomo cerca de lograrlo.»
Ernest Rutherford.
En Alemania empezaron a promulgarse leyes con la
finalidad de expulsar a los judíos de órganos de poder y de las instituciones.
Las universidades no fueron una excepción, de modo que numerosos colegas de
Rutherford fueron expulsados de la universidad y de los centros de
investigación. Uno de los colectivos científicos más brillantes quedó a la
intemperie y expuesto a sufrir toda clase de penurias.
El nazismo no solo persiguió a los científicos
judíos, sino que también trató de hacer desaparecer sus ideas científicas
realizadas. Apostaban por arrinconar la llamada «física judía», en la que
destacaba la relatividad de Albert Einstein, para defender una física aria. Los
propulsores de estas ideas, entre los que se encontraban Johannes Stark
(1874-1957) y Phillpp Lenard (1862-1947), animaron a destruir los libros de
estos autores y a quemarlos en público.
Rutherford se implicó personalmente en ayudar al
colectivo —por ejemplo, hizo las gestiones necesarias para que Born fuera
acogido en la Universidad de Edimburgo— y también dirigió el Consejo de
Asistencia Académica, un organismo que actuaba como red asistencial y que
aspiraba a ayudar a esos científicos a encontrar acogida en universidades del
extranjero.
En una época de fuerte crisis económica y en la que
el antisemitismo estaba muy extendido, Ernest Rutherford se tuvo que enfrentar
a numerosas dificultades y a la incomprensión de sus conciudadanos. El Consejo
tuvo que atender 1300 peticiones de ayuda.
§. La muerte del genio
Rutherford no dejó en ningún momento de impartir
conferencias y ocuparse de sus nietos. La tensión en la que acostumbraba a
mantener al grupo de estudiantes e investigadores del laboratorio Cavendish
—que tan buenos réditos había proporcionado en el pasado— fue disminuyendo, lo
que tuvo una dolorosa contrapartida: sus colaboradores más próximos fueron
alejándose de él. Walton, tras su inmenso éxito con el acelerador de
partículas, acabó por aceptar una cátedra en el Trinity College. También
Chadwick, que en 1935 recibiría el Nobel de Física, decidió partir hacia la
Universidad de Liverpool, cansado de que Rutherford pusiera dificultades para
la construcción de un ciclotrón. Otro caso fue el del físico de origen
australiano Mark Oliphant (1901-2000), que desde 1927 formaba parte del
laboratorio y que había colaborado en lograr la desintegración artificial del
núcleo atómico. En 1937, a Oliphant le ofrecieron dirigir su propio laboratorio
en Birmingham. Al conocer su marcha, Rutherford no pudo más que afirmar: «Estoy
rodeado de colegas desagradecidos». A pesar de la decepción que supusieron para
él estos abandonos, en todo momento Ernest siguió apoyando a «sus muchachos»
—tal como los llamaba—, los recomendó para conseguir sus puestos y se ofreció a
ayudarlos siempre que fuera necesario.
En 1937, Rutherford sufrió una caída mientras
estaba podando un árbol de su jardín. Al dolor se le sumó un malestar que le
hacía vomitar constantemente. Se trataba de una hernia que con la caída había
empeorado. Su mujer recurrió primero a tratamientos naturistas, pero al final
optó por llamar a un cirujano, que se vio obligado a realizar una operación
trivial para la época. Aunque la operación pareció ir bien, su estado decayó.
La muerte era inminente, por lo que con su esposa escribieron rápidamente algunas
cartas de despedida, una de ellas dirigida a Chadwick. El 19 de octubre de
1937, Ernest Rutherford falleció.
Uno de sus estudiantes se refirió una vez a
Rutherford como «una fuerza de la naturaleza». Así se mantuvo hasta poco antes
de morir. Su muerte causó una gran conmoción entre los colegas, colaboradores y
admiradores que había tenido a lo largo de su vida. «El Profesor ha muerto»: la
voz corrió por todas las instituciones científicas del mundo, y nadie tenía
dudas sobre a quién se referían. Bohr, que estaba en un congreso científico
cuando le llegó un telegrama de la mujer de Rutherford, no pudo evitar llorar
cuando comunicó al resto de los asistentes y colegas este trágico desenlace.
Periódicos como el The New York Times, que habían recogido
buena parte de sus proezas y éxitos, también dejaron constancia de su
fallecimiento:
A muy pocos hombres se les ha otorgado el honor de
alcanzar la inmortalidad, y aún menos el de alcanzar el rango del Olimpo
mientras aún estaban con vida. Lord Rutherford consiguió ambas cosas. En una
generación que ha sido testigo de una de las revoluciones más grandes en toda
la historia de la ciencia, fue universalmente reconocido como quien lideró la
exploración del vasto e infinitamente complejo universo que hay dentro del
átomo.
Sus cenizas se enterraron en la abadía de
Westminster, cerca de la tumba de Newton. Años más tarde, como homenaje, el
rutherfordio (Rf) pasó a ocupar el lugar 104 en la tabla periódica: elemento
sintético altamente radiactivo y generado por primera vez en 1964, fue
bautizado en su honor.
Anexo A
Desintegración alfa y beta
La desintegración radiactiva se produce para
determinados elementos debido a que la combinación de protones y neutrones
formando el núcleo, unidos por la llamada interacción nuclear fuerte, tiene un
carácter energéticamente inestable. La mayoría de los elementos con más de 81
protones son radiactivos; es decir, la radiactividad se da principalmente en
átomos pesados, aunque también los elementos más ligeros, por ejemplo el
carbono, tienen isótopos radiactivos, como es el caso del car- bono-14. La
radiactividad se constata porque dichos elementos expulsan partículas
subatómicas de forma espontánea sin ser ello la respuesta a un estímulo
externo.
Para trazar la sucesión de transformaciones que se
producen en el interior del núcleo de un átomo en la desintegración radiactiva,
físicos y químicos emplean dos números: el número atómico y el número másico.
El número atómico se representa con la letra Z e indica el número de protones
que constituyen el núcleo. Cada elemento químico se caracteriza precisamente
por Z, número que es específico y exclusivo, por ejemplo, 6 para el carbono o
14 para el silicio. El número total de partículas que hay en dicho núcleo, que
incluye, por tanto, a los protones y a los neutrones, se indica con el número
másico, simbolizado con la letra A. En resumen: Z = número de protones A =
número de protones más neutrones (número total de partículas constituyentes del
núcleo) A - Z = número de neutrones.
Tal como descubrió Rutherford, existe un tipo de
radiación llamado alfa, y otro tipo al que se denominó beta. Las
partículas a son núcleos de helio (es decir, formados por dos protones y dos
neutrones). Cuando un elemento emite una partícula alfa, significa que pierde
dos protones, lo cual implica que el elemento es ahora distinto, de menor
número atómico (-2), una transmutación del elemento. Por ejemplo, el uranio,
que posee 92 protones, cuando emite una partícula alfa se convierte en torio,
con 90 protones.
La desintegración beta (β) es un fenómeno físico
intrínsecamente más complejo, y ocurre cuando un neutrón se convierte en un
protón o viceversa En este intercambio se generan nuevas partículas. La
desintegración beta evidencia que las partículas fundamentales, «aunque tienen
propiedades bien definidas, no son estructuras permanentes y una de ellas puede
transformarse en otras varias».
La desintegración beta puede clasificarse en dos
tipos por sus respectivos mecanismos de desintegración: desintegración β- y
desintegración β+. En la desintegración β- se emite
un electrón que surge propiamente del núcleo atómico y no debido a la
ionización de uno de los electrones constituyentes de la nube electrónica que
envuelve el núcleo. Uno de los neutrones del núcleo (n) se
escinde, dando lugar a dos partículas: un protón (p+), que permanece
en el núcleo, y la emisión de un electrón (e-). En este proceso
también se genera un antineutrino electrónico (ν’e); se puede
simbolizar así:
N → p+ + e- + ν’e.
Al variar el número de protones (+1), varía en
número atómico y, por tanto, se convierte en un elemento químico distinto. En
cambio, el número másico permanece inalterado (el átomo pierde un neutrón, pero
gana un protón). Por ejemplo, esto es lo que ocurre con el isótopo del
torio 23490Th. Tras una desintegración beta en la
que emite un electrón, el átomo se convierte en un isótopo del protactinio que
se representa por 23491Pa.
La segunda forma de desintegración beta se
representa por β+, y da lugar a un positrón (e+), que es
una antipartícula, un partícula con la misma masa que el electrón, pero con
carga positiva. En ese caso, en el núcleo se pierde un protón, dando lugar a un
neutrón, un positrón y un neutrino electrónico. Esto significa que de nuevo el
número de partículas del núcleo permanece inalterado (en lugar de un protón se
obtiene un neutrón) y el elemento se transmuta esta vez, perdiendo un protón
—cambia su identidad química—. Es el caso del nitrógeno 137N,
que en la emisión de un positrón se convierte en un isótopo de carbono
representado por 136C. La desintegración β+ se
representa de la siguiente manera
P+→ n + e++v’e-.
§. La radiación gamma
La emisión de radiación gamma difiere de los
procesos de desintegración alfa y beta en que en lugar de partículas emite
radiación electromagnética, fotones muy energéticos. Se produce en muchas fases
de los procesos radiactivos por causas diversas, como por ejemplo cuando una
partícula del núcleo pasa de un estado excitado a su estado fundamental. En
este fenómeno no se producen variaciones en los constituyentes del núcleo (ni
del átomo). Sin embargo, debido a su altísima energía, la radiación generada es
la más penetrante y dañina, capaz de interaccionar con las células y
producirles alteraciones por interacción con la cadena de ADN.
§. El poder de penetración
Características de las radiaciones alfa, beta y
gamma son sus diferencias en cuanto a poder de penetración e ionización. Como
la radiación beta está constituida por electrones o por positrones, de masa
mucho menor que la partícula alfa, para una energía dada pueden adquirir más
momento. La radiación alfa, en cambio, al estar formada por dos protones y dos
neutrones, es absorbida con mayor facilidad por la materia. La masa de un
protón o un neutrón es casi dos mil veces la masa del electrón, de modo que la
probabilidad de colisión y magnitud de la interacción es significativamente
mayor, lo que explica que el poder de penetración de los rayos alfa sea mucho
menor.
El gráfico representa la tendencia en cuanto a variación de los números
atómico y másico, resultado de los procesos de desintegración alfa y beta. Al
final de la secuencia de desintegración se encuentra el plomo (Pb), en su
isótopo no radiactivo.
La radiación gamma, en cambio, no es propiamente
una partícula masiva, sino que se trata de una onda electromagnética, semejante
a la luz visible, pero mucho más energética
§. Las series radiactivas
Las desintegraciones radiactivas producen en
general elementos que a su vez son radiactivos, de modo que dan lugar a nuevas
desintegraciones. En último término, de estas cadenas radiactivas se acaba
formando un elemento que es estable, de modo que queda cerrado el ciclo de
transformaciones. En la naturaleza se conocen tres series radiactivas: la serie
del uranio (véase la figura), la del actinio y la del torio.
Anexo B
Los aceleradores de partículas
Gracias a unas instalaciones llamadas aceleradores
de partículas, se puede hacer impactar partículas elementales como
protones o electrones contra otras partículas o contra átomos en condiciones de
extremo vacío y altísimas energías. El estudio de las partículas resultantes y
el análisis de las energías implicadas en las colisiones proporciona valiosa
información para conocer la intimísima estructura de la materia. Además
constituye una fuente de radiación («luz») que posibilita la comprensión de
todo tipo de materiales mediante su caracterización detallada.
Desde que en el año 1930 se construyera el primer
acelerador de partículas, la tecnología de este tipo de dispositivos e
instalaciones no ha dejado de desarrollarse (véase la gráfica). El parámetro
más evidente ha sido el incremento de las energías a las que pueden someterse
las partículas. Esto es necesario, por ejemplo, para reproducir las condiciones
por las que se forma la materia en los procesos de fisión atómica en las
estrellas, o para descubrir los constituyentes básicos. Quarks y leptones nos serían
probablemente desconocidos de no ser por los aceleradores de partículas.
El acelerador de corriente continua de Walton y
Cockcroft, basado en la rectificación de corriente alterna, logró generar una
energía de 260 keV, que se empleó para bombardear protones y lanzarlos contra
un blanco fijo consistente en una lámina de litio. Tras el impacto, el átomo de
litio se puede escindir en dos rayos alfa.
En este diagrama de Livingston se recoge la evolución de la tecnología en
aceleradores de partículas, principalmente en relación con su incremento
progresivo de la energía implicada.
El acelerador de Van de Graaff, creado en el
Massachusetts Institute of Technology, también está basado en un fenómeno de
electricidad electrostática. Se empezó a construir en 1929 y en 1933 ya estaba
operativo. Emplea una correa para acumular cargas eléctricas en una esfera. En
la actualidad los aceleradores de Van de Graaff siguen siendo muy populares y
con ellos se han llegado a establecer diferencias de potencial de hasta 20 MeV.
El uso de corriente alterna supuso un salto
cualitativo en el campo de los aceleradores de partículas.
Las partículas se aceleran entre fragmento y fragmento de tubo, y al final
del recorrido alcanzan una gran velocidad.
El estadounidense Luis Alvarez diseñó el famoso
acelerador lineal (LINAC) en 1948 (fi- gura 1). Un acelerador lineal se basa en
la siguiente estructura: una fuente de partículas cargadas, por ejemplo, un
cátodo del cual se extraen las partículas que se quieren utilizar mediante la
aplicación de un alto voltaje. Para dar un mayor momento (velocidad) al haz de
partículas generado, se las acelera de forma incremental mediante la aplicación
de campos eléctricos alternos coordinados con el paso de las partículas
cargadas. El diseño del específico depende fuertemente de la naturaleza y
características de las partículas, sean electrones, protones, iones..., esto
es, en términos de su masa, carga, etc., y de la energía que se desee
transferir al haz de partículas.
También existen aceleradores circulares: los
ciclotrones (figura 2) y los sincrotrones. El primer ciclotrón fue desarrollado
por el físico estadounidense Ernest Lawrence en 1932. Siete años más tarde, en
1939, este trabajo le reportaría el premio Nobel de Física, en plena
competición por el desarrollo del primer acelerador de partículas. La idea en
que se basó su invento consistía en acelerar las partículas mediante sucesivas
interacciones de la partícula cargada con el campo magnético proveniente de un
potente electroimán.
Los electrones se introducen en el ciclotrón por la parte central y se les
somete a un campo magnético que les obliga a trazar una trayectoria en
semicírculo. Una vez completada, un campo eléctrico entre los dos semicírculos
acelera linealmente los electrones hasta penetrar en el otro campo magnético
inverso. Al ir adquiriendo más energía, los semicírculos descritos por los
electrones son de radio mayor con cada ciclo que se completa, hasta que
finalmente se extrae el haz a una velocidad muy elevada.
La trayectoria de las partículas es de tipo arco o
curvilíneo debido a la interacción con el campo magnético que se aplica y de
ahí su nombre, lo que evita que se tenga que recurrir a grandes voltajes. Los
ciclotrones tienen una forma de dos letras D huecas. Lawrence consiguió
transferir mediante esta aproximación una energía de hasta de 1,25 MeV.
Los sincrotrones son similares a los ciclotrones
por el hecho de que las partículas describen trayectorias curvilíneas y porque
están basados en electroimanes, pero circulan en una trayectoria cerrada. La
diferencia principal en los elementos que los componen estriba en las
configuraciones de los campos electromagnéticos, que en el caso de los
sincrotrones son muy sofisticadas, incluyendo desde los simples dipolos
electromagnéticos hasta complejas configuraciones, cuadrupolares, octupolares,
etc. La complejidad se ve compensada por las condiciones en que permite
realizar los experimentos, la más alta energía. Como las partículas aceleradas
son, por ejemplo, electrones, partículas cargadas, estas emiten una radiación
electromagnética conocida como «luz sincrotrón», debido a que una trayectoria
circular implica que la velocidad de la partícula varía de forma instantánea,
de modo que emite radiación. Se han extraído toda clase de utilidades de esta
radiación, por ejemplo médicas.
En último lugar, a partir de la década de 1960
destaca la aplicación de los sincrotrones como colisionadores; se hace circular
dos partículas aceleradas en direcciones opuestas que finalmente colisionan.
Estas interaccionan e implican grandes cantidades de energía (el doble que si
se acelera solo una partícula). Entre las partículas que se hacen colisionar
están un electrón y un positrón, o bien dos protones. Uno de los primeros en
ponerse en funcionamiento fue el SPEAR, ubicado en Stanford (Estados Unidos), y
que sigue estando operativo.
Los colisionadores han conseguido grandes logros en
física de partículas. Entre los más importantes se encuentra el Tevatrón en el
Fermilab, en Illinois, Estados Unidos, donde se aceleran protones y
antiprotones en un circuito circular que mide más de seis kilómetros. En
funcionamiento desde 1987, cada partícula alcanza 0,9 TeV. En 1995 en estas
instalaciones se descubrió el quark top.
El mayor colisionador —y el instrumento científico
más grande y caro de todos los tiempos— es el gran colisionador de hadrones
(LHC, por la sigla en inglés de Large Hadron Collider). Ubicado en el CERN
(Organización Europea para la Investigación Nuclear), cerca de Ginebra, en la
frontera franco-suiza, su misión es la de permitir colisionar protones con una
potencia que se cree que podrá llegar en los próximos años hasta los 7 TeV por
cada protón. En abril de 2012 ya se alcanzó el récord con una colisión de hasta
8 TeV (dos haces de protones de 4 TeV circulando en sentido opuesto). Se trata
de una extraordinaria herramienta de experimentación, en la que los protones se
aceleran a casi la velocidad de la luz y en su colisión se estima que se
reproducen algunas de las condiciones que se dieron en el Big Bang. Tras
ponerse en funcionamiento en 2008 de forma fallida, reinició de nuevo su marcha
regular en 2009, aunque las primeras colisiones no tuvieron lugar hasta el año
siguiente. Este colisionador permitió confirmar la existencia de una partícula
«consistente con el boson de Higgs», un ingrediente fundamental para entender
por qué las partículas tienen masa, según el modelo estándar de la física de
partículas. El descubrimiento se anunció el 4 de julio de 2012.
Lecturas recomendadas
·
Aczel, A., Las guerras del uranio, Barcelona, RBA,
2012.
·
Bryson, B., Una breve historia de casi todo, Barcelona,
RBA 2003.
·
Gamow, G., Biografía de la física, Madrid, Alianza,
2011.
·
Gribbin, J., Historia de la ciencia, 1543-2001, Barcelona,
Crítica, 2003.
·
Hooft, G., Partículas elementales, Barcelona,
Drakontos, 2008.
·
Kragh, H., Generaciones cuánticas: una historia de la física en
el siglo XX, Madrid, Akal, 2007.
·
Pullman, B., El átomo en la historia de la humanidad, Barcelona,
Ediciones de Intervención Cultural, 2010.
·
Sánchez Ron, J.M., Historia de la física cuántica, Barcelona,
Crítica, 2001.
·
Teresi D. y Lederman L., La partícula divina, Barcelona,
Drakontos, 2007.
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