Unadescripcióndelexperimento delosCurie J.M.LópezSancho1(IFF‐CSIC.ElCSICenlaEscuela) E.MorenoGómez2(VACC‐CSIC.ElCSICenlaEscuela) 1.josem.lopez@csic.es2.esteban@orgc.csic.es U M na us de eo sc Vi rip rtu ció al n de de la l ex C pe ie r nc im ia en de to l C de SI lo C s ,2 C 01 uri 4. e. Palabrasclave Curie,radiactividad,Roentgen,Rutherford,experimento,cámaraionización, piezoeléctrico,electrómetro. Resumen Describimosbrevementelosantecedentesyelparadigmacientíficoquerodearon lasexperienciasdelosCurieaprincipiosdelsigloXX. RealizamosunestudiodelequipamientoutilizadoenellaboratoriodeMarieCurie conlosesquemasdefuncionamientodelosdistintosinstrumentosdemediday,a mododeejemplo,recreamosunprocesotípicodemedidadelosrealizadospor MarieCurie. EstapublicaciónsecomplementaconelLaboratorioCuriepublicadoenelMuseo VirtualdelaCienciadelCSIC. Antecedentes Estamosen1897.RoentgenacabadedescubrirlosrayosX.Entreotras propiedadestienenlacapacidaddeatravesarcuerposopacosydeionizarlosgases yhacerlosconductores.Estaúltimacaracterísticaladescubrióutilizandoun aparatosimilaralquepresentamosenlafigurasiguiente. Esemismoaño,inspiradoporlosresultadosdeRoentgen,Becquerelhabía descubiertolaexistenciadeunanuevaradiacciónemitidaporeluranioycon característicassimlaresalasdelosrayosX,yaquetambienatravesabanlos cuerposopacosalaluzvisbleeimpresioanbanlasplacasfotográficas. Comoeslógico,BecquerelrepitiólosexperimentosdeRoentgensobre conductividadinducidaengasesconelpropósitodecomprobarsilosnuevosrayos uránicostambiénlaproducían.Elexperimentolorealizócolocandosalesdeuranio enelfondodeunfrascoqueconteníaunelectrómetrodehojasdeoro,talcomo describeenlapágina18desulibroSurunepropiéténouvelledelamatiere.Las salespodíancubrirsepordiferentespantallas:papel,láminasdemetaldediferrnes grosores,etc.,paradeterminarsupoderdepenetración. Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html U M na us de eo sc Vi rip rtu ció al n de de la l ex C pe ie r nc im ia en de to l C de SI lo C s ,2 C 01 uri 4. e. Apesardequesusdeterminacionesnollegaronasercuantitativaseste experimentoconstituyeelprimerestudiosobrelaspropiedadesdelosnuevos rayos. Enesamismaobrapresentaalgunosresultadosexperimentales,comolosdela Figura1. Figura 1. Electrómetro y tabla de resultados de Becquerel. Modificado de Recherches sur une propriété nouvelle de la matière. Becquerel 1903. EstapropiedadionizarlasmoléculasdelosgaseseslaqueutilizarontantoMarie CuriecomoRutherfordparacomenzarsusexperimentossobrefísicanuclear, aunquecondiferentesobjetivos.Marie,paradescubrirlosnuevoselementos radiactivosyRutherfordparaestudiarenprofundidadlanaturalezadela radiaciónylascaracterísticasdelnúcleo. SobreestetemaMarieintroduce,ensuautobiografía,elsiguientecomentario: “Meparecióqueloprimeroquedebíahacererallevaracabomedidasprecisasdel fenómeno.Yparaellodecidíutilizarlapropiedaddelosrayosqueproducíala descargadelelectroscopio.Noobstante,envezdeutilizarelelectroscopio normalmenteutilizadoparaelloutilicéunaparatodemásprecisión”. Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html SistemaexperimentaldeCurie Comoesnatural,elprimerelementoqueeranecesariodiseñarparadeterminarla conductividaddelairesometidoalasradiacionesuránicaseralacámarade ionización. U M na us de eo sc Vi rip rtu ció al n de de la l ex C pe ie r nc im ia en de to l C de SI lo C s ,2 C 01 uri 4. e. Elfuncionamientodeunacámaradeionizaciónesmuysimple(sepuedeverun esquemaanimadoenelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC).Elaireesionizado porefectodelaradiacióndelamuestraintroducidaenlacámara,produciéndose ionespositivosyelectroneslibres.Losionespositivossedirigenalaplacanegativa yloselectronescorrespondientesalaplacapositiva,aportando,duranteeltiempo tqueduraelexperimento,unacargatotalQacadaplaca(Figura2). Figura 2. Fotograma de la animación que muestra el funcionamiento de una Cámara de ionización. J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez (2014). Lacorrientedeionizaciónresultantees, I=Q/t queenelcasodelexperimentodequenosocupaesdelordendelpicoamperio (10‐12Amperios).ElproblemaconqueseenfrentabaMarieCurieeraeldemedir conexactitudestacorriente. Alolargodesusexperimentosdebiódeutilizarvariascámarasdeionización:En sutratadoderadioactividaddescribeunaconanillodeguarda. Polarizandolaplacainferiorconunos100voltiosyconectandolaplacacentral superioraunpicoamperímetrodelosqueseencuentranactualmenteenel mercado(deresistenciaprácticamentenula),lamedidanotendríaninguna dificultad. Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html PeroafinalesdelsigloXIXnoexistíaninstrumentosdeesetipo.Sólosedisponíade electroscopiosodeelectrómetrosdeltipodeKelvin,decuadrantes,demanejo muydelicado(yque,enrealidad,medíanvoltajes). EsseguroqueensusexperimentospreviosMarieutilizóunodeesos electrómetrosparamedirlacaídadetensiónproducidaenlacámaracomo resultadodelaionizacióndelaire,comohizoRutherford(sepuedeverun esquemaanimadoenelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC). U M na us de eo sc Vi rip rtu ció al n de de la l ex C pe ie r nc im ia en de to l C de SI lo C s ,2 C 01 uri 4. e. Antesdecomenzarelexperimentolaplacapositivadelacámaradeionizaciónse encuentraconectadaatierra.Enelinstanteinicialseeliminaesaconexión,de maneraquelacargapositivaquedesaparecedelaarmadurapositivanopuedeser reemplazacomoenlaanimaciónanterior,yaquelaresistenciadelelectrómetroes prácticamenteinfinita.Comoresultado,encadaintervalodetiempodtlacorriente deionescedealasplacasunacarga dq=I·dt EstacargaproduceunavariacióndetensióndVenlosbornesdelvoltímetro, dV=dq/C dondeClacapacidadtotaldelsistemademedida. Elgeneradorpiezoeléctrico Perolacapacidaddelsistemademedidaerademasiado grande,delordendelos150picofaradiosylas intensidadesdebidasalaionizacióndelairemuy débiles(avecesinferioraunpicoamperio,comohemos dicho),porloqueestemontajenoerasuficientemente sensible. PorelloPierreyMarieCurieconstruyeronunbancode medidasconunelectrómetrodecuadrantesmuy sensible,diseñadoporPierreCurie(queactuabacomo voltímetrodetectordecero)yungeneradorde corrientequecompensabalaquedesaparecíadelaFigura 3. G. Piezoeléctrico.CSIC. armadurapositivadelacámaraporlallegadadeloselectrones deionizacióndelaire.EstegeneradorpiezoeléctricofuediseñadoporJacquesy PierreCurie,(descubridoresdelapiezoelectricidad),algunosañosantes,elCSIC conservaunoubicadoenelMuseoNacionaldeCienciasNaturales(Figura3). Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html U M na us de eo sc Vi rip rtu ció al n de de la l ex C pe ie r nc im ia en de to l C de SI lo C s ,2 C 01 uri 4. e. Su funcionamiento es muy fácil de entender (sepuedeverunesquemaanimadoen elMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC). Cuando se estira un cristal de cuarzo (Figura 3) cortado de forma apropiada, aparecen cargas en las caras perpendiculares a la dirección de la fuerza. Estas cargas de superficie inducen, a su vez, cargas en las armaduras que las recubren. Cuando se aumenta el valor de la fuerza aplicada aumenta la carga cautiva en sus láminas laterales, y cuando esa fuerza disminuye el aparato libera parte de la carga cautiva. Figura 3. Fotograma de la animación que muestra el funcionamiento de un Generador Piezoeléctrico. J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez (2014). Laintroduccióndeesteinstrumentoenelmétododemedidaesunaaportación importantedePierreyMarieCuriealprocesodemedidadebajascorrientes,que seutilizóhastalosañoscuarentadelsiglopasadoenqueaparecieronlos amplificadoresdetuboselectrónicos. Elesquemageneraldelbancodemedidas(Figura4),talcomolorepresentóen TraitédeRadiactivité(M.Curie,1910). Figura 4. Esquema general del banco de medidas. Modificado de Curie, 1910. Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html Elexperimento Sobrelamesaexperimentalestánsituadoslosseiselementosqueintervienen:la cámaradeionizaciónCI,labateríadepolarizaciónB2,elgeneradordecorriente piezoeléctricoGP(uncuarzomontadocomogeneradordecarga,delamaneraque sedescribeenlafichacorrespondiente),elelectrómetrodecuadrantesEC,el interruptorINyelcronómetroCR. U M na us de eo sc Vi rip rtu ció al n de de la l ex C pe ie r nc im ia en de to l C de SI lo C s ,2 C 01 uri 4. e. Conobjetodeestudiardetalladamenteelprocesodemedida,hemossustituidosu esquemaoriginalporotro(Figura5)similar,peromásapropiadoparautilizaren lasanimacionespublicadasenelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC. Figura 5. Esquema del experimento de Curie. J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. CSIC, 2014. Acontinuaciónrecrearemosunprocesotípicodemedidadelosrealizadospor MarieCurie.[Estasecciónestáacompañadadeunaseriedeanimacionesque puedenvisualizarseenelMuseovirtualdelaCienciadelCSIC] Antesdecomenzarelexperimentosecolocalacantidaddematerialradiactivo sobrelaplacainferiordelacámaraysecargaelcuarzopiezoeléctricoconmasade 300gramossuspendidaenelplatilloqueestiraelcristal.Elinterruptorse encuentracerrado,conlocuallasdosarmadurasdelaparatoseencuentrana tierra.Asimismolaplacapositivadelacámaraseencuentraatierrayelvoltímetro encorto. Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html Enelinstanteenqueseiniciaelexperimentoseabreelinterruptory, simultáneamente,seponeenmarchaelcronómetro. Lacorrientedeionizaciónenlacámaraproduceunadisminucióndelacargaen ambasarmaduras.Losionespositivosquelleganalaplacainferiordelacámara neutralizansucarganegativa,peroéstaessustituidainmediatamentepor electronesprovenientesdelabatería. U M na us de eo sc Vi rip rtu ció al n de de la l ex C pe ie r nc im ia en de to l C de SI lo C s ,2 C 01 uri 4. e. Simultáneamenteloselectronesquelleganalaplaca positivadelacámaravanneutralizandolascargas positivasiniciales(quenopuedenreponersealestar aisladadetierraporlaresistenciainfinitadel electrómetro)ysupotencialsehacenegativo;esto hacequesemuevalaagujadelelectrómetro(Figura 6)enladireccióncorrespondiente(enel experimentodeCurieloquesedesvíaeselpuntode luzreflejadosobrelareglatranslúcida). Figura 6. Reflejo del punto de luz. EnesteinstanteMarieaplicaunalevefuerzahaciaarribaparadisminuirelpeso quesoportaelplatillodelcuarzopiezoeléctrico,queenlaanimaciónpasade300a 200gramos.Estodisminuyelascargasdesuperficiedelcristalyliberalacarga positivanecesariaparacompensarlaquehaperdidolaplacasuperiorporefecto delacorrientedeelectronesdeionización,volviendoa0voltioslalecturadel electrómetro.Laimportanciademantenerlalecturadelvoltímetroaceroesque asíseaseguraquelacorrientequevadesdelaarmadurapositivadelcuarzoala placasuperiordelacámaraessiempreconstanteylatensiónentreplacas permaneceigualaladepolarizaciónsuministradaporlaspilas. Elprocesocontinúahastaquelapesanoejerceningunafuerzasobreelplatillo, siendoimposiblemantenerlaagujadelelectrómetroa0voltios.Enesemomento separaelcronómetro,quesupondremosquemarca200segundos. Comoconocemosexactamentelacargainicialdelcuarzopiezoeléctrico,6·10‐10 Culombios,yeltiempotranscurrido,200segundos,esfácilcalcularlacorriente: 3·10‐12Amperios.Estacorrientenosindicafielmentelaactividaddelamuestra radiactiva. Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html U M na us de eo sc Vi rip rtu ció al n de de la l ex C pe ie r nc im ia en de to l C de SI lo C s ,2 C 01 uri 4. e. Acontinuación(Figura7)incluimosunapáginadeloscarnetsdeladécouverte dondeMarieanotólascorrientesdeionizaciónexpresadasenpicoamperios,de diferentesmuestras. Figura 7. Anotaciones de Marie Curie, Carnets de la découverte 1897‐1900. Modificado de Pierre et Marie Curie. Papiers. Elmargendeerror Unaúltimapalabrasobrelasdesviacionesdelvalordelacorrienteentornoal valormedio.Comohemosvisto,elpapeldeloperadorconsisteenmantenerla indicacióndelelectrómetroacero,actuandocomoundispositivode realimentaciónnegativasobrelafuentedecorriente.Silacargaqueadquierela placapositivadelacámaraaumentasobreelvalorderepososeejercemenos fuerzahaciaarribasobrelapesa,ysilacargadisminuyeseaumentalafuerzahacia arriba,demaneraquelacargaliberadaporelpiezoeléctricoseaexactamenteigual aladelacorrienteiónicageneradaporlaradiación.Enelcasodelmontaje original,lasensibilidaddelaparatodemedidaera40milivoltiosporcentímetrode desviaciónenlareglatransparentequeMarietienedelantedeella. Estoquieredecirqueelerrorenlacargaesde4picoculombios(4·10‐12 Culombios).Comolacámaratieneunacapacidadde0,3picofaradios,los40 milivoltiosequivalenaunacargade1,2·10‐14Culombios,loquerepresentaun errormenordelunopormilparaunadesviaciónde1centímetroenlaregla transparente.Siseañadeaestoelquelasvariacionesdelaseñalluminosa fluctuaríanentornoalceropodemosdecir,aunquelaamplituddelasfluctuaciones alcanzaselos5centímetros,queelerrordelamedidaesinferioral1%. Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html Referenciasbibliográficas ‐BECQUEREL,H.Recherchessurunepropriéténouvelledelamatière:activité radiantespontanéeouradioactivitédelamatière.1903.MedicalHeritageLibrary. InternetArchive.https://archive.org/details/recherchessurune00becq ‐BOUQUET,A.Radioactivité:LesCurie. http://evelyne.bouquet.free.fr/WebAlain/particules/120_curie.htm U M na us de eo sc Vi rip rtu ció al n de de la l ex C pe ie r nc im ia en de to l C de SI lo C s ,2 C 01 uri 4. e. ‐CHÉNEVEAU,C.Méthodeetappareilsdemesuredelaradioactivité.LeRadium. 1904. ‐CURIE,M.Traitéderadioactivité.RadioactivityVol.2.Paris,Gauthier.1910. https://archive.org/details/traitderadioac02curi ‐CURIE,P.&CURIE,M.Papiers.I‐ŒUVRESETTRAVAUXSCIENTIFIQUES.1898. BNF.http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/btv1b8451521n/f12.image ‐RUTHERFORD,E.UraniumRadiationandtheElectricalConductionProducedbyIt. PhilosophicalMagazine.1899. http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/rutherford99/eng.pdf FuentesdelMuseoVirtualdelaCienciadelCSIC ‐Cámaradeionización.Esquemasanimados. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1a.html ‐GeneradorPiezoeléctrico.FichadelInstrumentoyesquemaanimado. http://museovirtual.csic.es/csic75/instrumentos/cuarzo_piezoelectrico/cuarzo_piezoelectrico.html ‐ElExperimentodeCurie.Esquemasanimados. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1c.html ‐LaboratorioCurie.VersiónWEBdeesteartículo. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html Una descripción del experimento de los Curie. Autores: J.M. López Sancho & E. Moreno Gómez. (CSIC, Octubre 2014). ©Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Laboratorios Virtuales: Laboratorio Curie. http://museovirtual.csic.es/csic75/laboratorios/lab1/lab1.html