Los laureles del Neutrón - Cienciorama

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Los laureles del Neutrón
Carlos Velázquez
La isla de los descubrimientos prodigiosos
Ahora quiero platicarles sobre algunos de los descubrimientos clave que dieron
forma a la física nuclear de las décadas de los 20 y los 30. En esta época ya se
sabía, a partir de los trabajos de Thomson y Rutherford, que existía el núcleo
atómico,
también se conocían varios elementos radiactivos y ya se conocían las
tres formas básicas de radiación: alfa, beta y gamma (si quieres profundizar más
sobre estos temas puedes ver "El experimento de la hoja de oro", aquí en
Cienciorama). La década de los 20 en Europa estuvo dominada por un hecho
histórico de gran trascendencia: el desenlace del conflicto bélico más grande
vivido por la humanidad hasta entonces. Era la época de la posguerra y una vez
liberados de los sangrientos esfuerzos bélicos --que resultaron vanos para la
mayor parte de la humanidad--, una gran cantidad de jóvenes y entusiastas
investigadores ingleses redoblaron sus esfuerzos por comprender los nuevos
fenómenos de la física nuclear. Muchos fueron los logros de esta escuela
y la
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mayoría tenían la impronta de Rutherford: la denominación de los tres tipos
básicos de radiación, el descubrimiento del núcleo atómico (ver "El experimento
de la hoja de oro" en Cienciorama), el aislamiento del elemento radón y su
caracterización como un gas noble radiactivo y el señalamiento de la existencia
de cadenas de decaimiento nuclear (ver "La tabla periódica de los Núcleos" en
Cienciorama).
Quizás
la
última
de
las
grandes
contribuciones
experimentales
de
Rutherford se trató, nada más y nada menos, que de la primera transmutación de
un elemento en otro y al mismo tiempo el descubrimiento del protón. Ocurrió en
1919, en el laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge: Rutherford
utilizó una fuente de radiación alfa para bombardear nitrógeno puro en un gesto
de irreverencia clásico de los físicos del siglo XX, que nos hemos dedicado a
utilizar fuentes de partículas para pegarle a cualquier cosa que se nos ponga
enfrente, y propició la siguiente reacción nuclear:
14
𝑁+𝛼 →
Donde
14
𝑁
quiere
decir
que
17
tenemos
𝑂+𝑝
un
núcleo
de
nitrógeno
con
14
componentes, o sea sus neutrones y protones suman 14 elementos, 𝛼 representa
una partícula alfa y el símbolo de suma del lado izquierdo quiere decir que el
núcleo y la partícula alfa van a interactuar, en este caso para combinarse, y el
resultado va a ser
𝑂, que es un núcleo de oxígeno con 17 componentes, y p
17
que es un protón. Bueno, en realidad ahora sabemos que p es un protón, pero
en su momento Rutherford sólo sabía que había obtenido núcleos de oxígeno y
núcleos de hidrógeno --el hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica y
su núcleo está constituido precisamente por un solo protón-- por comparación
con experimentos que había realizado con anterioridad. Sin embargo, este
resultado lo impresionó fuertemente y gracias a ello aventuró la hipótesis de que
los núcleos de hidrógeno debían ser una partícula por sí mismos y eran un
componente de todos los demás núcleos conocidos. La razón de fondo de esta
idea eran las mediciones de masa atómica de los elementos químicos, que
mostraban que todos los elementos tenían masas que eran (aproximadamente)
múltiplos enteros de la masa del hidrógeno, pero en este caso el hecho apuntaba
directamente a que el núcleo de hidrógeno era la unidad elemental de todos los
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demás núcleos atómicos. También propuso que esta unidad tuviera el nombre de
protón.
Chadwick estuvo prisionero en un campo de detención en Alemania durante la Primera Guerra Mundial. Estos
campos no fueron el infierno de los de la Segunda guerra mundial. En la foto vemos el aspecto del campo de
concentración en el que estuvo Chadwick.
Imagen tomada de:
http://library.law.harvard.edu/digitalexhibits/ruhleben/archive/fullsize/68098aff637a90695016b3f26a0f6657.jpg
Sin embargo, Rutherford se veía cada vez más absorto en los deberes que
conlleva ser cabeza de distintos institutos, además de que lo aquejaba cada vez
ese mal de los científicos notables y no tan notables: tener que asistir a
encuentros y asumir responsabilidades administrativas, además de participar en
comités de toma de decisiones de alto nivel, de modo que cada vez delegaba
más la responsabilidad de las investigaciones delicadas que emprendía en manos
de sus discípulos. El más sobresaliente de ellos fue James Chadwick, un inglés
nacido en 1891 y graduado en la Universidad Victoria de Manchester, donde tuvo
como tutor a Rutherford, con quien continuó trabajando hasta 1913. Fue después
de obtener un importante premio que decidió ir a Alemania a estudiar la
radiación beta bajo la tutela de Hans Geiger. Con él comenzó a hacer
descubrimientos originales acerca de la radiación.
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Chadwick fue el descubridor de lo que en la década de los 20 y la de los 30 se conocía como protón neutro,
y que hoy en día conocemos como neutrón, uno de los componentes básicos del núcleo atómico.
Imágen tomada y modificada de:
http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/16111/20.7.jpg
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1935/chadwick_postcard.jpg
Sin embargo, la primera guerra mundial se desató mientras él se encontraba en
Alemania y como otros muchos ingleses que se encontraban ahí,
Chadwick fue
arrestado y conducido al campo de detención de Ruhleben. La vida en Ruhleben
fue muy llevadera y allí pasó toda la guerra. Después regresó a Inglaterra a
trabajar con Rutherford y se convirtió en su mano derecha: el primer competidor
de la carrera nuclear apareció en escena pues Chadwick poco a poco se
convirtió en la cabeza pensante de la investigación nuclear de Inglaterra.
El regreso de los Curie
El destino de Pierre y Marie Curie fue único y singular. Las investigaciones que
realizaron, y que los condujeron al descubrimiento del polonio en 1898, se
llevaron a cabo en condiciones agotadoras, pero como Marie diría años después
"No teníamos dinero, laboratorio, ni ayuda para llevar a cabo esta
importante labor. Era como crear alguna cosa con nada (...) No obstante
fue en ese miserable y viejo hangar donde transcurrieron los mejores y
más felices años de nuestra vida, enteramente dedicada al trabajo".
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De hecho, esta labor de Marie se combinó con el cuidado de su hija Irene, que
nació en 1897. En 1903, los Curie recibieron el Nobel de química. Tres años
después, en 1906, Pierre murió
muy deteriorado por las secuelas de la
radiación, en un accidente mientras caminaba en la calle, lo cual fue un golpe
devastador para Marie, pero decidió que la mejor manera de recordarlo sería
continuar su trabajo. En 1911 Marie recibió por segunda vez el premio Nobel,
esta vez en física, debido a que logró aislar un gramo puro de radio.
Marie continuó trabajando a lo largo de toda su vida, pero la iniciativa de
la investigación y el descubrimiento de nuevos fenómenos en el campo de la
física nuclear estaba pasando poco a poco a manos de una nueva entusiasta de
la ciencia: su hija Irene. Ella creció y vivió viendo cómo su madre trabajaba
repartiendo su vida entre el laboratorio, el aula y la familia. Entusiasmada por sus
logros y su ejemplo, Irene estudio física y química y siguió de manera natural el
camino de la investigación de los fenómenos radiactivos. Sin embargo, Marie no
tomó a Irene como su protegida,
sino que ella
tuvo que trabajar como
asistente en varios departamentos de radiografía durante la guerra antes de
lograr ingresar al Instituto del Radio de París, donde finalmente logró ser
ayudante de su madre.
En 1924 se pidió a Irene que diera clases sobre técnicas radioquímicas a
un tal Frederic Joliot, y dos años después se casó con este novicio del estudio
radiológico. Los Curie habían regresado a la escena de la investigación, aunque
ya no eran Pierre y Marie sino Irene y Frederic, mejor conocidos como los JoliotCurie.
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Irene Curie y Frederick Joliot, mejor conocidos como los Joliot-Curie.
Imagen tomada de: https://www.algosobre.com.br/biografias/frederic-e-irene-joliot-curie.html
Del otro lado del océano
Un tercer competidor iba a aparecer en escena de manera inesperada. Durante
las primeras décadas del siglo XX, la física en los Estados Unidos no había
alcanzado el nivel ni tenía la originalidad de las contribuciones que se estaban
dando en Francia, Alemania e Inglaterra, pero no faltaron los pioneros que
comenzaron a levantar los cimientos de lo que sería, después de la Segunda
Guerra Mundial, una de las cabezas en la investigación de la física en el mundo.
Uno de estos pioneros fue Robert Andrews Millikan. A Millikan se le recuerda
principalmente por un genial experimento en el que probó que la carga eléctrica
tiene una unidad elemental que es igual a la carga del electrón. Logró esto
poniendo pequeñas cargas en la superficie de gotas de aceite que luego flotaban
en la presencia de un campo eléctrico estático.
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Millikan hizo varias contribuciones cruciales a la física. La que más recordamos los físicos fue su comprobación
de que la carga eléctrica tiene una unidad mínima que es igual a la carga del electrón, que vemos en la
ilustración de la derecha. Sin embargo, Millikan también demostró que la hipótesis de Einstein de la existencia
de los fotones era correcta.
Imágenes tomadas de: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2f/Millikan.jpg/200px-Millikan.jpg
http://depa.fquim.unam.mx/representaciones/imagenes/Millikan.JPG
Millikan también jugó un papel importante en el establecimiento de la teoría
cuántica al confirmar las hipótesis de Einstein acerca del efecto fotoeléctrico (Ver
"5 artículos que cambiaron el mundo: 1905 y el rompimiento einsteniano" en
Cienciorama). Irónicamente, esto se debió a que Millikan, al igual que muchos
otros, estaba convencido de que el trabajo de Einstein estaba mal, y trabajó
durante 10 años hasta que dejó fuera de toda duda que las predicciones de
Einstein eran las correctas.
Sin embargo, para nuestra historia lo importante es saber que Millikan guió
a un joven entusiasta de la nueva física, o sea la relatividad, la mecánica
cuántica y la física nuclear: Carl David Anderson.
Los repartidores de laureles
En 1932 apareció en la revista Comptes Rendus
un artículo de los Joliot-Curie
en el que detallaban los experimentos en los que bombardearon berilio con la
radiación proveniente del polonio, o sea con partículas alfa (ver "El experimento
de la hoja de oro", en Cienciorama). Los Joliot-Curie observaron que al hacer
esto el berilio emitía una radiación muy penetrante, y que tenía la cualidad, hasta
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entonces no observada, de incrementarse en lugar de disminuir al encontrarse
con cualquier obstáculo material.
El artículo provocó un par de reacciones que dejaron claro lo importante
del asunto. Cuando en Inglaterra Rutherford acabó de leer el artículo exclamó:
"¡No me lo creo!", y le indicó a Chadwick que intentara repetir el experimento. En
tanto en Italia, cuando Ettore Majorana terminó de leer el artículo no pudo
menos que decirle a Emilio Segre: "¡Oh, mira qué idiotas! Han descubierto el
protón neutro y no se han dado cuenta". Majorana y Segre eran discípulos de
Fermi (ver "La Regla de Oro, Química y Cuántica" en Cienciorama).
Este protón neutro del que hablaba Majorana es lo que hoy en día
conocemos como neutrón. Lo que pasaba en realidad en el experimento de los
Joliot-Curie era que los núcleos de berilio emitían estos famosos neutrones; los
neutrones resultan especialmente penetrantes ya que carecen de carga eléctrica.
Sin embargo, la noción de los Joliot-Curie de que la radiación se incrementaba
cuando éstos incidían en otro material no era tan precisa: se generaba una gran
cantidad de radiación pero no en forma de nuevos neutrones, sino en otras
formas, ya sean alfa, beta o gamma, ya que si esto se produjera
tendríamos
una reacción en cadena, y no es así.
La idea de que debía existir una partícula con una masa muy similar a la
del protón pero con carga neutra había estado rondando desde hacía más de
una década, y había sido expuesta, inclusive, por Rutherford. Sin embargo, debido
a la dificultad del manejo de una partícula que se muestra tan renuente a las
influencias externas --ya que no la afectan campos eléctricos ni magnéticos--, no
había sido posible desarrollar técnicas o al menos ideas de cómo detectarla.
Inmediatamente, Chadwick supo que ese era su momento. Una vez que
entendió cuál era la consecuencia de los experimentos de los Joliot-Curie, se
embarcó en una frenética carrera contra reloj para demostrar de manera
ineludible que la nueva partícula era el dichoso neutrón. Después de tres
semanas de trabajo, ya había acumulado suficiente evidencia de que la nueva
radiación se componía de partículas con carga cero y la misma masa que el
protón.
Poco
después
se
hizo
público el
descubrimiento,
y
Chadwick
fue
reconocido como el descubridor del neutrón y recibiría el Nobel de física tres
años después, en 1935.
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Experimento de Chadwick: la fuente de radiación alfa --que puede ser polonio-- induce la expulsión de neutrones
del Boro. Los neutrones no se pueden detectar de manera directa, de modo que se hacen incidir sobre un
nuevo blanco, que puede ser gas de nitrógeno. Los neutrones al chocar hacen que salgan disparados
fragmentos de núcleos de nitrógeno. Los resultados que se observan sólo se pueden explicar suponiendo la
existencia de una partícula neutra tan pesada como el protón.
Imagen tomada y modificada de:
http://cibertareas.com/wp-content/uploads/2013/08/el-neutron-experimento-de-chadwick.png
Regresando al hilo histórico, la publicación de los resultados de Chadwick fue un
golpe muy duro para los Joliot-Curie, ya que esto significaba haber perdido un
Nobel. En escritos privados, Frederic hizo saber que la situación los molestaba,
pero jamás mostraron una actitud descortés en público. Sin embargo, su temple
debió
ponerse
descubrimientos
una
vez
fueron
al
más
año
a
prueba.
siguiente,
Todos
1933,
los
al
implicados
congreso
en
estos
Solvay
--una
prestigiosa reunión de los mejores físicos de la época para discutir de manera
libre los temas que más les interesaban, patrocinada por el empresario belga
Ernest Solvay--; el neutrón fue tema de discusión pero también se habló del
descubrimiento hecho por un desconocido físico estadunidense llamado Carl
Anderson.
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Carl David Anderson y la fotografía con la que se comprobó la existencia del positrón. La trayectoria del
positrón es la línea ligeramente curvada que va de arriba hacia abajo. Si la partícula hubiera sido un electrón, la
trayectoria tendría el mismo aspecto, pero la curvatura habría sido hacia el lado contrario.
Imágenes tomadas de: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/41/Carl_Anderson.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/69/PositronDiscovery.jpg
Anderson describió la existencia de unas partículas asociadas a los rayos
cósmicos que se comportaban en todo como electrones, excepto porque al estar
en presencia de un campo magnético parecían girar "en el sentido equivocado".
Este extraño hecho implicaba que estas partículas eran idénticas a los electrones
excepto porque tenían la carga eléctrica contraria, o sea eran electrones
positivos. Anderson los llamó positrones --el mismo nombre con el que los
conocemos
hoy
en
día--.
Esta
observación
confirmó
experimentalmente
la
predicción hecha por Dirac sobre la existencia de las antipartículas --ver "El mar
de Dirac: la ecuación de las antipartículas"--. Anderson obtendría el premio Nobel
de Física por este descubrimiento tres años después, en 1936.
De regreso del congreso Solvay, los Joliot-Curie revisaron los registros que
llevaban en sus laboratorios y se dieron cuenta de que en sus fotografías
también había evidencia de la existencia de estos electrones positivos ¡El Nobel
se les había escapado de las manos por segunda vez!
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¡Vaya un cuento de nunca acabar! Sin embargo, lograrían una buena
revancha tan sólo un año después, en 1934. La forma en que habían descubierto
los neutrones sugería que aún había mucho que descubrir sobre lo que podía
suceder al bombardear diferentes materiales con fuentes radiactivas. Esta vez
probaron lo que pasaría al exponer una hoja delgada de aluminio a una fuente
de radiación alfa. Detectaron que mientras se irradiaba la hoja de aluminio
desprendía una radiación secundaria. Hasta aquí todo muy bien, esto ya se había
observado, lo que dejó sorprendidos a los Joliot-Curie fue que cuando retiraron
la fuente de radiación primaria ¡la hoja de aluminio siguió desprendiendo trazas
radioactivas!
Los Joliot-Curie lograron obtener el premio Nobel después de darse cuenta de que algunos núcleos se vuelven
radioactivos después de ser sometidos a una fuente de partículas alfa. En la imagen podemos ver cómo al
hacer incidir partículas alfa sobre distintos núcleos podemos ir generando otros núcleos.
Imagen tomada de: http://pages.uoregon.edu/jimbrau/BrauImNew/Chap21/7th/AT_7e_Figure_21_17b.jpg
Esto era algo completamente inesperado, es como si el aluminio se hubiera
vuelto radiactivo después de haber sido bombardeado con las partículas alfa.
Como los Joliot-Curie comprobaron poco después, esto era cierto: acababan de
crear un elemento radiactivo a partir de uno que antes no lo era, habían dado
con el primer ejemplo histórico de inducción de radiación artificial. Sin embargo,
Frederic siempre insistió en que esta forma de radiación no debía caracterizarse
como artificial, ya que no guardaba ninguna diferencia fundamental con la
radiación que se había estudiado hasta entonces, pero éste fue el término que
prevaleció.
El trascendental descubrimiento se difundió con gran rapidez, ya que el
hecho abría un nuevo mundo de posibilidades, puesto que implicaba que muy
probablemente sería posible generar elementos radioactivos a partir de los
elementos estables y descubrir una gran cantidad de nuevos materiales que no
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se
encontraban
habitualmente
en
la
naturaleza.
Los
Joliot-Curie
fueron
galardonados con el Nobel de química --a diferencia de Chadwick y Anderson-por este descubrimiento en 1935 ¡Al fin!
Moverse en un mundo peligroso
Tanto Chadwick como los Joliot-Curie enfrentaron riesgos una vez que llegó la
segunda guerra mundial. Chadwick se encontraba en Suecia de vacaciones al
momento de estallar la guerra. Al enfrentar la
posibilidad de ser capturado
nuevamente, decidió que por ningún motivo volvería a ser prisionero en un campo
de concentración alemán, y se fue rápidamente a Estocolmo con su familia,
desde donde se embarcó rápidamente hacia Inglaterra. Una vez en su isla natal
se involucró en el proyecto inglés para la construcción de la bomba atómica, y al
paso de los años terminó colaborando en el proyecto Manhattan que finalmente
llevó a la creación de las primeras armas nucleares.
Por su parte, los Joliot-Curie decidieron permanecer en Francia, y desde
los años anteriores a la guerra desplegaron una actividad política intensa
tratando de detener la propagación de las ideas fascistas, principalmente dentro
de los círculos académicos. Cuando la guerra se desató y Francia fue ocupada,
ellos se hicieron parte de la resistencia francesa. En el levantamiento de París de
1944, Frederic se dedicó a la fabricación de bombas Molotov, que eran la
principal arma antitanque usada por sus compañeros. Irene se vio más de una
vez en aprietos con oficiales alemanes por sus constantes viajes a lo largo de
Francia y por sus salidas hacia la neutral Suiza.
Al finalizar la guerra, los Joliot-Curie sostuvieron un trabajo en favor del
pacifismo, y nunca negaron su visión antifascista ni negaron sus simpatías por el
comunismo.
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Al igual que muchos otros franceses, los Joliot-Curie participaron en organizaciones antifascistas antes de la
segunda guerra mundial y se unieron a la resistencia a la ocupación mientras duró el conflicto. En la foto
vemos a milicianos de la resistencia francesa.
Imagen tomada de: http://img38.imageshack.us/img38/6097/resistants.jpg
Bien, esto es todo por hoy. Como vemos, en la ciencia muchas veces ocurre que
hay mucho más de lo que uno espera dentro de las respuestas que se obtienen,
y hay que estar muy atentos para entender el significado profundo de cada uno
de los experimentos que realicemos. Por mi parte les recuerdo que deben
mantener la sana manía de mantener los ojos bien abiertos y hacer un montón
de preguntas, impertinentes por supuesto.
Bibliografía:

Milorad Mladjenovic, The history of early nuclear physics (1896-1931), World
Scientific, Singapur, 1992.

Alex Keller, The infancy of atomic physics: Hercules in his cradle,
Clarendon
Press, Oxford, 1983.

Eve Curie, Madame Curie, Ed. Gallimard, París, 1938.
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