Los laureles del Neutrón / CIENCIORAMA 1

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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:

𝑁14 + 𝛼 → 𝑂17 + 𝑝

Donde 𝑁14 quiere decir que tenemos 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 𝑂17 , que es un núcleo de oxígeno con 17 componentes, y p

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 Joliot-

Curie.

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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 una vez más a prueba. Todos los implicados en estos

descubrimientos fueron al año siguiente, 1933, al congreso 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.