Física del siglo XX – (5)

La exploración cada vez más penetrante del átomo. El neutrón de Chadwick. El creciente zoológico de partículas subatómicas. La noción de antipartícula. La fisión del uranio y la energía atómica. Lise Meitner y Enrico Fermi. El Proyecto Manhattan.

Kenneth Ford, quien presidiera el American Institute of Physics, acuñó la expresión zoológico de partículas para referirse al creciente número de “corpúsculos” más pequeños que un átomo. Escribiendo en la década de los sesenta, tenía noticia de los cientos de partículas producidas artificialmente en descomunales laboratorios conocidos como aceleradores de partículas. Luego de los experimentos iniciales en el mundo subatómico—debidos a Rutherford—en los que partículas producidas espontáneamente por radioactividad (proyectiles) “bombardeaban” un “blanco” material, la tecnología fue incorporando aceleradores artificialmente construidos de potencia cada vez mayor[1]. Al inicio, sin embargo, todo parecía ser relativamente simple, cuando se creía que las partículas subatómicas eran solamente tres: el protón y el electrón, ambos con carga eléctrica unitaria, y el neutrón, que como su nombre indica, no porta carga eléctrica. El protón y el neutrón habitaban el núcleo del átomo, de cuya masa son mayormente responsables, mientras que el electrón se encontraba en la corona circundante, aportando prácticamente nada a la masa atómica. (La masa de un protón equivale a la de 1.836 electrones. En términos prácticos, la masa de un átomo resulta de sumar el número de protones y el de neutrones contenidos en su núcleo, mientras que el “número atómico” corresponde al número de protones o su carga positiva total. En un átomo neutro, no un ión, el número de protones y el de electrones son idénticos).

La primera de las partículas descubiertas fue el electrón, por J. J. Thomson en sus experimentos de 1897, identificándolo como el constituyente elemental de lo que su discípulo, Ernest Rutherford, denominaría “radiación beta”, una de las tres formas de emanación presente en las sustancias radioactivas. Su existencia había sido predicha por G. Johnstone Stoney (1874) a partir de sus trabajos en electroquímica. (Electrólisis, electrodeposición, etc.)

William Crookes proveyó el aparato que conduciría al descubrimiento del electrón: el “tubo de Crookes” o tubo de rayos catódicos. En esencia es un receptáculo “cónico” de vidrio al que se ha hecho el vacío y se le ha dotado de tres electrodos: un ánodo y dos cátodos. La superficie del ánodo se reviste con una sustancia fosforescente. (Usualmente, fósforo).

Entre el ánodo y el cátodo principal se ubica una “máscara de sombra” conectado a éste, con una forma particular. (Típicamente una cruz de Malta). Los “rayos catódicos” (radiación proveniente del cátodo) excitan el fósforo del ánodo, que brilla salvo en el área proyectada por la sombra.[2]

Fueron estos rayos catódicos los que Thomson estudió. Además de establecer su desviación por causa de campos eléctricos y magnéticos (lo que era característico de partículas con carga eléctrica), Thomson calculó la proporción de carga sobre la masa de estos “corpúsculos”, llegando a la conclusión de que esa relación era más de mil veces la de un ión de hidrógeno. De estos resultados pudo entonces Thomson “descubrir” (deducir) la existencia del electrón, que debía venir del interior del átomo. El revolucionario hallazgo le valió el Premio Nóbel de Física en 1906.

Trece años separarían este descubrimiento de la postulación de la segunda partícula subatómica, mucho más masiva que el electrón pero de igual carga eléctrica. A esta partícula se le daría el nombre de protón, y el honor de su descubrimiento correspondería en 1919—el año de la confirmación astronómica de la teoría general de la relatividad—a Rutherford, el alumno de Thomson.

Antes del hallazgo Eugen Goldstein había teorizado, a partir de las conclusiones de Thomson, que siendo los átomos eléctricamente neutros debían existir en su seno partículas cargadas positivamente que compensaran o anularan las cargas negativas de los electrones. De hecho, inició la cacería del protón sin conseguirlo. (Obtuvo partículas de carga positiva dentro de un tubo de Crookes modificado, pero midió masas variables para las mismas al cambiar los gases del aparato. Eran iones y no protones lo que había observado). El testigo pasó a manos de Rutherford.

Primeramente, el neozelandés adjudicó los nombres de radiaciones alfa, beta y gamma a las tres emisiones del uranio. Luego postuló que la radiación alfa, formada por partículas de carga positiva, estaba compuesta, en realidad, por núcleos de átomos de helio. (1899).

Entra entonces en la escena la “cámara de niebla” inventada por Charles Wilson en 1912, que permitió refinar las observaciones del electrón. Consiste de una cámara llena de vapor de agua por la que se hace pasar radiación. Cuando las partículas poseen carga eléctrica inducen a su paso la ionización y condensación de las moléculas de vapor, lo que deja una estela visualmente discernible.[3]

Rutherford había observado (1918) que al bombardear nitrógeno con partículas alfa sus detectores de centelleo[4] parecían indicar la presencia de iones de hidrógeno, y concluyó que éstos sólo podían provenir del nitrógeno. En consecuencia, aventuró la hipótesis de que el nitrógeno debía “contener” núcleos de hidrógeno. Esta interacción de partículas alfa con el nitrógeno fue también observada en una cámara de niebla, la que registró bifurcaciones que a veces invertían completamente la dirección de una partícula alfa incidente. Al comprobar que estos trazos invertidos correspondían a la huella que dejarían iones de hidrógeno, y que en el interior del receptáculo de nitrógeno había ahora oxígeno (una transmutación como la que habían soñado los alquimistas), Rutherford propuso (1919) que el núcleo de hidrógeno estaba constituido por una sola partícula subatómica de carga eléctrica equivalente a la del electrón: el protón.

Razonamientos ulteriores llevaron a Rutherford a conjeturar la existencia de otra partícula subatómica que sería eléctricamente neutra y de masa equivalente a la del protón para explicar las características de la partícula alfa, que poseía dos cargas eléctricas unitarias pero tenía una masa cuatro veces la del protón. Este “neutrón” tendría que esperar su comprobación experimental por parte de otro físico inglés[5], James Chadwick, en 1932.

Ya en 1930 se sabía que el bombardeo de ciertos elementos livianos (litio, boro, berilio) con partículas alfa daba lugar a una radiación muy penetrante. Al principio se pensó que se trataba de rayos gama (radiación electromagnética pura, fotones de alta energía), pero experimentos realizados por los Joliot-Curie (1932) mostraron que la incidencia de partículas alfa sobre sustancias con alta proporción de hidrógeno (parafina, por ejemplo), desataba la emisión de protones muy energéticos que no podía ser explicada como radiación gama. En este mismo año Chadwick hizo los experimentos definitivos. En mayo de 1932 envió para su publicación “La existencia de un neutrón” a Proceedings of the Royal Society, artículo en el que se refirió a los experimentos de los Joliot-Curie y los anteriores de Bothe y Becker. Allí dice Chadwick: “Es evidente que debemos, o abandonar la aplicación de la conservación de la energía y el momento en estas colisiones, o adoptar otra hipótesis acerca de la naturaleza de la radiación. Si suponemos que la radiación no es una radiación cuántica, sino que consiste de partículas de masa muy cercana a la del protón, desaparecen todas las dificultades asociadas con las colisiones, tanto respecto a su frecuencia como a la transferencia de energía a diferentes masas. A fin de explicar el gran poder de penetración de la radiación debemos además suponer que la partícula no tiene carga neta. Podemos suponerla consistente de un protón y un electrón en íntima combinación, el ‘neutrón’ discutido por Rutherford en su clase bakeriana[6] de 1920”. El Premio Nóbel de Física en 1935 fue concedido a Chadwick.

A estas alturas el submundo atómico parecía perfectamente organizado y explicado completamente. Protón, neutrón y electrón bastaban para justificar tanto la masa atómica como la distribución de cargas eléctricas del átomo, su “peso” y su “número” atómico[7]. No pasaría mucho tiempo antes de que razones teóricas y experimentales dieran cuenta de numerosas otras partículas subatómicas.

Como en el caso de la predicción del neutrón por parte de Rutherford, el próximo paso se dio asimismo en el reino de la teoría. Antes de que esta última partícula fuera descubierta ya P. A. M. Dirac había postulado la existencia de “antimateria”.

El primer aporte de Dirac (1927) consistió en adelantar una teoría relativista del electrón que tuvo éxito, entre otras cosas, al explicar el espín[8] del electrón. La teoría también anunciaba la existencia de “estados de energía negativa”. Para explicarlos Dirac echó mano del  “principio de exclusión” de Pauli, que prohibía que dos electrones ocuparan el mismo estado—que tuvieran exactamente los mismos números cuánticos—en un átomo cualquiera. De aquí conjeturó (1930) que in vacuo los estados de energía negativa predichos por su teoría estarían ocupados por electrones, cuya remoción dejaría un “hueco” que Dirac mostró se comportaría como un electrón de carga positiva. En 1931 adujo que estos holes corresponderían a una nueva partícula positiva.

Al año siguiente Carl D. Anderson encontró la “firma” del electrón de carga positiva (positrón) en placas tomadas de una cámara de Wilson dispuesta en el Instituto Tecnológico de California (Caltech), de modo que detectara la influencia de rayos cósmicos (radiación gama de alta energía proveniente del espacio exterior a la Tierra). Las trayectorias descritas por la nueva partícula eran la imagen especular de las observadas para el electrón. Por cierto, el electrón y el positrón son creados en pareja por un rayo gama, y el proceso inverso, la aniquilación de ambas partículas por colisión directa de ambas, produce radiación gama.

Pero todavía la década del treinta alojaría otra sorpresa. Una vez más la teoría se adelantó a los experimentadores. En 1934 Hideki Yukawa predijo la existencia de partículas de masa intermedia ante el protón y el electrón, a las que se llamó mesones. La teoría de Yukawa buscaba explicar las fuerzas que mantienen el núcleo como una entidad integrada a pesar de que la electrostática exige que cargas eléctricas del mismo signo, como los protones, tiendan a repelerse. (La física actual interpreta interacciones como la electromagnética en términos de un intercambio de partículas. En el caso del electromagnetismo la partícula intercambiada es el fotón, que no posee masa. En el seno del núcleo se requiere una fuerza que pueda vencer la repulsión electrostática a distancias muy cortas, y esto fue lo que Yukawa proveyó con su teoría, al postular que las partículas del intercambio nuclear tienen masa mayor que cero, mayor que la del electrón, pero menor que la del protón o neutrón).

En 1937 Neddermeyer, Anderson, Street y Stevenson identificaron una nueva partícula de masa intermedia a la que se llamó muón (o mesón mu), otra vez en experimentos con rayos cósmicos en una cámara de Wilson. Equivocadamente se pensó que se trataba del mesón predicho por Yukawa, pero pronto se comprobó que los muones no participaban en las interacciones nucleares. El mesón pi, o pión, correspondiente a la partícula de Yukawa, fue descubierto diez años más tarde por Cecil Powell.

A partir de aquí el zoológico de partículas comenzó a poblarse de modo alarmante. El kaón o mesón K (1947), el antiprotón (de masa igual a la del protón y carga negativa, 1955), el neutrino (1956; predicho por Wolfgang Pauli en 1931, sin carga neta y masa cero; más exactamente el neutrino del electrón), el neutrino del muón (1962), la partícula J/ y (1974), la partícula tau (1975), la partícula upsilon (1977), el gluón (1979), los bosones[9] W y Z (1983, predichos veinte años antes por Glashow, Salam y Weinberg), el top quark[10] (1995), el neutrino tau (2000), aparecieron uno tras otro[11]. Para complicar más las cosas, hay partículas como los piones que vienen con carga positiva, negativa o neutra, y además cada una de las partículas tiene su respectiva “antipartícula”.

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Entretanto proliferaban las partículas subatómicas y se hacía evidente la necesidad de un esquema simple que las organizara, la tecnología procedía en dirección de la energía nuclear útil, montada sobre la postulación de Einstein de que la masa de un cuerpo cualquiera podía ser transformada íntegramente en energía o, puesto de otro modo, que la masa y la energía eran entidades equivalentes, una sola y misma cosa.

Arthur Eddington opinó una vez que la mente humana tardó tanto tiempo para descubrir esta equivalencia entre masa y energía a causa de una diferencia particular de nuestros sentidos corporales. En efecto, la retina es capaz de captar el efecto generado por un solo fotón, que es una cantidad pequeñísima de energía. En cambio, el sentido del tacto, misericordiosamente, no es capaz de detectar presiones por debajo de algunos decigramos. Si no fuese por este hecho, la conciencia cerebral se vería abrumada por las señales provenientes de billones de partículas subatómicas que constantemente bombardean nuestra piel.

En todo caso, a partir de los hallazgos “alquimistas” de Rutherford, y sobre todo luego del descubrimiento del neutrón, en la década de los treinta comenzó una carrera por lograr elementos sintéticos de masa superior a la del uranio. La búsqueda teórica no imaginaba adonde conduciría la experimentación. Los competidores de esta carrera por un posible Premio Nóbel eran el propio Rutherford, Enrico Fermi, los Joliot-Curie y el equipo formado por Otto Hahn y Lise Meitner. Fue esta mujer austriaca la que concebiría en 1938 la “fisión” nuclear, mediante el bombardeo de núcleos de uranio con neutrones. Los experimentos se realizaron en el laboratorio de Hahn en Berlín, pero la explicación de los resultados fue proporcionada por Meitner, por ese entonces en Estocolmo en razón de ser judía. (Las piezas de la correspondencia entre Meitner y Hahn indican a las claras que éste no creía en la fisión nuclear y debió ser convencido por los razonamientos de ella). La era atómica había comenzado.

En la fisión del núcleo de uranio, un átomo de este elemento se divide para dar lugar a dos pedazos—un núcleo de bario y uno de kriptón—algunos neutrones y rayos gama[12]. Lise Meitner se dio cuenta de que a partir de un neutrón incidente sobre el núcleo de uranio se había obtenido varios neutrones, y que tal cosa podía en principio establecer una “reacción en cadena”: los nuevos neutrones impactarían otros núcleos de uranio para producir más neutrones y así sucesivamente. Esta característica de la fisión del uranio permitió el diseño de “reactores nucleares”—el primero en Chicago por Enrico Fermi y Leó Szílard en 1942—de reacción “controlada” y las bombas atómicas detonadas en 1945 como consecuencia del Proyecto Manhattan. (Alamogordo, Hiroshima, Nagasaki). LEA

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[1] Se acredita a Ernest Lawrence la invención del ciclotrón, un acelerador de partículas que las hace girar en espiral mediante la aplicación de un campo magnético. Un aparato más primitivo, el acelerador de Van de Graaff, empleaba la acumulación de enormes cargas de electricidad estática para generar grandes diferencias de potencial o voltajes (hasta un millón de voltios). En física de partículas se emplea una unidad de energía: el electrón-voltio, que corresponde a la que adquiere un electrón acelerado por una diferencia de potencial de un voltio. El ciclotrón alcanza energías de hasta 10 millones de electrón-voltios. Los aceleradores modernos (“lineares” de hasta 3 kilómetros como el de Stanford) o circulares (como el LHC—Large Hadron Collider—de CERN, con una circunferencia de 46 kilómetros), llegan a generar energías de hasta 7 teraelectrón-voltios. (1 tera = 10¹², o un billón castellano). Dos haces de partículas enfrentadas producirán (2007) colisiones de 14 TeV.

[2] El tubo de rayos catódicos es la tecnología básica de un osciloscopio, donde un delgado haz de electrones puede moverse bajo la acción de cargas electrostáticas, dibujando así con ondas sobre la pantalla fosforescente las variaciones de voltaje. De allí vinieron también los primitivos tubos de radio y, más adelante, las pantallas de los televisores. Un tubo de rayos X es un tubo de Crookes modificado, y el descubrimiento de esta penetrante radiación representó para Wilhelm Röentgen el primero de los premios Nóbel de Física de la historia. (1901).

[3] Es la misma razón de las estelas que forman los aviones a reacción en la atmósfera superior a su paso en vuelo. La cámara de Wilson ha sido suplantada por la más precisa “cámara de burbujas”. En ésta, un recipiente lleno de hidrógeno o propano en estado líquido es sometido a haces de partículas cargadas, las que esta vez producen un rosario de burbujas formadas por ebullición local

[4] Detectan pulsos de luz emitidos por ciertos materiales bajo el impacto de partículas cargadas o fotones.

[5] Debe haberse notado que en el reino de lo atómico los físicos alemanes (Planck, Einstein, Heisenberg, etc.) aportaban la teoría, pero los ingleses descollaban como experimentalistas.

[6] Nombrada por Henry Baker, quien legara a la Royal Society en 1775 la cantidad de £100 para la conferencia de un miembro que la sociedad escogiese. Es la más prestigiosa conferencia en ciencias físicas en Inglaterra.

[7] Una vez que surgiera el concepto de número atómico, la organización de los elementos en una tabla periódica pudo limar pequeñas asperezas. Anteriormente (Mendelejeff) se ordenaba a los elementos por su peso atómico, y en unos pocos casos—por ejemplo el par argón-potasio, del que el argón es más pesado pero hoy se coloca antes del segundo en la tabla—no cuadraban las propiedades químicas. La ordenación por número de protones (o electrones) restituyó la consistencia a la tabla.

[8] El espín (castellanización de spin, giro) de una partícula subatómica designa su “momento angular”, y es una propiedad o “número cuántico” que permite agrupar a las partículas en familias de propiedades similares.

[9] Los bosones son partículas de espín +1 o –1 y se comportan según fórmulas estadísticas desarrolladas por Bose y Einstein. Los fermiones, como el electrón y el protón, exhiben espín de +1/2 o –1/2, y siguen la estadística Fermi-Dirac.

[10] Hablaremos de los quarks en la octava lección.

[11] Para la década siguiente a la actual se espera, una vez que entren en operación nuevos y mayores hiperaceleradores de partículas, detectar el llamado bosón de Higgs.

[12] El uranio radioactivo empleado para la fisión como “combustible” tiene 235 unidades de masa atómica, mientras que el bario tiene 138 unidades y el kriptón 84, para un total de 222 unidades de masa atómica. La diferencia de 13 unidades es convertida en neutrones (usualmente tres) y radiación gama.