Isaac Asimov nueva guía de la ciencia ciencias físicas

Kohman, hoy se llama «nucleoide» al núcleo con una estructura singular. Cabe decir

que un elemento tal como el aluminio está constituido por un solo nucleoide.

Rastreando partículas

Desde que Rutherford identificara la primera partícula nuclear (la partícula alfa), los

físicos se han ocupado activamente en el núcleo, intentando transformar un átomo en

otro, o bien desintegrarlo para examinar su composición. Al principio tuvieron sólo la

partícula alfa como campo de experimentación. Rutherford hizo un excelente uso de

ella.

Entre los fructíferos experimentos realizados por Rutherford y sus ayudantes, hubo uno

que consistía en bombardear con partículas alfa una pantalla revestida de sulfato de

cinc. Cada impacto producía un leve destello —Crookes fue quien descubrió este efecto

en 1903—, de forma que se podía percibir a simple vista la llegada de las distintas

partículas, así como contarlas. Para ampliar esta técnica, los experimentadores

colocaron un disco metálico que impidiera a las partículas alfa alcanzar la pantalla

revestida de sulfato de cinc, con lo cual se interrumpieran los destellos. Cuando se

introdujo hidrógeno en el aparato, reaparecieron los destellos en la pantalla, pese al

bloqueo del disco metálico. Sin embargo, los nuevos destellos no se asemejaron a los

producidos por las partículas alfa. Puesto que el disco metálico detenía las partículas

alfa, parecía lógico pensar que penetraba hasta la pantalla otra radiación, que debía de

consistir en protones rápidos. Para expresarlo de otra forma: las partículas alfa

chocarían ocasionalmente contra algún núcleo de átomo de hidrógeno, y lo impulsarían

hacia delante como una bola de billar a otra. Como quiera que los protones así

golpeados eran relativamente ligeros, saldrían disparados a tal velocidad, que

perforarían el disco metálico y chocarían contra la pantalla revestida de sulfato de cinc.

Esta detección de las diversas partículas mediante el destello constituye un ejemplo del

«recuento por destello». Rutherford y sus ayudantes hubieron de permanecer sentados

en la oscuridad durante quince minutos para poder acomodar su vista a la misma y

hacer los prolijos recuentos. Los modernos contadores de destellos no dependen ya de

la mente ni la vista humanas. Convierten los destellos en vibraciones eléctricas, que

son contadas por medios electrónicos. Luego basta leer el resultado final de los

distintos cuadrantes. Cuando los destellos son muy numerosos, se facilita su recuento

mediante circuitos eléctricos, que registran sólo uno de cada dos o cada cuatro

destellos (e incluso más). Tales «escardadores» (así pueden llamarse, ya que

«escardan» el recuento) los ideó, en 1931, el físico inglés C. E. Wynn-Williams. Desde

la Segunda Guerra Mundial, el sulfato de cinc fue sustituido por sustancias orgánicas,

que dan mejores resultados.

Entretanto se produjo una inesperada evolución en las experimentaciones iniciales de

Rutherford con los destellos. Cuando se realizaba el experimento de nitrógeno en lugar

de hidrógeno como blanco para el bombardeo de las partículas alfa, en la pantalla

revestida de sulfato de cinc aparecían destellos idénticos a los causados por los

protones. Inevitablemente, Rutherford llegó a una conclusión: bajo aquel bombardeo,

los protones habían salido despedidos del núcleo de nitrógeno.

Deseando averiguar lo que había pasado, Rutherford recurrió a la «cámara de

ionización Wilson». En 1895, el físico escocés Charles Thomson Rees Wilson había

concebido este artificio: un recipiente de cristal, provisto de un émbolo y que contenía

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aire con vapor sobresaturado. Al reducirse la presión a causa del movimiento del

émbolo, el aire se expande súbitamente, lo cual determina un enfriamiento inmediato.

A una temperatura muy baja se produce saturación de humedad, y entonces cualquier

partícula cargada origina la condensación del vapor. Cuando una partícula atraviesa

velozmente la cámara e ioniza los átomos que hay en su interior, deja como secuela

una nebulosa línea de gotas condensadas.

La naturaleza de esa estela puede revelarnos muchas cosas sobre la partícula. Las

leves partículas beta dejan un rastro tenue, ondulante, y se desvanecen al menor roce,

incluso cuando pasan cerca de los electrones. En cambio, las partículas alfa, mucho

más densas, dejan una estela recta y bien visible; si chocan contra un núcleo y

rebotan, su trayectoria describe una clara curvatura. Cuando la partícula recoge dos

electrones, se transforma en átomo neutro de helio, y su estela se desvanece. Aparte

los caracteres y dimensiones de ese rastro, existen otros medios para identificar una

partícula en la cámara de ionización. Su respuesta a la aplicación de un campo

magnético nos dice si lleva carga positiva o negativa, y la intensidad de la curvatura

indica cuáles son su masa y su energía. A estas alturas, los físicos están ya tan

familiarizados con las fotografías de estelas en toda su diversidad, que pueden

interpretarlas como si leyeran letra impresa. El invento de la cámara de ionización

permitió a Wilson compartir el premio Nobel de Física en 1927 (con Compton).

La cámara de ionización ha experimentado varias modificaciones desde que fue

inventada, y de entonces acá se han ideado otros instrumentos similares. La cámara

de ionización de Wilson quedaba inservible tras la expansión, y para utilizarla de nuevo

había que recomponer su interior. En 1939, A. Langsford, de Estados Unidos, ideó una

«cámara de difusión» donde el vapor de alcohol, caldeado, se difundía hacia una parte

más fría, de tal forma que siempre había una zona sobresaturada, y las estelas se

sucedían continuamente ante los ojos del observador.

Luego llegó la «cámara de burbujas», un artificio análogo, en el que se da preferencia

a los líquidos supercaldeados y bajo presión y se prescinde del gas sobresaturado. Aquí

son burbujas de vapor las que trazan la estela de la partícula cargada en el líquido,

mientras que antes eran gotitas de líquido en el vapor. Se dice que su inventor, el

físico norteamericano Donald Arthur Glaser, tuvo la idea de dicha cámara en 1953,

cuando contemplaba un vaso de cerveza. Si esto es cierto, aquel vaso de cerveza fue

el más provechoso para el mundo de la Física y para el propio inventor, pues ello valió

a Glaser el premio Nobel de Física en 1960.

La primera cámara de burbujas tenía un diámetro de sólo algunos centímetros. Pero no

había finalizado aún la década cuando ya había cámaras de burbujas, como las de

ionización, que se hallaban constantemente preparadas para actuar. Por añadidura,

hay muchos más átomos en un determinado volumen de líquido que de gas, por lo

que, en consecuencia, la cámara de burbujas produce más iones, lo cual es idóneo

para el estudio de partículas rápidas y efímeras. Apenas transcurrida una década desde

su invención, las cámaras de burbujas proporcionaban centenares de miles de

fotografías por semana. En 1960 se descubrieron partículas de vida ultracorta, que

habrían pasado inadvertidas sin la cámara de burbujas.

El hidrógeno líquido es el mejor elemento para llenar la cámara de burbujas, pues los

núcleos de hidrógeno son tan simples —están constituidos por un solo protón—, que

reducen a un mínimo las dificultades. En 1973 se construyó, en Wheaton, Illinois, una

cámara de burbujas de 5 m de anchura que consumía 35.000 litros de hidrógeno

líquido. Algunas cámaras de burbujas contienen helio líquido.

Aunque la cámara de burbujas sea más sensible que la de ionización para las

partículas efímeras, tiene también sus limitaciones. A diferencia de la de ionización, no

se presta a improvisar cuando se intenta provocar un fenómeno determinado. Necesita

registrar todo en bloque, y entonces es preciso investigar innumerables rastros para

seleccionar los significativos. Por eso continuó la búsqueda para idear algún método

detector de huellas, en que se combinaran la selectividad inherente a la cámara de

ionización y la sensibilidad propia de la cámara de burbujas.

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Esta necesidad se satisfizo provisionalmente mediante la «cámara de chispas», en la

cual las partículas que entran ionizan el gas y proyectan corrientes eléctricas a través

del neón, en cuyo espacio se cruzan muchas placas metálicas. Las corrientes se

manifiestan mediante líneas visibles de chispas, que señalan el paso de las partículas;

se puede ajustar el mecanismo para hacerlo reaccionar únicamente ante las partículas

que se desee estudiar. La primera cámara de chispas funcional fue construida, en

1959, por los físicos japoneses Saburo Fukui y Shotaro Miyamoto. En 1963, los físicos

soviéticos la perfeccionaron al incrementar su sensibilidad y flexibilidad. Se producían

en ella breves ráfagas de luz que, al sucederse sin cesar, trazaban una línea

virtualmente continua (en lugar de las chispas consecutivas que emitía la cámara de

chispas). Así, pues, el aparato modificado es una «cámara de chorro». Puede detectar

cuantos fenómenos se produzcan en el interior de la cámara, así como las partículas

que se dispersen en varias direcciones, dos cosas que no se hallaban al alcance de la

cámara original.

Transmutación de los elementos

Pero volvamos a los comienzos de siglo para ver lo ocurrido cuando Rutherford

bombardeó núcleos de nitrógeno con partículas alfa dentro de una primitiva cámara de

ionización. Pues ocurrió que la partícula alfa trazó inesperadamente una bifurcación.

Esto significaba, a todas luces, una colisión con un núcleo de nitrógeno. Una rama de

la bifurcación era una estela relativamente sutil que representaba el disparo de un

protón. La otra bifurcación, más corta y gruesa, correspondía, aparentemente, a los

restos del núcleo de nitrógeno desprendidos tras la colisión. Pero no se vio ni rastro de

la partícula alfa propiamente dicha. Tal vez fue absorbida por el núcleo de nitrógeno,

suposición comprobada más tarde por el físico británico Patrick Maynard Stuart

Blackett, quien —según se calcula— tomó 20.000 o más fotografías para registrar sólo

ocho colisiones —ejemplo, sin duda, de paciencia, fe y persistencia sobrehumanas—.

Por éste y por otros trabajos en el terreno de la Física nuclear, Blackett recibió el

premio Nobel de Física en 1948.

Entonces se pudo averiguar, por deducción, el destino del núcleo de nitrógeno. Cuando

absorbía a la partícula alfa, su peso atómico (14) y su carga positiva (7) se elevaban a

18 y 9, respectivamente. Pero como quiera que esta combinación perdía en seguida un

protón, el número de masa descendía a 17, y la carga positiva a 8. Ahora bien, el

elemento con carga positiva de 8 es el oxígeno, y el número de masa 17 pertenece al

isótopo del oxígeno 17. Para expresarlo de otra forma: En 1919, Rutherford transmutó

el nitrógeno en oxígeno. Fue la primera transmutación hecha por el hombre. Se hizo

realidad el sueño de los alquimistas, aunque ninguno de ellos podía preverlo así.

Las partículas alfa de fuentes radiactivas mostraron ciertas limitaciones como

proyectiles: no poseían la energía suficiente para penetrar en los núcleos de elementos

más pesados, cuyas altas cargas positivas ofrecían gran resistencia en la fortaleza

nuclear, y aún eran de esperar nuevos y más enérgicos ataques.

NUEVAS PARTÍCULAS

El asunto de los ataques al núcleo nos lleva de nuevo a la cuestión de la composición

del mismo. La teoría del protón-electrón de la estructura nuclear, aunque explica

perfectamente los isótopos, fracasa en relación a otros temas. Por lo general, las

partículas subatómicas tienen una propiedad que se denomina espín, algo parecido a

los objetos astronómicos que giran sobre sus ejes. Las unidades en que se mide dicho

espín se toman de tal forma, que tanto protones como electrones demuestran tener un

espín de +1/2 o –1/2. Por lo tanto, un número dado de electrones o protones (o

ambos), si se hallan todos confinados en un núcleo, deberían proporcionar a ese

núcleo un espín de O o de un número entero, tal como + 1, - 1, + 2, - 2, etcétera. Si

un número impar de electrones o protones (o ambos) forman un núcleo, el espín total

debería ser medio número, como, por ejemplo, + 1/2, -1/2, + 1 1/2, - 1 1/2, + 2 1/2,

- 2 1/2, etc. Si se trata de añadir un número impar de mitades positivas o negativas (o

una mezcla de ambas cosas), y se hace lo mismo con el número impar, se comprobará

que es y debe ser de esta manera.

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En realidad, el núcleo del nitrógeno tiene una carga eléctrica de + 7 y una masa de 14.

A través de la teoría protón-electrón, su núcleo debe contener 14 protones según esa

masa, y 7 neutrones para neutralizar la mitad de la carga y dejar + 7. El número total

de partículas en un núcleo así es de 21, y el espín total del núcleo de nitrógeno debería

ser un número mitad, pero no lo es. Es un número entero.

Esta especie de discrepancia ha aparecido también en otros núcleos y al parecer la

teoría del protón-electrón no debería funcionar. Sin embargo, mientras éstas fueron las

únicas partículas subatómicas conocidas, los físicos se vieron impotentes para

encontrar una teoría sustitutiva.

El neutrón

Sin embargo, en 1930 dos físicos alemanes, Walter Bothe y Herbert Becker,

informaron que habían liberado del núcleo una misteriosa radiación nueva de inusual

poder penetrador. Lo habían conseguido al bombardear átomos de berilio con

partículas alfa. El año anterior, Bothe había elaborado métodos para emplear dos o

más contadores en conjunción: contadores coincidentes. Podían usarse para identificar

los acontecimientos nucleares que ocurrían en una millonésima de segundo. Por éste y

por otros trabajos, compartió el premio Nobel de Física en 1954 con Becker.

Dos años después, el descubrimiento de Bothe-Becker fue seguido del de los físicos

franceses Frédéric e Irene Joliot-Curie. (Irene era la hija de Pierre y Mane Curie, y

Joliot añadió su nombre al propio al casarse con ella.) Emplearon la recién descubierta

radiación del berilio para bombardear parafina, una sustancia cerosa compuesta de

hidrógeno y carbono. La radiación expulsó a los protones de la parafina.

El físico inglés James Chadwick sugirió que la radiación estaba formada de partículas.

Para determinar su tamaño, bombardeó átomos de boro con ellas, y, a partir del

incremento en masa del nuevo núcleo, calculó que la partícula añadida al boro tenía

una masa más o menos igual al protón. Sin embargo, la partícula en sí no podía

detectarse en una cámara de niebla de Wilson. Chadwick decidió que la explicación

debía ser que la partícula no poseía carga eléctrica (una partícula sin carga no produce

ionización y, por lo tanto, no condensa gotitas de agua).

Por ello, Chadwick llegó a la conclusión de que había emergido una partícula del todo

nueva, una partícula que tenía aproximadamente la misma masa del protón, pero sin

carga o, en otras palabras, era eléctricamente neutra. La posibilidad de una partícula

así ya había sido sugerida y se propuso un nombre: neutrón. Chadwick aceptó esa

denominación. Por el descubrimiento del neutrón, fue galardonado con el premio Nobel

de Física en 1935.

La nueva partícula solucionó al instante ciertas dudas que los físicos teóricos habían

mantenido acerca del modelo de núcleo protón-electrón. El teórico alemán Werner

Heisenberg anunció que el concepto de un núcleo que consistía en protones y

neutrones, más que de protones y electrones, proporcionaba una descripción mucho

más satisfactoria. Así, el núcleo de nitrógeno podía visualizarse como formado por

siete protones y siete neutrones. El número másico sería el de 14, y la carga total

(número atómico) la de + 7. Y lo que es más, el número total de partículas en el

núcleo debería ser de catorce —un número par, en vez de veintiuna (un número

impar), como en la antigua teoría. Dado que el neutrón, al igual que el protón, posee

un espín de + 1/2 o - 1/2, un número par de neutrones y protones proporcionaría al

núcleo de nitrógeno un espín igual a un número entero, y se hallaría en concordancia

con los hechos observados. Todos los núcleos que tenían espines que no podían

explicarse a través de la teoría protón-electrón, demostraron tener espines que podían

explicarse por medio de la teoría protón-neutrón. Esta teoría fue aceptada al instante,

y ha permanecido desde entonces. A fin de cuentas no hay electrones dentro del

núcleo. Además, el nuevo modelo se adecuaba con los hechos de la tabla periódica de

los elementos de una manera tan exacta como ocurría con la antigua. El núcleo de

helio, por ejemplo, consistiría de dos protones y dos neutrones, los que explicaba su

masa de 4 y su carga nuclear de 2 unidades. Y el concepto también se aplicaba a los

isótopos de la misma manera. Por ejemplo, el núcleo de cloro-35 tendría diesiete

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protones y dieciocho neutrones; el núcleo de cloro-37, diecisiete protones y veinte

neutrones. Por lo tanto, ambos poseerían la misma carga nuclear, y el peso extra del

isótopo más pesado se debería a sus dos neutrones extra. De forma parecida, los tres

isótopos del oxígeno diferirían sólo en su número de neutrones: el oxígeno 16 tendría

ocho protones y ocho neutrones; el oxígeno 17, ocho protones y nueve neutrones; el

oxígeno 18, ocho protones y diez neutrones (figura 7.2.).

En resumen, cada elemento podía definirse, simplemente, por el número de protones

de su núcleo, que equivale al número atómico. Todos los elementos, excepto el

hidrógeno, no obstante, también tenían neutrones en el núcleo, y el número másico de

un nucleido era la suma de sus protones y neutrones. Así, el neutrón se unía al protón

por medio de una construcción básica de bloque de materia. Por conveniencia, ambos

fueron denominados bajo el término general de necleones, una designación usada por

primera vez en 1941 por el físico danés Christian Moller. De aquí derivó nucleónica,

sugerido en 1944 por el ingeniero estadounidense Zay Jeffries para representar el

estudio de la ciencia y tecnología nuclear.

La nueva comprensión de la estructura nuclear ha conllevado una clasificación

adicional de los nucleidos. Los nucleidos con un número igual de protones son, como

acabo de explicar, isótopos. De modo similar, los nucleidos con un número igual de

neutrones (como, por ejemplo, el hidrógeno 2 y el helio 3, cada uno de ellos

conteniendo un neutrón en el núcleo) son isótonos. Los nucleidos con un número total

de nucleones, y por lo tanto iguales números másicos —como el calcio 40 y el argón

40— son isóbaros.

La teoría protón-electrón de la estructura nuclear deja por explicar, como al principio,

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el hecho de que los núcleos radiactivos emitan partículas beta (electrones). ¿De dónde

salen los electrones si no existen en el núcleo? No obstante, ese problema fue aclarado

como explicaré a continuación.

El positrón

En un aspecto muy importante, el descubrimiento del neutrón decepcionó a los físicos.

Habían llegado a pensar que el Universo estaba constituido, fundamentalmente, por

dos partículas: el protón y el electrón. Y ahora debía añadirse una tercera. Para los

científicos resulta lamentable cualquier retirada respecto de la simplicidad.

Y lo peor de todo era que, como acabó demostrándose, esto era sólo el principio. La

vuelta a la sencillez demostró ser un largo camino aún por recorrer, puesto que

todavía debían aparecer más partículas.

Durante muchos años, los físicos habían estudiado los misteriosos rayos cósmicos

procedentes del espacio, que fueron descubiertos por primera vez en 1911 por el físico

austríaco Víctor Francis Hess gracias a unos globos lanzados a la parte superior de la

atmósfera.

La presencia de dicha radiación fue detectada por un instrumento tan simple como

para alentar a quienes a veces creen que la ciencia moderna sólo puede progresar

gracias a mecanismos increíblemente complejos. El instrumento era un electroscopio,

formado por dos piezas de una delgada hoja de oro unida a una varilla metálica

colocada en una estructura metálica provista de ventanas. (El antepasado de este

instrumento fue construido, ya en 1706, por el físico inglés Francis Hauksbee.)

Si la varilla metálica se carga con electricidad estática, las piezas de hoja de oro se

separan. Idealmente, quedarían separadas para siempre, pero los iones de la

atmósfera que lo rodea apartan lentamente la carga, por lo que las hojas

gradualmente se vuelven una hacia la otra. La radiación energética —como la de los

rayos X, los rayos gamma o flujos de partículas cargadas— producen los iones

necesarios para dicha pérdida de carga. Aunque el electroscopio esté bien protegido,

se produce una lenta pérdida, que indica la presencia de una radiación muy penetrante

no relacionada de modo directo con la radiactividad. Fue esta radiación penetrante,

que aumentaba en intensidad, lo que percibió Hess al subir cada vez más alto en la

atmósfera. Hess compartió el premio Nobel de Física de 1936 por este descubrimiento.

El físico estadounidense Robert Andrews Millikan, que recogió una gran cantidad de

información acerca de esta radiación (y que le dio el nombre de rayos cósmicos),

decidió que debería haber una forma de radiación electromagnética. Su poder de

penetración era tal que, parte del mismo, atravesaba muchos centímetros de plomo.

Para Millikan, esto sugería que la radiación se parecía a la de los penetrantes rayos

gamma, pero con una longitud de onda más corta.

Otros, sobre todo el físico norteamericano Holly Compton, no estaban de acuerdo en

que los rayos cósmicos fuesen partículas. Había un medio para investigar este asunto.

Si se trataba de partículas cargadas, deberían ser rechazadas por el campo magnético

de la Tierra al aproximarse a nuestro planeta desde el espacio exterior. Compton

estudió las mediciones de la radiación cósmica en varias latitudes y descubrió que en

realidad se curvaban con el campo magnético: era más débil cerca del ecuador

magnético y más fuerte cerca de los polos, donde las líneas magnéticas de fuerza se

hundían más en la Tierra.

Las partículas cósmicas primarias, cuando entran en nuestra atmósfera llevan consigo

unas energías fantásticamente elevadas. En general, cuanto más pesado es el núcleo,

más raro resulta entre las partículas cósmicas. Núcleos tan complejos como los que

forman los átomos de hierro se detectaron con rapidez, en 1968, otros núcleos tan