ENERGÍA NUCLEAR: EL PODER DEL ÁTOMO

LA ESTRUCTURA DEL ÁTOMO (I)


(MARCOS SOLACHE-RÍOS y MELANIA JIMÉNEZ-REYES)

EL ATOMISMO

Desde hace muchos siglos el hombre sospechó que el mundo físico se hallaba formado por partículas invisibles al ojo humano y, según consideraron algunos pensadores de la antigua Grecia, indivisibles. Debido a esta última cualidad esas partículas recibieron el nombre de átomos, término griego que significa "lo que no se puede dividir".

Atomismo, en sentido amplio, es cualquiera doctrina que explique los fenómenos naturales tomando como base la existencia de partículas indivisibles. Por el contrario, las teorías denominadas holísticas explican las partes por referencia al todo.

La teoría atomista fue desarrollada en el siglo V por Leucipo de Mileto y su discípulo Demócrito de Abdera. Demócrito aseguraba que todo se compone exclusivamente de átomos y vacío.El filósofo ateniense Epicuro (siglos IV-III a. C.) y el poeta latino Lucrecio, dos siglos después, asignaron a los átomos la propiedad del peso y postularon la división del átomo en partes mínimas.La doctrina atomista tuvo escasa repercusión en la Edad Media debido a la preminencia de las ideas holísticas de Platón y Aristóteles.

Ya en el siglo XIX, el químico inglés John Dalton estableció la denominadas leyes estequiométricas (relativas a las proporciones y relaciones cuantitativas que rigen las reacciones químicas) y aseguró que estas incluían la relación de números enteros simples en las reacciones químicas. También en esa época Robert Boyle y Edmé Mariotte habían enunciado las leyes de los gases referentes a las relaciones entre el volumen y la presión. El hecho de que los gases pudieran comprimirse hasta límites máximos al aumentar la presión indicaba que sus constituyentes se hallaban separados por grandes distancias y dejaban huecos entre ellos. Es decir que la materia, aun siendo sometida a grandes presiones, no era continua. Todos estos fenómenos sólo hallaban explicación en la teoría atómica.

EL ELECTRÓN

A fines del siglo XIX las condiciones estaban ya dispuestas y se empezaron a abrir las puertas para escudriñar la estructura del átomo. Y fue el corpúsculo ahora denominado electrón el primero de los constituyentes atómicos que pudo ser identificado por J.J. Thomson en 1897.

Joseph John Thomson nació el 18 de diciembre de 1856 en Cheetam Hiel, cerca de Manchester, Inglaterra. Hijo de un vendedor de libros, fue de niño lector insaciable y magnífico estudiante. A los 20 anos, él joven ingeniero Thomson obtuvo una beca para estudiar física y matemáticas en la Universidad de Cambridge y, acogido por el Trinity College, se inició cómo estudiante y llegó a ser, años más tarde, el director. Lord Raleigh (1842-1919), que era director de los famosos laboratorios Cavendish de la Universidad de Cambridge, designó como su sucesor, en 1884, a Thomson, quien demostraría con creces y a lo largo de 35 años lo atinado de la elección, pues contribuyó a desarrollar uno de los mayores laboratorios de investigación que atrajo a científicos de todo el mundo. Allí conocería a quien fue desde 1890, su esposa: Rose Elizabeth Paget, hija de sir George y lady Paget. Rose y Joseph serían a su vez padres del laureado Nobel de 1937 en física: Georges Paget Thomson.

En la década de los años ochenta del siglo XIX, la teoría atómica aseguraba que los átomos eran torbellinos de éter, una substancia sin peso que se consideraba difundida por todo el espacio.

Ya se ha mencionado en el capítulo I que el inglés Crookes descubrió los rayos catódicos en 1869 y que desde entonces muchos investigadores se dieron a la tarea de hallar las propiedades de esos rayos. En el año de 1895 Jean Perrin, en París, descubrió que los rayos catódicos eran partículas cargadas negativamente y los experimentos que realizó enseguida. J. J. Thomson permitieron determinar su velocidad y medir el cociente de su carga y su masa.

J.J., como le decían cariñosamente sus amigos, realizó sus experimentos con un tubo se descarga al que le habían eliminado el aire del interior, tal como el que se describe en seguida (véase la figura II.1). Los rayos catódicos originados en el electrodo de la izquierda y limitados a un fino haz por los agujeros de los diafragmas D, atraviesan dos placas paralelas de metal y el campo magnético de dos solenoides exteriores hasta llegar a una pantalla fluorescente. Si las placas y los solenoides están descargados, el haz pasa recto y choca en el punto S de la pantalla.

Cuando las placas metálicas están conectadas a una fuente de alto voltaje, el haz de partículas negativas se desvía hacia abajo debido a la carga positiva de la placa inferior (véase la figura II.1) y entonces el haz incide en el punto N, siguiendo una trayectoria parabólica (véase la figura II.2(a)). Por el contrario, cuando se aplica solamente el campo magnético de manera que las líneas magnéticas sean perpendiculares al plano de la página, el haz se curva hacia arriba y llega al punto M. Esto se debe a que en un campo magnético uniforme los electrones siguen una trayectoria circular (véase la figura 11.2(b)) J.J. se dio cuenta de que al aplicar el campo magnético y el eléctrico al mismo tiempo las reflexiones podían compensarse y, al cumplirse esa condición, midió el campo eléctrico y la inducción magnética aplicados. El cociente de esos valores resultó ser la velocidad del haz de los rayos catódicos, que es de varios miles de kilómetros por segundo. Este valor depende del voltaje aplicado entre el ánodo y el cátodo.

Thomson se apoyó en esos resultados para continuar sus investigaciones y encontró que el cociente carga/masa (e/m) de los corpúsculos que integraban los rayos catódicos, ahora denominados electrones, era directamente proporcional a la velocidad e inversamente proporcional a la intensidad del campo magnético aplicado y a la distancia r (véase la figura II.2(b)), teniendo en cuenta que sólo se aplique ese campo magnético y el haz se desvíe hacia arriba.


Figura II.1. Diagrama de un tubo de descarga empleado
para medir la velocidad de los rayos catódicos.

El valor de e/m es de ¡175 000 000 000 de culombios por kilogramo! Un valor tan grande significa que la masa de una partícula de rayos catódicos es muy pequeña comparada con la carga en culombios que lleva.

Algunos años después, en 1906, el físico norteamericano Robert Andrews Millikan (1868-1953) encontró el valor de la carga de un electrón. Para escribir esa cifra es necesario colocar 18 ceros a la derecha del punto decimal y luego el número 16, culombios. La masa del electrón pudo calcularse entonces con los resultados de Thomson y Millikan, y para escribir la cifra de su valor se requieren treinta ceros a la derecha del punto decimal y luego el número 9, kilogramo. Estamos hablando de partículas realmente pequeñísimas.

El primer modelo que trató de explicar la constitución del átomo fue el de J. J. Thomson, quien propuso la existencia de una esfera de carga positiva, distribuida en el volumen del átomo, cuyo diámetro es de aproximadamente una diezmillonésima de micra y supuso que partículas con cargas negativas, los electrones, estaban dispersas de alguna forma ordenada en esta esfera.

Thomson fue galardonado con el premio Nobel en 1906 y Millikan en 1923. Cabe aquí señalar que de entre los estudiantes e investigadores de la Universidad de Cambridge varios fueron galardonados con el Nobel además de J. J. Thomson: lord Rayleigh en 1904, Rutherford en 1908, Bragg padre e hijo en 1915, Bohr en 1922, A. H. Compton y C. T. R. Wilson en 1927, P. A. M. Dirac en 1933, J. Chadwick en 1935, G. P. Thomson en 1937, P. M. Blakett en 1948, J. D. Cockcroft y E. T. S. Walton en 1951, y M. Born en 1954.

J.J. Thomson murió el 30 de agosto de 1940 y fue sepultado en la abadía de Westminster, cerca de los restos de Newton, Kelvin, Darwin y Rutherford.

Pero vamos a regresar a la época de fines del siglo XIX y principios del XX en Cambridge, donde tuvieron lugar otros muchos descubrimientos de gran importancia.


Figura II.2. Comportamiento de los electrones.
(a). En un campo eléctrico uniforme describen una trayectoria parabólica.
(b). En un campo magnético uniforme, su trayectoria es circular.
ERNEST RUTHERFORD

La soberanía de la Corona británica sobre Nueva Zelanda se inició en 1840. El archipiélago, situado al sureste de Australia, vivía en esa época momentos de gran inestabilidad y quizá por eso el gobierno inglés apoyó el ingreso de sus colonos en aquel país. El escocés George Rutherford y su familia se trasladaron allá en 1842 y se establecieron en la Isla del Sur; que brindaba entonces un desarrollo económico favorable. James, hijo de George creció ya en Nueva Zelanda y casó con Caroline Thompson. La pareja se estableció en un pueblo de Nelson. James era campesino y Caroline maestra de escuela. Ernest, el segundo de sus doce hijos, nació en el 30 de agosto de 1871,y desde pequeño se distinguió por su inteligencia excepcional, lo que impulsó a su familia a sostener sus estudios aun a costa de grandes sacrificios.

Rutherford

Cuando Ernest tenía 15 años ganó una beca al lograr 580 aciertos de un total de 600 preguntas y el premio le permitió asistir al Colegio Nelson, donde fue siempre el primero, no sólo en matemáticas, física y química, si no también en latín, literatura inglesa, francés e historia. En 1889 ganó otra beca para el Colegio Canterbury que en ese tiempo era una institución pequeña con aproximadamente siete profesores y 150 estudiantes.

Rutherford asistió al Colegio Canterbury de 1890 a 1894, se graduó a los 21 años y al siguiente año obtuvo el grado de Master in Arts, First class honours en matemáticas y en física; este doble éxito había ocurrido solamente una vez en la historia de la Universidad. Sus profesores fueron: de matemáticas, C. H. Cook y de física, A. Bickerton.

En 1894, Rutherford inició su sorprendente carrera experimental en la Universidad de Canterbury. Fabricó su primer detector magnético a control remoto y pudo mandar y recibir señales a lo largo de su laboratorio. Igual que muchos científicos, fabricaba sus propios aparatos, sencillos pero ingeniosos, pues aseguraba que se invertía más tiempo en el mantenimiento de equipos complicados que en la obtención de resultados. Decía también que siendo una persona sencilla, sus ideas básicas en física serían simples.

Rutherford obtuvo una beca como estudiante universitario distinguido de la Comunidad Británica de Naciones y así logró ser el primer becario de ultramar que se matriculó en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, en 1895. Desde entonces fue miembro del Trinity College. Ernest casó en 1900 con Mary Newton, de Cristchurch. Al año siguiente, nació su única hija, Eileen.

En el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Rutherford continuó su trabajo sobre la detección de ondas electromagnéticas de radio. Aumentó gradualmente el límite de la transmisión, y en 1896 pudo mandar señales a media milla de distancia. Nadie había podido mandar señales tan lejos. En ese mismo año publicó un artículo titulado "Un detector magnético de ondas eléctricas." Posteriormente J.J. Thomson lo invitó a unírsele para estudiar el efecto de los rayos X sobre los gases.

La vida profesional de Rutherford puede ubicarse en cuatro periodos: el primero, de 1895 a 1898 en el Laboratorio Cavendish de Cambridge: el segundo, de 1898 a 1907 en la Universidad de McGill en Montreal: el tercero, de 1907 a 1919, en la Universidad de Manchester y el cuarto, de 1919 a 1937, en Cambridge, cuando fue llamado a sustituir a Thomson en el Laboratorio Cavendish como profesor de física experimental. En cada una de estas etapas Rutherford participó decisivamente en el desarrollo del conocimiento: estuvo siempre en el candelero de la ciencia tal como el mismo aseguraba, en el candelero que el había construido. Era un profesor que sabía transmitir a sus discípulos su entusiasmo por la investigación científica. Disfruto de muchas preseas bien merecidas, sean mencionadas el premio Nobel de química en 1908 por sus investigaciones sobre "La desintegración de los elementos y la radiactiva" , y el título de barón que le fue otorgado en 1931. Él mismo escogió el título de lord Rutherford de Nelson, por el cariño que le tenía a su tierra natal.

En el número de agosto de 1937 de la revista Nature, Rutherford publicó su último artículo que versó sobre el tritio. Utilizando el método de electrólisis trató de enriquecer agua con los átomos pesados del hidrógeno e intentó detectarlos mediante la técnica de la espectrometría de las masas. Ahora sabemos que para haber detectado tritio de esa manera Rutherford tenía que haber enriquecido el agua un millón de veces con tritio, porque se trata de un isótopo muy poco abundante. El tritio se conocía desde 1934, había sido descubierto por M. L. E. Oliphant, P. Harteck y el mismo Rutherford.

Rutherford murió en Londres el 19 de Octubre de 1937. Algunas de sus últimas palabras sirvieron para indicar a su esposa que deseaba heredar 100 libras esterlinas al Colegio Nelson.

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