XVI. LOS ACELERADORES ATÓMICOS
LOS aceleradores son máquinas que comunican de manera controlada una velocidad previamente determinada a una partícula microscópica cargada. Existen aceleradores de partículas negativas, como los electrones, y aceleradores de partículas positivas, como los protones y las alfa. Según la velocidad que adquieran las partículas luego de acelerarse, estos aparatos pueden ser de baja, mediana o alta energía. Finalmente, si la aceleración actúa siempre en la misma dirección, el acelerador es lineal.
Todos los aceleradores se basan en el mismo principio: habrá de producirse un campo eléctrico que acelere a las partículas cargadas. Esto se logra, por ejemplo, cargando dos placas con cargas de signo opuesto. Según la ley de Coulomb, la partícula que ha de acelerarse será repelida por la placa cargada con el mismo signo de la carga que tiene la partícula, y atraída por la otra placa. Para que el sistema sea eficiente, se deberán evitar los choques indeseados de la partícula acelerada. Esto implica vaciar la región entre las placas, extrayendo la mayor cantidad de moléculas posible. En otras palabras, los aceleradores deben estar "al vacío".
Antes de acelerar la partícula, hay que tenerla. Por eso, parte esencial de un acelerador la constituye la fuente en donde se producen los proyectiles. Claramente, se dispone también de blancos, o sistemas bajo análisis, contra los cuales chocan las partículas luego de acelerarse. Finalmente, los aceleradores llevan siempre asociados sistemas que permiten detectar la presencia de una cierta partícula luego del choque, su velocidad o algunas otras propiedades. Estos sistemas se llaman detectores.
Aunque parezca raro, casi toda familia en esta época tiene un acelerador de partículas en casa: un receptor de televisión. Este aparato tiene todas las características de un acelerador de electrones. La fuente es un filamento que, al calentarse, emite electrones hacia un recipiente al vacío, el cinescopio, que es un tubo de vidrio sellado. Luego los electrones se aceleran por medio de un voltaje negativo (del orden de quince mil voltios) que los repele y, antes de chocar contra la pantalla, que es el blanco, se les controla y desvía mediante campos magnéticos. Así se hace incidir el haz de electrones sobre la pantalla que es fluorescente y emite luz al ser bombardeada por aquél, detectando su presencia. En el caso del televisor, por tanto, la pantalla fluorescente actúa no sólo como blanco, sino también como detector.
Otros dos aceleradores de electrones son también populares hoy en día: el aparato de rayos X y el microscopio electrónico. En el primero, los electrones salen de un cátodo y se aceleran hacia un ánodo; entre el ánodo y el cátodo existe una diferencia de potencial mayor que en los aparatos de televisión, pues llega hasta miles de voltios. En consecuencia, los electrones alcanzan una velocidad mayor que en el aparato receptor de televisión y producen al chocar contra los átomos del blanco una radiación electromagnética de mayor frecuencia que la luz visible: los rayos X.
La operación del microscopio óptico. Es decir, el microscopio electrónico es más sutil. El sistema de producción y aceleración de electrones es muy similar a los anteriores, pero el control del haz electrónico es semejante al de los rayos luminosos en el microscopio óptico. Es decir, el microscopio electrónico tiene una lente condensadora, otra lente objetivo y una lente ocular, claro que en vez de los lentes de vidrio del microscopio óptico, se cuenta con lentes electromagnéticos (bocinas o condensadores) que ejercen sobre los electrones las mismas funciones que el vidrio sobre los fotones. Como la longitud de onda asociada a un electrón es mucho menor que la de la luz visible, podemos ver objetos más pequeños. En consecuencia las amplificaciones son unas mil veces mayores que en los microscopios comunes y el poder de resolución, que se define como la capacidad de separar dos puntos muy próximos, también es mucho mayor. ñBien andaba el príncipe De Broglie!
Los aceleradores de partículas positivas son ligeramente distintos, ya que requieren de una fuente de partículas un poco más compleja. Las partículas positivas son, en los aceleradores de baja energía, átomos ionizados a los cuales se les ha despojado de uno o más de sus electrones. Esto se logra haciendo pasar electrones veloces por una región en que se encuentra el material no ionizado en forma de vapor. Al dispositivo en donde esto sucede se le llama fuente de iones. Una vez formados los iones, se arrojan a la zona en que se ha hecho el vacío por medio de campos eléctricos y magnéticos, son acelerados y conducidos a la región del blanco o hacia los detectores.
Uno de estos aceleradores positivos es el espectrómetro de masas, que se utiliza para medir pequeñas diferencias de masa. Los iones positivos se aceleran y luego sufren la influencia de un potente imán que desvía a los iones de manera proporcional a sus masas. Colocando los detectores apropiadamente, podremos averiguar la proporción de las distintas masas presentes en el haz original. Esta información es muy valiosa y se emplea, por ejemplo, para determinar edades geológicas, o averiguar el origen de las aguas subterráneas.
Muchos otros aceleradores han desarrollado los físicos para analizar la materia. Contamos ahora con aparatos que usan electrones lentos para estudiar las superficies de los sólidos y con otros que producen electrones rapidísimos, con velocidades semejantes a la de la luz, y que se usan para el estudio de sistemas subnucleares. A medida que avancemos habrá oportunidad de mencionar varios de estos aceleradores y su empleo para descifrar algún secreto de la naturaleza. Es interesante hacer notar, desde ahora, que al igual que el microscopio electrónico, el espectrómetro de masas y el aparato de rayos X, todos los aceleradores que han inventado los físicos en su afán de ver más allá, representan también una arma poderosa, una nueva técnica, para resolver problemas que enfrenta el hombre en su vida cotidiana.
