V. �SE PUEDE TRANSFORMAR EL N�CLEO DE UN �TOMO EN OTRO?

EFECTIVAMENTE, el n�cleo de un �tomo radiactivo, por ser inestable, se transforma, al decaer, en otro n�cleo. Sin embargo, los �tomos estables tambi�n pueden transformarse; esto se logra a trav�s de las reacciones nucleares cuando los n�cleos interact�an con otros n�cleos, con part�culas o con radiaciones de elevada energ�a. La primera reacci�n nuclear provocada por el hombre fue la transformaci�n o transmutaci�n de un elemento en otro: el sue�o de los alquimistas.

EL SUE�O DE LOS ALQUIMISTAS Y LA F�SICA NUCLEAR

Durante la Edad Media el deseo de encontrar alg�n m�todo de convertir un metal ordinario en oro era el est�mulo principal de la investigaci�n. Muchos alquimistas se esforzaron por encontrar la piedra filosofal, que, seg�n supon�an ellos, convertir�a minerales y metales, como el mercurio y antimonio, en oro; quer�an encontrar la forma de transmutar un elemento en otro. Pero en el siglo XVII la alquimia entr� en plena decadencia y ya en el siglo XVIII se transform� en la ciencia que ahora llamamos qu�mica. A finales del siglo pasado los cient�ficos ya no pensaban en la transmutaci�n de la materia y cre�an que los elementos qu�micos descubiertos eran definitivamente estables, que el mercurio y antimonio ser�an siempre mercurio y antimonio y el oro ser�a siempre oro. Nunca imaginaron que la transmutaci�n de un elemento en otro volver�a a ser un tema de actualidad.

Cuando se estableci� que las propiedades qu�micas del �tomo dependen del comportamiento del n�cleo y se comprendieron los cambios y las transformaciones que acompa�an a la radiactividad, muchos investigadores concibieron una idea verdaderamente fascinadora. Pensaron que el hombre podr�a, tal vez, alterar el n�cleo de un �tomo estable convirtiendo deliberadamente un elemento en otro distinto.

Una vez m�s aparece en esta historia ese famoso personaje ya bien conocido en las p�ginas de este libro, Ernest Rutherford. Este cient�fico pens� que era posible que el n�cleo de un �tomo pudiera alterarse al ser bombardeado con part�culas alfa, como las que emite la materia radiactiva. Bajo condiciones favorables, estas part�culas debieron de pasar muy cerca del n�cleo, en cuyo caso podr�an o bien desarreglar su forma original, o bien, tal vez, combinarse con el mismo. Con esta idea bombarde� diversos gases con part�culas alfa, y hall� que en ocasiones una part�cula alfa se combinaba con un n�cleo de nitr�geno y que la combinaci�n resultante emit�a inmediatamente un prot�n y se transformaba finalmente en uno de los is�topos de ox�geno. �sta fue la primera vez que se produjo deliberadamente la transmutaci�n de un elemento qu�mico estable en otro. Desde entonces, casi todos los elementos conocidos han sido transmutados por medio de bombardeo con diversas part�culas. En esta forma, Rutherford llev� triunfalmente a cabo la primera reacci�n nuclear hecha por el hombre.

Esto es un aut�ntico ejemplo de transmutaci�n, de conversi�n de un elemento en otro. En cierto modo, es la culminaci�n de los viejos anhelos alquimistas, pero, desde luego, implica elementos y t�cnicas que los alquimistas desconoc�an por completo. Esta reacci�n ahora se puede expresar en forma taquigr�fica:

¹⁴N (a, p)¹⁷ 0

queriendo decir con esto que el �tomo de nitr�geno-14 al capturar una part�cula alfa, forma un n�cleo compuesto muy inestable que al buscar su estabilidad emite inmediatamente un prot�n transform�ndose as� en un �tomo de ox�geno-17.

Hoy en d�a, el mercurio puede transformarse de hecho en oro, mediante t�cnicas nucleares; pero el costo actual de esta transmutaci�n ser�a tan elevado que el proceso resultar�a un fracaso econ�mico. Como muchos sue�os, el de los alquimistas result� finalmente no ser econ�micamente tan prometedor como parec�a.

Ahora se conocen gran n�mero de reacciones nucleares, entre ellas la reacci�n de captura de un neutr�n. Los n�cleos al capturar un neutr�n forman primero un n�cleo compuesto excitado que a su vez, por emisi�n de rayos gamma de muy elevada energ�a, decae a un estado menos excitado. Esta interacci�n se conoce con el nombre de reacci�n nuclear (n, g)

LA FISI�N NUCLEAR: EL ROMPIMIENTO DEL N�CLEO DEL �TOMO

Otra reacci�n nuclear sumamente importante en la serie de descubrimientos cient�ficos es el rompimiento del n�cleo del �tomo. Para hablar de este fen�meno, situ�monos en el ambiente cient�fico de los a�os treinta. En 1934 ya se hab�a descubierto la radiactividad artificial. Los cient�ficos de esta �poca se pusieron a trabajar inmediatamente en producir nuevos n�cleos en forma artificial. En particular en estas �reas se distinguieron tres grupos de investigadores encabezados por cient�ficos notables: en Italia, Enrico Fermi; en Francia, los esposos Fr�d�ric e Ir�ne Joliot-Curie; en Alemania, Otto Hahn y su t�a Lise Meitner.

Las primeras part�culas utilizadas para bombardear los n�cleos at�micos fueron las part�culas alfa, que, por estar cargadas positivamente, eran rechazadas por los n�cleos at�micos cargados tambi�n positivamente, ya que las cargas el�ctricas del mismo signo se repelen entre s�.

El descubrimiento del neutr�n abri� nuevas posibilidades; por no tener carga se acept� con verdadero entusiasmo entre los investigadores nucleares, pues era el proyectil ideal para bombardear n�cleos y producir reacciones nucleares, con la ventaja de poder dispararse hacia el n�cleo cargado sin temor a ser repelido por las cargas presentes, lo cual era una de las dificultades que presentaba la part�cula alfa cuando se utilizaba como proyectil. En otras palabras, la trayectoria del neutr�n en general no se afecta por los electrones negativos del �tomo, y no se desv�a como una part�cula cargada y s�lo lo hace ocasionalmente a trav�s de colisiones con los electrones de la corona. Sin embargo, cuando se acerca mucho al n�cleo, el neutr�n queda sujeto a las fuerzas muy intensas que existen entre los protones y neutrones en el n�cleo.

El primero que investig� en detalle el bombardeo con neutrones fue Enrico Fermi (Fig. 25). Comenz� su trabajo casi inmediatamente despu�s de enterarse del descubrimiento del neutr�n. �l y sus colaboradores produjeron radiactividad en forma artificial, bombardeando los n�cleos de los �tomos ya no con part�culas alfa sino con neutrones.

Figura 25. Enrico Fermi (al centro) acompa�ado por Ernest Lawrence e Isidor Rabi.

En esa forma produjeron nuevos n�cleos de casi todos los elementos, muchos de ellos radiactivos, y descubrieron un gran n�mero de is�topos radiactivos. En su primera publicaci�n sobre estos trabajos, Fermi reconoci� que 47 de los 68 elementos que examin� al ser irradiados con neutrones se activaron transform�ndose en is�topos radiactivos.

Fermi descubri� en esa �poca un fen�meno que estaba muy relacionado con estos experimentos. Hall� que los neutrones eran particularmente eficaces para producir radiactividad si primero se hac�an pasar a trav�s de agua o parafina. Los �tomos de estos compuestos absorb�an parte de la energ�a de los neutrones y �stos reduc�an su velocidad al atravesar los materiales ricos en carbono e hidr�geno. De este modo, los neutrones eran frenados hasta que se mov�an s�lo con la velocidad normal de las mol�culas a la temperatura ambiente. Tales neutrones lentos permanec�an en las proximidades de un n�cleo determinado durante un tiempo m�s largo, y eran absorbidos con m�s probabilidad que los neutrones r�pidos. Los neutrones lentos, as� conseguidos, induc�an m�s f�cilmente la radiactividad al incidir sobre los elementos. Encontraron que en algunos casos la captura de un neutr�n por un n�cleo iba acompa�ada por la emisi�n de una part�cula beta. Esta reacci�n produc�a un �tomo cuya carga nuclear positiva hab�a aumentado en una unidad y, por consiguiente, pertenec�a en el pr�ximo puesto m�s elevado en la tabla peri�dica.

Fascinados por estos resultados, Fermi y sus colaboradores concibieron la idea de hacer un ensayo parecido con uranio, el �ltimo elemento hasta entonces conocido en la tabla peri�dica. As�, bombardearon el uranio con neutrones, para ver si pod�an producir �tomos m�s pesados que el uranio (elementos transur�nicos), ya que en aquella �poca el uranio ten�a el mayor n�mero at�mico de la tabla peri�dica, con 92 protones. Fermi y sus colaboradores pensaban que el n�cleo del uranio-238 al capturar un neutr�n aumentar�a su masa en una unidad y al decaer por una o varias desintegraciones beta podr�a producir elementos de 93, 94 o 95 protones.

Sin embargo, mucho despu�s se tendr�a que reconocer que lo que estaban observando no eran los elementos transur�nicos, como pensaba Fermi. De lo que s� se dio cuenta Fermi es que al bombardear el uranio y torio con neutrones lentos las radiaciones emitidas eran muy intensas; advirti�, adem�s, que en estos dos elementos el fen�meno de activaci�n era complejo y que en vez de producir un is�topo nuevo se produc�a una mezcla de is�topos radiactivos.

El estudio de los efectos producidos por el bombardeo de uranio con neutrones result� ser una tarea complej�sima. Los resultados formaron un laberinto tan dif�cil e intrigante que se trabaj� arduamente por varios a�os tratando de resolverlo.

Muchos laboratorios en esa �poca se dedicaron a buscar los elementos de m�s de 92 protones. Durante cuatro a�os, principalmente en laboratorios de Italia, Francia y Alemania, se bombardeaban los materiales con neutrones y se identificaban los productos radiactivos. Durante todo este tiempo se encontraron muchos is�topos radiactivos, pero los resultados obtenidos confund�an cada vez m�s a los investigadores, pues como consecuencia de bombardear el uranio con neutrones se encontraban continuamente nuevos productos.

En esa �poca se multiplicaron las publicaciones sobre este tema, inclusive se consider� la posibilidad de que la creencia de Fermi respecto a haber obtenido elementos con 93, 94 o 95 protones era d�bil, y se hizo ver la posibilidad de que el uranio estallara y formara elementos m�s ligeros. �Cu�nta raz�n ten�an! Pero esta observaci�n no fue tomada en cuenta. De haberse considerado, se hubieran evitado varios a�os de esfuerzo.

En el grupo franc�s tambi�n se analizaron estas posibilidades; los esposos Joliot-Curie y sus colaboradores se quedaron asombrados de encontrar como producto del bombardeo del uranio con neutrones un elemento como el lantano, el cual, como ellos sab�an, solamente tiene 40 protones, mientras que el uranio tiene 92.

Cambiar el uranio en lantano significaba una disminuci�n de... �52 protones! Ser�a como pensar que el �tomo de uranio se hubiese partido aproximadamente por la mitad. Discutieron largamente este resultado y trataron de explicarlo como producido por el rompimiento del uranio irradiado en dos fracciones, pero finalmente desecharon esta hip�tesis y publicaron �nicamente que hab�an encontrado un elemento radiactivo, que se podr�a separar junto con el elemento lantano.

Las controversias y discusiones que tuvieron los Joliot-Curie con el grupo alem�n, particularmente con Lise Meitner, excelente radioqu�mica berlinesa, y con su sobrino Otto Hahn (Fig. 26), fueron conocidas en todo el medio cient�fico. Los cient�ficos alemanes no pod�an creer que el experimento realizado en Francia al irradiar el uranio con neutrones pudiera dar lugar al lantano. Sin embargo, para confirmar sus propios resultados, Otto Hahn con sus colaboradores repitieron los experimentos en Alemania. Encontraron, por su parte, que el elemento radiactivo separado se comportaba como el bario, pero al verificar la t�cnica utilizada por el grupo encabezado por los esposos Joliot-Curie encontraron tambi�n, como ellos, lantano en la mezcla.

Figura 26. Otto Hahn (1) y Lise Meitner acompa�ados por un grupo de eminentes cient�ficos.

El panorama cient�fico en esa �poca era bastante confuso. Cada grupo cient�fico obten�a gran n�mero de is�topos radiactivos al bombardear el uranio con neutrones, pero nadie hab�a podido dar una explicaci�n correcta.

Fermi y sus colaboradores, en su b�squeda de elementos con un n�mero mayor de protones que el uranio hab�an encontrado algo que nunca pudieron explicar correctamente. Por su parte los esposos Joliot-Curie y sus colaboradores se acercaron mucho a la verdad al pensar que el uranio podr�a dividirse en dos fracciones, pero no se atrevieron a definir y a apoyar su idea, que estar�a de acuerdo con las predicciones hechas anteriormente. Por fin, en el a�o de 1939 Otto Hahn y sus colaboradores anunciaron la soluci�n del problema.

Su m�rito principal fue el de interpretar correctamente el fen�meno. Efectivamente, los cient�ficos alemanes encontraron que cierto n�cleo de uranio —el uranio-235, como despu�s se supo— se romp�a al ser bombardeado con neutrones lentos; es decir, se part�a en dos fracciones que a su vez produc�an elementos m�s ligeros, por lo general radiactivos.

A este fen�meno se le llam� fisi�n nuclear, siendo los productos de fisi�n los elementos ligeros formados.

La reacci�n en cadena

El art�culo sobre la fisi�n nuclear del uranio, publicado por el grupo de Otto Hahn, lleg� a manos de Fr�d�ric Joliot unos diez d�as despu�s. Es f�cil imaginar la disilusi�n de los cient�ficos franceses al saber que la idea que hab�an desechado era la respuesta a sus experimentos.

Como consecuencia del descubrimiento de la fisi�n nuclear se publicaron muchos art�culos, principalmente en Alemania, Jap�n y Francia.

La noticia de este descubrimiento cre� gran agitaci�n entre los cient�ficos, pues pensaban que un proceso nuclear de esta naturaleza liberar�a inmensas cantidades de energ�a.

La agitaci�n fue a�n mayor cuando se dieron cuenta de que el proceso de la fisi�n del n�cleo iba acompa�ada de la liberaci�n de varios neutrones nuevos.

El grupo franc�s, en particular, se dedic� a investigar el reci�n descubierto fen�meno de la fisi�n nuclear. Fr�d�ric Joliot en pocos d�as lleg� a dos conclusiones de primordial importancia: que cada fisi�n nuclear deb�a liberar una cantidad de energ�a considerable y que junto oon los productos de fisi�n, tales como el bario o el lantano, con menos neutrones que el �tomo de uranio original, deb�a emitirse uno o varios neutrones en cada fisi�n. Para realizar estas investigaciones Joliot form� un grupo de trabajo en el Colegio de Francia.

Los investigadores del Colegio de Francia compararon el conjunto de neutrones formado durante la fisi�n nuclear con el de la poblaci�n humana, en que ciertos individuos tienen descendencia mientras otros no la tienen. Los neutrones que producen m�s fisiones son como los individuos que tienen descendientes, mientras que aquellos que no producen fisi�n y que s�lo son absorbidos por la materia los compararon con los individuos que no tienen descendencia. Para que la poblaci�n de neutrones en el material fisionable se mantenga constante, cada una de las fisiones debe dar origen por lo menos a una nueva fisi�n.

Joliot y sus colaboradores evaluaron la tasa de natalidad de los neutrones, es decir, el n�mero de neutrones emitidos por cada fisi�n. Ahora se sabe que en cada fisi�n se liberan en promedio dos o tres neutrones. Sus resultados mostraron la posibilidad de que, us�ndose un material de n�mero peque�o, como el hidr�geno, para frenar a los neutrones generados en la reacci�n de fisi�n a fin de volverlos lentos, pudieran producir m�s fisiones, y dar origen a m�s neutrones, y as� sucesivamente, lo cual har�a posible la generaci�n de reacciones nucleares de fisi�n en cadena. Estos estudios mostraron la posibilidad de usar la fisi�n para producir energ�a.

De esta manera, el grupo formado por Joliot lleg� a una nueva etapa en su trabajo: despu�s de verificar el fen�meno de la fisi�n y la producci�n de neutrones, estudiaron la energ�a aprovechable producida por las reacciones de fisi�n nuclear en cadena. En esta nueva etapa, el grupo del Colegio de Francia compet�a en una carrera cient�fica en la que participaban los pa�ses m�s poderosos de esa �poca. Despu�s de muchos estudios llegaron a la conclusi�n de que podr�an mantener una reacci�n en cadena en forma constante utilizando uranio enriquecido en uranio-235 o bien uranio natural. Se dieron cuenta de que para hacer funcionar un reactor nuclear con uranio natural era necesario contar con un material que les permitiera frenar los neutrones de la fisi�n hasta convertirlos en neutrones lentos, y consideraron que el agua pesada era el material adecuado.

Cada �tomo de uranio fisionado provocar�a la fisi�n de varios m�s (Fig. 27), en una reacci�n nuclear en cadena, con un resultado semejante al de la reacci�n qu�mica en cadena. Pero como las reacciones nucleares implicaban intercambios energ�ticos mucho mayores que las reacciones qu�micas, los resultados de una reacci�n nuclear en cadena ser�an mucho m�s formidables. Partiendo de unos cuantos neutrones, con una insignificante energ�a, podr�an liberarse reservas enormes de energ�a.

Figura 27. Diagrama de una reacci�n en cadena como resultado de la fisi�n
de los �tomos de uranio-235.

La enorme energ�a que se libera en el proceso de la fisi�n nuclear en cadena es aprovechada hoy d�a en muchos pa�ses para producir energ�a el�ctrica mediante reactores nucleares, los cuales tambi�n se usan para otros prop�sitos, como son la producci�n de is�topos radiactivos y la investigaci�n cient�fica (Figs. 28 y 29).

Figura 28. Exterior del Centro Nuclear de Salazar, Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares. (Fotograf�a: Roberto Campos.)

Figura 29. Interior del Centro Nuclear de Salazar, ININ.

REACCIONES SZILARD-CHALMERS

La ciencia se ve enriquecida continuamente con descubrimientos que permiten desarrollar nuevas t�cnicas que son factores decisivos para llegar a conocer mejor la estructura de la materia.

Este es el caso del descubrimiento que hicieron Fermi y sus colaboradores al descubrir que era posible preparar is�topos radiactivos bombardeando elementos qu�micos con neutrones. Sin embargo, los is�topos formados, en muchos casos, siendo is�topos del mismo elemento irradiado, no pod�an ser separados y aislados utilizando t�cnicas qu�micas. Esto indujo a Szilard y a Chalmers a buscar la forma de separar un is�topo radiactivo de otros is�topos del mismo elemento utilizando t�cnicas qu�micas.

La separaci�n de los is�topos de un mismo elemento

En 1934 Szilard y Chalmers bombardearon una soluci�n de yoduro de etilo (I-etilo) con neutrones, propiciando as� una reacci�n de captura de neutr�n por el n�cleo del yodo y observaron que una parte del yodo-128, formado por la reacci�n de captura de un neutr�n por el n�cleo del yodo-127, se encontraba en forma de yodo libre y no en la forma del yoduro de etilo original.

Este experimento demostr� que las consecuencias de la reacci�n nuclear en el �tomo de yodo son capaces de romper el enlace I-etilo. Este efecto, conocido despu�s como "Szilard-Chalmers", proporcion� en esta forma una manera muy simple de separar is�topos de un mismo elemento, por v�a qu�mica. En general dos formas qu�micas diferentes de un mismo elemento se pueden separar f�cilmente por t�cnicas qu�micas; en este caso la t�cnica utilizada para separar el yodo y el yoduro de etilo fue la de extracci�n por solventes que se lleva a cabo por la agitaci�n del producto bombardeado con neutrones en una mezcla de dos l�quidos, uno acuoso y otro org�nico. En la fracci�n org�nica encontraron el yodo-128 separado completamente de su is�topo el yodo-127. Este ejemplo muestra la forma de separar dos is�topos de un mismo elemento por medio de una operaci�n qu�mica muy sencilla, mientras que la mayor�a de los m�todos f�sicos para separar dos is�topos de un mismo elemento est�n basados en la diferencia de masa de ellos, que es en general una diferencia peque�a. Esto hace que el procedimiento sea costoso y que precise de instrumentos muy complejos.

Fermi y sus colaboradores explicaron el efecto Szilard-Chalmers como la consecuencia del retroceso del n�cleo debido a la emisi�n del fot�n en el proceso que conocemos como (n, g).

En general todas las transformaciones nucleares se acompa�an de retrocesos nucleares m�s o menos intensos que pueden dar lugar a un cambio del sistema electr�nico del �tomo, causando de esta forma modificaciones qu�micas en la mol�cula en que se encuentra el n�cleo transformado.

Si el �tomo que sufre alguna de las transformaciones nucleares se encuentra formando parte de una mol�cula, la energ�a de retroceso del n�cleo transformado puede romper el enlace qu�mico y quedar todav�a con una energ�a muy elevada; a menudo, esta energ�a cin�tica es tan alta, que el �tomo energ�tico no puede inicialmente formar combinaciones qu�micas. La energ�a se disipa por colisiones con otros �tomos del medio; y finalmente, despu�s de que se frena parcialmente, tienen gran capacidad de reaccionar con compuestos y radicales del Medio y formar por �ltimo un compuesto qu�mico diferente al compuesto original del que parti�.

La probabilidad de formaci�n de nuevos n�cleos por cualquiera de los procesos nucleares es, en la mayor�a de los casos, muy peque�a: quiz�s uno de un mill�n de �tomos pueda transformarse en otro n�cleo; y en general es muy dif�cil detectarlo por los m�todos anal�ticos tradicionales. Estos �tomos nuevos, por lo general, son radiactivos; esto permite que se puedan detectar f�cilmente por la radiaci�n que emiten. En esta forma se puede estudiar su paso por la materia y su comportamiento.

Los efectos mencionados fueron usados en la pr�ctica inmediatamente despu�s de su descubrimiento; la primera aplicaci�n fue en la separaci�n de is�topos radiactivos de los dem�s is�topos de un elemento. Un ejemplo cl�sico est� dado por la separaci�n del radis�topo del cromo-50, que es uno de los is�topos del cromo que existen en la naturaleza; sometiendo este elemento a la acci�n de un flujo de neutrones se obtiene cromo-51.

Para que esta reacci�n nuclear produzca un cambio qu�mico, es necesario que el cromo forme parte de un compuesto qu�mico adecuado. En el cromato de potasio, el cromo es hexavalente, es decir, utiliza seis de sus electrones extranucelares. Al analizar el producto despu�s de su irradiaci�n con el cromo, parte del cromo-51 formado se encuentra en forma de cromo trivalente. �ste es un procedimiento sencillo para separar el is�topo de peso 51 de los otros is�topos del cromo, ya que la fracci�n del cromo-51 en forma trivalente se puede separar del cromo original por medio de t�cnicas qu�micas.

La separaci�n qu�mica de is�meros nucleares

La misma t�cnica que se utiliza para separar is�topos se puede aplicar a la transici�n isom�rica, y puede emplearse para separar is�meros nucleares. Los is�meros nucleares son aquellos n�cleos que tienen masas y cargas id�nticas, pero diferentes propiedades radiactivas.

El n�cleo metaestable puede decaer por emisi�n de radiaci�n gamma a su is�mero en el estado b�sico; el estado b�sico es el de m�s baja energ�a del is�mero nuclear. A menudo estos is�meros nucleares en el estado b�sico tambi�n son radiactivos.

Un ejemplo muy interesante est� dado por la separaci�n del is�mero nuclear en el estado base del selenio-81b, de su correspondiente is�mero nuclear metaestable, selenio-81m, y los otros is�topos del selenio. El selenio natural tiene varios is�topos, entre ellos el selenio-80. Las reacciones nucleares de captura de neutrones en los n�cleos del selenio-80 producen los dos is�meros del selenio-81. Con la mezcla de is�meros nucleares del selenio, es necesario formar un compuesto adecuado como el selenato de potasio. El selenio-81 m, al emitir radiaci�n y decaer as� por transici�n isom�rica a selenio 81b, rompe sus ligaduras y se estabiliza en la forma de selenio-81b tetravalente. Como el selenio tetravalente se puede separar del selenio hexavalente por t�cnicas qu�micas, este efecto permite tambi�n separar, por m�todos qu�micos, los is�meros nucleares selenio-81b de los otros is�topos del selenio.