I. �QU� SON LAS CARGAS?
EN ESTE cap�tulo vamos a recopilar el conjunto de propiedades fundamentales de las cargas el�ctricas. En su mayor�a pueden ser conocidas de muchos lectores porque los fen�menos electromagn�ticos tienen una historia venerable. Me gustar�a recordar aqu� los aspectos m�s interesantes del electromagnetismo. Para todos ser� agradable imaginar los grandes esfuerzos realizados por miles de pensadores con el solo objeto de descubrir y organizar las diferentes ideas sobre estos temas. Al recordar la formaci�n, lenta, de estos conceptos nos maravillamos de la estructura tan elegante y simple con la cual hoy podemos entender tantas propiedades que en el pasado estaban disconexas y sin relaci�n evidente. El mundo parec�a el reino de la confusi�n, cuya �nica explicaci�n era el caos. Mediante la labor continua y paciente de muchos cient�ficos curiosos, de muchas mentes ingeniosas en busca de lo nuevo y de lo �til, se fueron descubriendo propiedades y aplicaciones, se encontraron relaciones y analog�as. Se hicieron s�ntesis y generalizaciones.
Las cargas el�ctricas son part�culas que ejercen fuerzas atractivas y repulsivas entre ellas. Por ser part�culas, tienen una masa que se opone a ser acelerada por fuerza alguna, y sufre la atracci�n gravitacional del centro de la Tierra, como todos los dem�s cuerpos sobre la superficie del mundo.
Se dividen en dos tipos diferentes: las cargas positivas y las cargas negativas. Una positiva y una negativa se atraen entre s�. Si se atraen, deben ser de distinta carga.
Las cargas negativas repelen a las cargas negativas. Las cargas positivas tambi�n se repelen entre s�.
Si encontramos una carga desconocida, para preguntarle su tipo de carga le acercamos una carga positiva. Si se aleja la carga desconocida de la carga positiva es porque se trata de una carga positiva; si la carga —antes desconocida— es atra�da por la carga positiva sabremos en ese momento que es negativa.
Si una part�cula no se aleja ni se acerca de una carga positiva, entonces no es una carga sino una part�cula neutra.
Estoy suponiendo aqu� que para alejarse o acercarse estas part�culas est�n en libertad de moverse, no est�n sujetas por otra fuerza el�ctrica o de otro tipo.
La fuerza el�ctrica entre cargas se llama fuerza de Coulomb; es directamente proporcional a las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas. Es decir, al aumentar una carga, 2, 3, 4, etc., veces en el mismo lugar, la fuerza aumenta 2, 3, 4, etc., veces. Al incrementar la distancia entre las cargas 2, 3, 4, etc. veces, la fuerza disminuye de tama�o a 1/4, 1/9, 1/16, etc. de su tama�o original, porque 4 es el cuadrado de 2, 9 es el cuadrado de 3, 16 es el cuadrado de 4, y as� sucesivamente. Con ayuda de s�mbolos, si F representa la fuerza, q la carga, R la distancia y una A constante, entonces la relaci�n entre la fuerza, la carga y la distancia, se representa por la ecuaci�n
donde la X representa la operaci�n de multiplicar y / la operaci�n de dividir.
La constante A es proporcional a la otra carga diferente de q.
Se le llama campo el�ctrico a la fuerza por unidad de carga que se sentir�a al colocar en un punto a una carga. En cualquier punto de la vecindad de una carga hay un campo. Ese campo se convierte en una fuerza hasta que colocamos una carga. Mientras no hay una carga el campo no produce fuerza. En ausencia de carga ese campo s�lo puede ser observado cuando produce efectos luminosos, como m�s adelante veremos.
Si unimos varias cargas pueden formarse part�culas neutras a condici�n de tomar la misma cantidad de carga positiva que de carga negativa. Las part�culas neutras tienen una compensaci�n casi total de la fuerza el�ctrica positiva con la negativa. Digo casi total porque las dos cargas no est�n situadas en el mismo lugar y la peque�a diferencia de localizaciones produce un efecto medible llamado dipolar porque reconoce dos centros diferentes.
Sabemos ahora que todas las sustancias est�n formadas por cargas, pero generalmente esas sustancias las observamos en forma neutra con un equilibrio de carga positiva y negativa.
La part�cula m�s peque�a de una sustancia es una mol�cula. Y tambi�n las mol�culas de una sustancia son iguales entre s�. Hay millones de sustancias diferentes y todas tienen mol�culas diferentes, pero estos millones de mol�culas est�n formadas por un poco m�s de s�lo cien tipos diferentes de �tomos de los elementos qu�micos. Las combinaciones de �tomos en proporciones diferentes son las que producen la gran variedad de mol�culas.
Cada �tomo est� formado por un n�cleo pesado de carga positiva el cual se halla rodeado por una nube ligera de cargas negativas, los electrones. Todos los electrones tienen la misma carga y el mismo peso, todos parecen iguales entre s�. El n�cleo de carga positiva de este �tomo est� formado de protones y neutrones. Los protones son cargas positivas, y los neutrones —su nombre lo dice— son part�culas neutras. En un �tomo hay el mismo n�mero de protones y de electrones, y entonces es neutro.
El prot�n tiene la misma cantidad de carga que el electr�n pero positiva. Por otra parte, los protones y neutrones son mucho m�s pesados que los electrones —m�s de mil ochocientas veces—, pero los pesos de un prot�n y de un neutr�n son casi iguales entre s�.
Se observa aqu� una aparente falta de simetr�a en la naturaleza. Electrones y protones con la misma carga pero con masas tan diferentes. La simetr�a se recupera cuando encontramos los positrones, electrones positivos con igual masa que el electr�n. Asimismo se encuentran los negatones, protones negativos con igual masa que el prot�n. Pero ni aun esto recupera del todo la simetr�a del mundo, puesto que los protones y electrones, con sus masas tan diferentes, son los que dominan por su gran n�mero todas las sustancias observadas. Los positrones y negatones son excepciones del Universo que contemplamos.
En un �tomo la carga total se anula o neutraliza porque el n�mero de electrones es igual al de protones.
�Por qu� todos los electrones tienen la misma carga? �Por qu� los protones tienen el mismo valor de carga, con distinto signo? No hay una respuesta f�cil a estas preguntas; formulamos tan s�lo el hecho sin pretender aqu� una respuesta. N�tese que aunque en valor absoluto las cargas de electr�n y prot�n sean iguales, sus masas sin embargo son muy diferentes, casi dos mil veces. Mucho m�s f�cil es contestar a la pregunta �c�mo sabemos que las cargas tienen todas el mismo valor? En respuesta a lo anterior resulta interesante recordar las dos experiencias de Millikan y Faraday. Veamos primero la de Millikan.
El experimento de Millikan permiti� comprobar que la carga se da en paquetes enteros iguales a la carga del electr�n. Hubo antes otros experimentos similares pero menos claros. En este experimento, sin embargo, con un microscopio cuyo tubo estaba colocado horizontalmente, se observ� una peque�a gota de aceite en un conjunto de gotas esparcidas dentro de una c�mara transparente. Las gotas se cargan el�ctricamente al radiarlas con rayos X. La gota bajo observaci�n cae con velocidad constante como resultado de la acci�n combinada de la gravedad y la fricci�n del aire. Posteriormente se aplica un campo el�ctrico que obliga a las gotas a ascender con velocidad, tambi�n constante. De la medici�n de ambas velocidades es posible deducir el valor de la carga que porta la gota. Las observaciones de Millikan en muchas gotas permiten afirmar que no se encuentra carga menor a la carga del electr�n. Adem�s, todas las cargas medidas son un m�ltiplo de la carga del electr�n.
Este resultado experimental es congruente con todas las dem�s mediciones llevadas a cabo hasta ahora, relacionadas con el valor de la carga. No existe evidencia experimental de que se haya medido una part�cula con una carga que sea una fracci�n de la carga del electr�n. Pero tampoco hay nada que prohiba su existencia. En el futuro es muy probable que pueda dividirse el electr�n y sus constituyentes podr�n tener valores fraccionarios de su carga. Tal divisi�n es hoy �nicamente una especulaci�n fuera de la verificaci�n cient�fica.
El experimento de Faraday permite tambi�n medir la carga del electr�n y hablaremos de �l m�s adelante, despu�s de haber explicado la idea de is�topo.
Entre protones y neutrones se ejerce una fuerza aglutinante del n�cleo que impide que los protones estallen y se repelan entre s�, como lo hacen todas las cargas positivas. Ésta es la enorme fuerza de uni�n nuclear que se percibe s�lo a distancias muy peque�as y supera m�s de cien veces a la fuerza el�ctrica de Coulomb. Si con un enorme gasto de energ�a se separan dos porciones con carga positiva de un n�cleo a una distancia dada, la fuerza nuclear deja de existir como uni�n de las dos cargas positivas y esos dos pedazos de n�cleo se repelen con la fuerza el�ctrica entre cargas positivas, pero ya no se siente la fuerza nuclear. En resumen, la fuerza nuclear es enorme a distancias muy peque�as y se vuelve de poca intensidad cuando crece la distancia que separa a las cargas.
La desaparici�n de la fuerza nuclear en estas circunstancias tiene alg�n parecido con un s�lido que se rompe en dos partes: ya no hay fuerza tan grande entre esas dos partes del s�lido como hab�a antes de romperse.
En el Universo hay otras part�culas cargadas y neutras: positrones tan ligeros como los electrones con carga positiva, y negatones tan pesados como los protones y neutrones pero con carga negativa y muchas otras part�culas m�s que ser�n descritas con mayor detalle en otros libros de esta serie. Muchas de estas part�culas no son tan frecuentes o evidentes en nuestra discusi�n, por lo que tendremos que dejarlas de lado. Le damos la mayor importancia a electrones, protones y neutrones que constituyen casi la totalidad de las sustancias conocidas. M�s adelante, forzados por la necesidad de considerar altas energ�as, el n�mero de las part�culas encontradas no tendr� límite.
Por lo pronto, quiero mencionar solamente a otras part�culas llamadas mesones Pi, los cuales pueden ser positivos, negativos y neutros. Estos mesones aparecen en el n�cleo como una especie de intermediarios en las transformaciones prot�n a prot�n, prot�n a neutr�n, neutr�n a prot�n y neutr�n a neutr�n, que ocurren en el n�cleo —y fuera de �l— y son responsables de la fort�sima uni�n entre ellos, la fuerza nuclear capaz de ganarle a la fuerza el�ctrica de Coulomb.
Las primeras cargas el�ctricas se hicieron notar como una fuerza de atracci�n entre dos materiales que se frotaban. El frotamiento originaba que los electrones de un material pasaran al otro y, as�, quedaban cargados ambos. Uno con carga positiva, por haber perdido electrones, el otro con carga negativa por haberse quedado con m�s electrones de los necesarios para que hubiera neutralidad.
Por ejemplo, cuando se frota resina con vidrio, la resina se carga positivamente y el vidrio negativamente. Todas las cargas que repele el vidrio frotado son cargas negativas. Todas las cargas atra�das por ese vidrio son positivas.
Todos los �tomos, con el mismo n�mero de electrones —o protones—, tienen las mismas propiedades qu�micas y forman la parte m�s peque�a de un elemento qu�mico.
Vivimos siempre rodeados por cargas. �stas se encuentran generalmente dentro de sustancias neutras formadas por �tomos o por mol�culas. Al no estar solitarias las cargas no notamos su fuerza el�ctrica que mantiene en equilibrio todas las cargas a nuestro alrededor.
En nuestra casa las cargas el�ctricas son familiares en forma de corriente de cargas que circula por conductores met�licos aislados por materiales no conductores llamados diel�ctricos tales como los pl�sticos, el aire, el vidrio, la cer�mica, etc�tera.
Las cargas tienen gran dificultad en atravesar a los diel�ctricos pero caminan libremente en los metales. Algunos electrones de cada �tomo del metal, los cuales se dice que est�n en la banda de conducci�n, se mueven f�cil y r�pidamente de un �tomo al vecino cuando son impulsados por la energ�a producida en las centrales el�ctricas o en cualquier otra fuente a fin de transformar trabajo o energ�a qu�mica en energ�a electromagn�tica.
Al pasar por resistencias, la corriente de cargas el�ctricas puede tostar el pan y permite cocinar, calienta la habitaci�n y plancha la ropa. Si pasa por las l�mparas, produce incandescencia de filamentos o tubos, e ilumina. Da la fuente de energ�a para amplificar las se�ales de radio y televisi�n. En nuestra computadora, ilumina la pantalla y pone en funcionamiento a la memoria y al procesador.
Una de las funciones interesantes que produce la corriente el�ctrica es la posibilidad de generar movimiento mec�nico, que utilizamos en los motores del taladro, la aspiradora, las lavadoras de ropa o de trastos de cocina, la licuadora, en el refrigerador, y en tantos otros mecanismos �tiles. Este es uno de los grandes usos de la corriente, y es posible por la relaci�n entre el magnetismo y la electricidad.
Todos estos aparatos con motores el�ctricos funcionan por la inducci�n electromagn�tica. Las corrientes el�ctricas en los embobinados de alambres crean campos magn�ticos y los campos magn�ticos producen movimientos entre embobinados que pueden utilizarse en las formas que arriba se mencionaron, las cuales son muy conocidas y que encuentran tambi�n muchas otras aplicaciones usadas en el autom�vil y en el trabajo.
La factibilidad de convertir la energ�a el�ctrica en trabajo mec�nico y viceversa, la posibilidad de transformar el trabajo mec�nico en energ�a el�ctrica es uno de los grandes inventos en nuestros d�as. Se realiza por medio del dinamo inventado por el f�sico belga Gramme (1826-1901). Este invento se usa en las grandes centrales hidroel�ctricas, donde el trabajo mec�nico producido por una ca�da de agua mueve los enormes dinamos. En otras centrales puede usarse la energ�a geot�rmica; el vapor a alta presi�n y temperatura se escapa de la tierra en las regiones volc�nicas y este vapor puede mover turbinas y producir electricidad. Otras centrales usan motores Diesel o de gasolina. Recientemente se ha generalizado el uso de reactores nucleares los cuales se usan para transformar energ�a t�rmica en energ�a mec�nica y �sta, en el�ctrica.
Los reactores nucleares son menos conocidos, aunque son esencialmente una caldera que produce un fluido a temperatura muy alta y recibe el mismo fluido a una temperatura menor. El reactor eleva la temperatura del fluido. El calentamiento se produce mediante reacciones nucleares, las cuales ser�n posteriormente discutidas. La producci�n de reacciones nucleares est� moderada a fin de producir �nicamente la energ�a requerida y evitar la reacci�n en cadena, como ocurre en las bombas nucleares.
Veamos antes cu�les fueron los momentos culminantes de la historia del electromagnetismo.
Las propiedades magn�ticas observadas en la Antig�edad se explican ahora con el ferromagnetismo, una propiedad de algunos materiales, observada primero en el hierro. Un material ferromagn�tico en presencia de un campo magn�tico sufre una fuerte magnetizaci�n que se explica porque cada �tomo funciona como un peque�o im�n que se alinea con el campo, y entre los �tomos se establece un acoplamiento que viene a reforzar la tendencia al paralelismo con el campo externo, venciendo la propagaci�n del desorden producido por el incremento de la temperatura. Los metales ferromagn�ticos m�s importantes son el hierro, el cobalto, el n�quel, el gadolinio y el disprosio. Aleaciones de �stos y otros metales muestran el mismo fen�meno.
Las primeras referencias escritas en torno al magnetismo en China tienen m�s de 2 000 a�os de antig�edad.
Seg�n el bar�n Von Humboldt, en el Szuki de Szumthsian, libro chino que data de la primera mitad del siglo II de nuestra era, se menciona el carro magn�tico que el emperador Tschingwang de la dinast�a Tscheu, hab�a dado 900 a�os antes a los embajadores de Tunking y de la Cochinchina para que no pudieran extraviarse al volver a su pa�s. Y en el diccionario de Schuewen de Hintschin del siglo III de nuestra era, est� indicado el procedimiento en cuya virtud se puede comunicar a una l�mina de hierro, por medio de un frotamiento regularizado, la propiedad de dirigir una de sus puntas hacia el Sur. El Sur fue la direcci�n habitual de los navegantes chinos, como lo fue el Norte para los navegantes europeos.
El descubrimiento m�s antiguo que se recuerda relacionado con las fuerzas magn�ticas fue la br�jula, realizado por los chinos. �stos advirtieron la propiedad magn�tica de la Tierra al poder alinear a lo largo de los meridianos terrestres a una peque�a aguja imantada, pues la Tierra se comporta como un gran im�n que atrae a otros imanes. La llamada aguja de marear se transmiti� a la India y Arabia en el curso de los siglos. La aguja imantada se us� por los egipcios, durante la dominaci�n romana, para orientar sus barcos en las traves�as entre Ocelis y las costas de Malabar.
Figura 1. Im�n con limaduras a lo largo de las l�neas del campo.
El mineral magnetita se encontr� en la provincia griega de Magnesia en Tesalia. Existen escritos sobre las propiedades de este �xido de hierro desde 800 a.C. En el poema de Tito Lucrecio Caro De la naturaleza de las cosas, transcribo del libro VI:
Por lo que resta, empezar� a decir por qu� pacto
de natura ocurre que pueda el hierro atraer esta piedra que magneta
llaman por el patrio nombre los griegos porque fue en los fines patrios
de los magnesios surgida. |
Las ruinas de las civilizaciones precolombinas muestran en varios casos una orientaci�n de sus construcciones y monumentos, los cuales pudieron ser orientados por m�todos astron�micos o magn�ticos, sin que se sepa si s�lo procuraban presentar dos fases opuestas al orto y el ocaso del Sol. La orientaci�n de Uxmal, Cop�n y Ozibilchat�n, unos pocos grados hacia el Este, ha hecho pensar en una orientaci�n con ayuda de piezas magn�ticas. Tambi�n se han encontrado piezas pulidas de magnetita en la regi�n maya.
Seg�n Del R�o y M�ximo, en las ruinas olmecas de San Lorenzo, Veracruz, encontraron R. Roster y M. D. Coe una barra magn�tica de 3.5 cm, estudiada posteriormente por J. B. Carlson en la Universidad de Michigan. Esta barra tiene una edad estimada en tres mil a�os.
Las primeras citas de la aguja imantada en Europa est�n quiz� en la poes�a de la "Br�jula", en la Biblia sat�rica de Guyot de Provins (1190) y en la descripci�n de Palestina por el obispo de Tolemaida, Santiago de Vitry (1204-1215). Dante Alighieri, en el canto XII del "Para�so", menciona en una comparaci�n a la aguja (ago) que se dirige hacia la estrella del polo. Dice Dante:
... de en medio de una de aquellas nueve luces
sali� una voz que me atrajo hacia s�, como la estrella del polo atrae
a la aguja. |
Otra de las primeras referencias europeas sobre piedras magn�ticas es la del ingl�s Alexander Neckam, muerto en 1217. En la Edad Media se conoc�an algunas propiedades de las piedras magn�ticas.
En 1269, Pierre de Mericourt, el Peregrino, en su libro De magnete publica el primer trabajo cient�fico sobre las piedras imantadas. Conoc�a la existencia de los dos polos magn�ticos, Norte y Sur, sab�a que polos diferentes se atraen y polos iguales se repelen. Descubri� que si se parte un im�n, cada pedazo adquiere dos polos, Norte y Sur, por lo cual no le era posible aislar a uno de ellos. Describi� la inducci�n magn�tica en otros cuerpos met�licos. Dise�� y present� en ese libro una m�quina de movimiento continuo que aprovechaba la atracci�n entre los imanes para moverse, la cual por supuesto nunca fue construida. Construy� una esfera de piedra imantada y observ� y dibuj� las l�neas del campo con el auxilio de una aguja met�lica imantada.
La br�jula se us� frecuentemente para la orientaci�n de los barcos en el mar desde el siglo XIII. Raimundo Lulio en sus dos obras: Libre de contemplaci�n en D�u, de 1272, y F�lix o libre de meravelles, escrito en 1286, relata que los navegantes de su tiempo se serv�an de instrumentos de medici�n, de cartas marinas y de la aguja imantada.
En el Panthsaoyan chino, compuesto bajo la dinast�a Song (1111-1117),
encontramos los primeros rastros del conocimiento de la declinaci�n magn�tica
occidental.
Figura 2. Br�jula de declinaci�n.
Se llama �ngulo de declinaci�n al que existe entre el meridiano geogr�fico y el meridiano magn�tico de un lugar. La declinaci�n es oriental u occidental; oriental, si el polo austral de la aguja se desv�a hacia el Este, y occidental si se desv�a al Oeste. La declinaci�n es oriental en Asia y en las dos Am�ricas, y occidental en Europa y en �frica. La declinaci�n se observa ya en el mapa de Andr�s Bianco en 1432.
Crist�bal Col�n descubre el 13 de septiembre de 1492 la l�nea sin declinaci�n a dos grados y medio al Este de la isla Corvo. Ah� la declinaci�n magn�tica cambia del Nordeste al Noroeste. Sebasti�n Cabot redescubre la l�nea sin declinaci�n cinco a�os despu�s.
En la Geograf�a de Tolomeo, publicada en Roma en 1508, se encuentra un mapa de Am�rica donde el polo magn�tico est� situado en una isla volc�nica, al norte de Groenlandia.
Alonzo de Santa Cruz, maestro de Carlos V, tom� mucho inter�s para determinar en sus viajes en barco la inclinaci�n y declinaci�n de la br�jula. Acometi� en 1550 la tarea de trazar el primer mapa general de las variaciones magn�ticas de la Tierra, que se adelantaron en 150 a�os al trabajo de Edmond Halley (1656-1742) en Inglaterra.
El �ngulo de inclinaci�n magn�tica es aquel que, con la horizontal, indica la direcci�n del campo magn�tico de la Tierra. Se observa cuando se suspende la aguja magn�tica de un eje horizontal, de preferencia perpendicular al meridiano magn�tico. La aguja se mantiene horizontal en el Ecuador y conforme se dirige uno hacia el Norte, la aguja se inclina del lado de su polo austral hasta alcanzar la inclinaci�n vertical en el polo Norte magn�tico. En el hemisferio Sur es el polo Norte el que se inclina.
Francisco Faleiro, un portugu�s al servicio de la Armada Espa�ola public� en
1537 un Manual de astronom�a y ciencia n�utica donde anuncia un m�todo
pr�ctico para determinar la declinaci�n magn�tica, y hab�a antes escrito en
1535 otro tratado que se conserva en la Biblioteca Nacional de Madrid, Tratado
del esphera y del arte del marear; con algunas reglas nuevamente escritas muy
necesarias.
Figura 3. Br�jula de inclinaci�n.
Jõao de Castro, portugu�s, fue a la India con 11 barcos en 1538, y determin� en su viaje la declinaci�n y las tormentas magn�ticas, la desviaci�n de la br�jula y el efecto de piedras magn�ticas. Tom� 43 valores de declinaci�n, medidos con dos m�todos introducidos por Pedro Nunes en �vora en 1533. En 1537, el portugu�s Pedro Nunes publica su Tratado de la esfera y Jõao de Castro publica entre 1538 y 1541 Los tres roteiros. Jõao de Castro continu� el registro de datos magn�ticos en otro viaje realizado a la India con 6 barcos, en 1545. Otros datos similares se encuentran en el libro Breve compendio de la sphera y de la arte de navegar de Mart�n Cort�s, que public� Ant�n �lvarez en Sevilla en 1551.
Pedro de Medina public� tambi�n en Valladolid en el a�o de 1545 una obra titulada El arte de navegar, y en 1563 Sim�n Carpinteiro le publica en Sevilla Regimento de navegaci�n. En todas estas obras se discute el uso de la br�jula, llamada tambi�n aguja de marear.
Felipe Guill�n, boticario de Sevilla, present� una br�jula de variaci�n al rey Jõao de Portugal.
George Hartmann, vicario de San Sebaldus, en Nuremberg, en carta dirigida al duque Alberto de Prusia el 4 de marzo de 1544, anuncia el descubrimiento de la inclinaci�n y la declinaci�n magn�ticas. Aunque sus datos son puramente cualitativos y muy imprecisos.
Robert Norman, fabricante de instrumentos n�uticos, hizo mediciones en la ciudad
de Londres en 1576 para determinar la inclinaci�n magn�tica con un valor de
71 grados y 50 minutos. En 1581 public� un trabajo en The New Attractive
de Londres donde describe sus experiencias al colocar una aguja imantada para
girar en un plano vertical, pudiendo observar la inclinaci�n de la aguja hacia
abajo y hacia el Norte.
Figura 4. Los navegantes emplearon la br�jula para guiarse desde
�pocas muy antiguas.
En el Archivo General de Indias se conservan expedientes del a�o 1584 sobre descubrimientos t�cnicos en navegaci�n. Andr�s Garc�a de C�spedes, cosm�grafo mayor de las Indias Occidentales, Juan Aricos de Loyola, Luis de Fonseca, Juan Mart�nez y Lorenzo Ferrer presentan estudios sobre la aguja de marear. Domingo de Villarroel, presb�tero cosm�grafo del reino de N�poles, trae a la Universidad de Mareantes de Sevilla una "nueva invenci�n de un reloj de sol en el que puesta la br�jula o aguja de marear, promete que por �l se podr� saber lo que nordestea o norostea dicha aguja, lo cual sabido con la precisi�n que �l dice, que es de 24 en 24 horas, se podr�n hacer las carreras de Italia e Indias y otras partes sin rodeos...", "los regimientos y artes de marear que hasta ahora han tratado de esta cuenta y materia, para saber lo que el aguja nordestea o norostea usaban de ponerla en lugar descubierto cuando la estrella del Norte se pudiese ver, estando derechamente nordeste u dueste, y si entonces la flor de la rosa miraba derechamente a la estrella, dec�an que la aguja no ten�a variaci�n..."
Rodrigo de Zamorano, catedr�tico de cosmograf�a de Sevilla, present�, en 1584, el Compendio de la arte de navegar simult�neamente con un reloj en el cual al salir y ponerse el Sol pod�a saberse con precisi�n de la aguja de marear.
Juan Jaime y Francisco Gali proyectaron en M�xico para 1585, en tiempos del virrey-arzobispo Pedro Moya de Contreras, un viaje desde Manila hasta Acapulco con el �nico objeto de medir la declinaci�n de la br�jula mediante un instrumento construido por Juan Jaime.
En M�xico, el primer libro impreso que habla de la br�jula y de sus aplicaciones a la navegaci�n es el libro de Diego Garc�a de Palacio Instrucci�n n�utica para navegar, publicado en la ciudad de M�xico en 1587 por Pedro Ocharte, yerno de Juan Pablos. Garc�a de Palacio fue en M�xico rector de la Real Universidad, oidor de la Audiencia e inquisidor. El libro de Garc�a de Palacio se reedit� en edici�n facsimilar en 1944 en Madrid por las Ediciones de Cultura Hisp�nica, Colecci�n de Incunables Americanos.
Jos� de Acosta en su Historia natural y moral de las Indias publicada el a�o 1588, reconoci� en la Tierra cuatro l�neas sin declinaci�n.
Simon Stevinus, matem�tico holand�s, publica en 1599 el libro Portium investigandorum ratio, donde discute el valor de la declinaci�n magn�tica para navegaci�n.
En 1600 public� W. Gilbert su libro De magnete, donde describe sus propias experiencias y los conocimientos de su �poca sobre el magnetismo. Realiz� experimentos con peque�as agujas imantadas en la vecindad de cuerpos magn�ticos para conocer la direcci�n de las l�neas del campo a lo largo de las cuales se orientaban estas agujas si se las sujetaba de un punto y se les permit�a girar libremente alrededor de ese punto fijo.
Desde 1635, Gellibrand demostr� el movimiento muy lento de la direcci�n del Norte magn�tico. Los archivos en Londres registran un cambio en la declinaci�n de 11 grados al Este, hasta 24 grados al Oeste entre 1580 y 1800, posteriormente la aguja regres� en direcci�n al Este, y en 1900 ten�a una declinaci�n de 10 grados al Oeste. Por otra parte, la inclinaci�n se redujo de 74.5 grados en 1700, a 71 grados en 1800, hasta su valor actual de 66 grados. La intensidad del cambio ha disminuido en un vig�simo de su valor en los �ltimos cien a�os.
E. Halley recorri� el Oc�ano Atl�ntico durante dos a�os y public� sus observaciones en un mapa magn�tico del oc�ano en 1701. En 1702 public� una carta magn�tica mundial donde recopil� la informaci�n de la variaci�n de la br�jula registrada por muchos navegantes de su tiempo. Posteriormente se han podido trazar mapas magn�ticos que remontan la informaci�n hasta 1550.
La declinaci�n en cualquier lugar de la Tierra no es constante porque est� sujeta a variaciones regulares e irregulares. Las primeras son seculares, anuales o diurnas; las segundas no tienen un periodo conocido, y se han designado como perturbaciones.
En las seculares la declinaci�n oscila con el tiempo al Este y Oeste del meridiano astron�mico. Las anuales fueron observadas por C�sar-Fran�ois Cassini (1714-1784) en Par�s, en 1784, quien report� una retrogradaci�n de la declinaci�n magn�tica durante el equinoccio de primavera. Las diurnas son mucho m�s d�biles.
Graham, un relojero ingl�s, observ� en 1722 las variaciones regulares ocurridas cotidianamente y las perturbaciones mucho m�s grandes e irregulares que ocurren con menos frecuencia. Celsius (1701-1744), cient�fico y astr�nomo sueco, hizo observaciones similares y en 1741 estableci� correspondencia con Graham encontrando que las perturbaciones magn�ticas ocurr�an simult�neamente en Londres y en Upsala. Ahora conocemos el car�cter mundial de las perturbaciones magn�ticas.
Celsius encontr� tambi�n en 1741 una correlaci�n entre las perturbaciones magn�ticas y la aparici�n de las auroras boreales.
John Michell (1724-1793) en 1750 escribe que la fuerza de atracci�n o repulsi�n entre los polos de los imanes decrece con el cuadrado de la distancia entre ellos.
S. Poisson (1781-1840) y G. Green (1793-1841) poco despu�s de la Independencia de M�xico en 1825 introdujeron la idea de campo magn�tico como una flecha cuya direcci�n indica la l�nea del campo, la direcci�n donde apunta la br�jula y cuyo tama�o mide la magnitud del mismo, es decir, la intensidad de la fuerza que es capaz de producir.
ELECTRICIDAD, MAGNETISMO Y LUZ
En 1785, Charles Coulomb (1736-1806), con ayuda de una balanza de torsi�n, establece la ley de fuerza entre cargas que lleva su nombre y encuentra tambi�n que la fuerza entre polos magn�ticos var�a como el inverso del cuadrado de la distancia. Esta analog�a entre ambas leyes no permite asegurar que est�n relacionadas.
Hasta 1819 Hans Christian Oersted (1777-1851) descubre la conexi�n entre los fen�menos magn�ticos y los el�ctricos. Observa que una corriente el�ctrica produce la desviaci�n de una aguja imantada. Este descubrimiento, asimismo, lo dio a conocer, el 3 de agosto de 1802 en Gazetta di Trentino, el juez italiano Gian Dominico Romagnosci, aunque pas� desapercibido. Al poco tiempo, Biot (1774-1862) y Savart (1791-1841) cuantifican este efecto al encontrar que la fuerza entre una corriente y un im�n cercano es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Amp�re encuentra el mismo campo magn�tico producido por una corriente o por un im�n. Hoy en d�a este resultado explica el magnetismo como el efecto superpuesto de peque�as corrientes en cada �tomo de las sustancias magn�ticas. Michael Faraday (1791-1867) descubre el fen�meno de inducci�n al notar que mientras se conecta o desconecta una corriente el�ctrica, se produce otra corriente el�ctrica en un conductor vecino. El mismo efecto de producir una corriente en un circuito cerrado se observa al mover un im�n cerca de ese circuito. Maxwell defini� a�n m�s este panorama al expresar en forma matem�tica las ideas de estos cient�ficos y completarlas al agregar a la corriente de Amp�re la corriente llamada de desplazamiento, formada por la rapidez de cambio del campo el�ctrico. Era indispensable incluir esta corriente de desplazamiento para entender el comportamiento de un condensador cuando se carga y descarga por una corriente alterna.
Hay dos ideas simples que nos ayudan a entender muchos fen�menos electromagn�ticos. Cuando una corriente camina por un alambre conductor se crea un campo magn�tico en su vecindad, que es tangente a un c�rculo perpendicular al alambre que pasa por su centro. El tama�o del campo magn�tico es inversamente proporcional a la distancia del campo al alambre. La otra idea es la siguiente. Una corriente en un circuito, o un conjunto de cargas dando vueltas en un c�rculo son equivalentes en sus propiedades magn�ticas a un im�n cuyo momento dipolar, o sea la l�nea que une sus polos Norte y Sur, es perpendicular al plano donde circulan las cargas.
Una de las conclusiones asombrosas de los estudios de Maxwell fue la interpretaci�n de la luz como un fen�meno ondulatorio del campo electromagn�tico. Lo que vibra y se ondula en la luz es tanto el campo el�ctrico como el magn�tico. La intensidad luminosa est� formada por la superposici�n del campo y es proporcional al cuadrado del campo. Los campos el�ctrico y magn�tico viajan con la velocidad de la luz porque son la luz.
No falt� en ese momento de grandes descubrimientos de la ciencia una mente pragm�tica que cuestionara la utilidad de dichos estudios. Esta persona no recibi� una respuesta satisfactoria en seguida. Hoy, cualquier ni�o nos podr�a mostrar muchos de los inventos asombrosos que son consecuencia de aquellos estudios. Por otra parte, mentes pragm�ticas han ido encontrando tantas aplicaciones que ya no se cuestiona la utilidad del electromagnetismo, ni, en los pa�ses desarrollados, la utilidad de la ciencia.
El gran matem�tico Carl Friedrich Gauss (1777-1855) dej� una aportaci�n importante en la historia del electromagnetismo. Principi� en 1831, al llegar el f�sico Wilhelm Weber (1804-1891) a trabajar con �l en Gotinga, Alemania. Ambos desarrollaron los aspectos te�ricos y emp�ricos del magnetismo. Fueron inventores de un magnet�metro para poder cuantificar el campo magn�tico, y en particular se interesaron en medir el campo de la Tierra. Fueron los primeros organizadores de una red internacional de observadores de las variaciones del campo magn�tico de la Tierra, cuyos puntos estaban distribuidos por toda Europa. En 1840 publicaron ambos un Atlas del magnetismo terrestre, el cual fue uno de los varios resultados de la cooperaci�n internacional organizada por ellos.
La contribuci�n de Gauss y Weber est� reconocida en la unidad de campo magn�tico que lleva el nombre de gauss, y la unidad de flujo magn�tico (promedio del campo magn�tico total multiplicado por el �rea de la superficie que atraviesa el campo), que lleva el nombre de weber.
Las primeras aplicaciones de la electricidad fueron por los mismos cient�ficos. En 1837, M. H. Jacobi (1801-1874) descubre la galvanoplastia, que le es �til para la separaci�n de una sal met�lica; al pasar una corriente el�ctrica a trav�s de una soluci�n de sal met�lica, se descompone la sal en iones dentro de dicha soluci�n, y estos iones se mueven en direcciones opuestas. Estas sustancias se depositan en los polos por donde se conecta la soluci�n con la corriente. La masa de sustancia depositada —encontr� Faraday— es proporcional al tama�o de la corriente y a la duraci�n de �sta. Otros resultados importantes en qu�mica se dedujeron de esta aplicaci�n.
El tel�grafo el�ctrico se debe al ingl�s Wheastone (1802-1875), al alem�n Steinheil (1801-1870) y al norteamericano Morse (1791-1872). Este �ltimo descubre su tel�grafo en la Universidad de Nueva York y lo usa para conectar Nueva York y Baltimore en 1844. Estos resultados definitivos en la historia el�ctrica del tel�grafo fueron precedidos por Gauss y Weber, quienes en 1827 transmitieron un impulso el�ctrico sobre una distancia de 300 metros. Despu�s de varios dise�os, en 1832 los palacios de verano y de invierno del zar se conectaron con un tel�grafo. En 1833 Gauss y Weber hicieron funcionar un tel�grafo entre dos extremos de Gotinga cubriendo una distancia de 2.3 kil�metros. Se utiliz� como alfabeto cinco deflecciones de la aguja magn�tica a derecha o izquierda, lo cual cre� 32 posibilidades diferentes (32 es el producto de elevar el n�mero dos a la quinta potencia). La patente de Morse se inscribi� siete a�os despu�s.
La bobina de inducci�n es el ancestro de los actuales transformadores; fue descubierta por los franceses Br�guet y Masson y perfeccionada por el alem�n Ruhmkorff.
Sus ecuaciones matem�ticas condujeron a Maxwell (1831-1879) a la incorporaci�n de la luz y de otras radiaciones como campos el�ctrico y magn�tico capaces de mover cargas. A partir de ese momento los fen�menos luminosos y otras radiaciones se pudieron producir y alterar por aparatos electromagn�ticos. Cada part�cula cargada del mundo real se puede contemplar desde entonces como un aparato electromagn�tico productor de campos el�ctricos y magn�ticos que afectan la vecindad de la carga. A su vez, esta carga se perturba por los campos el�ctrico y magn�tico producidos fuera de ella.
Al poco tiempo descubre Marconi el radio y de ah� provienen otros descubrimientos �tiles e interesantes. La multiplicaci�n de las aplicaciones nos parece hoy que no tendr� fin ni reposo.
Para el prop�sito de este libro es fundamental resumir los conocimientos de electromagnetismo recordando que los campos el�ctrico y magn�tico se influyen mutuamente. Los cambios en el tiempo de uno de estos campos provocan torbellinos en el otro. Los campos, a su vez, producen fuerzas en cargas y magnetos. Las cargas sienten fuerzas proporcionales a su tama�o, una fuerza el�ctrica en la direcci�n del campo el�ctrico y una fuerza magn�tica perpendicular al campo magn�tico. Los magnetos sienten fuerzas como si fueran corrientes de carga dando vueltas en c�rculo; de hecho las sustancias magn�ticas se explican con ayuda de muchas cargas que giran de manera organizada tratando de que todas las trayectorias circulares sean paralelas. Al mismo tiempo, las cargas crean un campo el�ctrico en la direcci�n de la carga y las corrientes crean campos magn�ticos perpendiculares a la corriente, tangentes a c�rculos imaginarios con centro en la carga que se mueve. Las cargas sienten fuerzas el�ctricas y magn�ticas y crean simult�neamente el mismo tipo de fuerzas.
Por muy interesante que sea el poder disponer de cargas que se trasladan por nuestra red el�ctrica, dichas cargas est�n casi siempre ligadas a un metal y s�lo raramente vuelan en el espacio sin estar sujetas a caminar por la banda de conducci�n de los metales.
La banda de conducci�n de los metales est� formada por el conjunto de los electrones con la energ�a y cantidad de movimiento apropiadas para viajar f�cilmente de un �tomo al otro en el interior de un metal. No todos los electrones tienen esa libertad y no todos pueden participar en una corriente el�ctrica.
Por este motivo encontramos en la naturaleza muchas sustancias provistas de un n�mero muy elevado de electrones, los cuales est�n sin embargo atrapados por fuerzas de Coulomb que les impiden moverse libremente de modo que puedan producir una corriente el�ctrica, hasta no encontrar una fuerza m�s grande que la fuerza de Coulomb o una energ�a capaz de vencer el trabajo de mover esta carga de su lugar.
Incluso en un metal que tenga muchos electrones en la banda de conducci�n, hay tambi�n muchos otros electrones atrapados por fuerzas de Coulomb, sin poder seguir a sus compa�eros en la corriente que les permita trasladarse a distancias de muchos kil�metros.
Nuestro inter�s consiste aqu� en la manera de atrapar las cargas plenas de energ�a tal y como se encuentra libremente en el Sol. Las queremos atrapar en la Tierra sin que destruyan el recipiente contenedor fundi�ndolo por su enorme temperatura. El metal no es entonces un buen contenedor, pero podemos hacer una botella magn�tica capaz de capturar a las cargas sin bajar su gran temperatura. Las l�neas magn�ticas del recipiente se forman haciendo circular corrientes en enormes bobinas mantenidas a muy bajas temperaturas a fin de mejorar la conducci�n el�ctrica en ellas. Dichas bobinas no se destruyen con las cargas de alta temperatura puesto que no est�n en contacto con ellas. Las corrientes hacen el campo fuera de ellas, y el campo atrapa a las cargas y las conserva en su prisi�n hasta que se funden unas con otras y rinden entonces una enorme producci�n de potencia.
EL ESCRUTINIO DE LA ESTRUCTURA DEL �TOMO
Dejemos en paz la idea de las cargas dentro de los metales en su movimiento de r�pidas corrientes, y volvamos de nuevo a los protones y electrones dentro de los �tomos, formando ahora una estructura en equilibrio de fuerzas entre cargas positivas y negativas mediante la fuerza atractiva de Coulomb entre cargas de distinto signo y venciendo la fuerza repulsiva entre protones, con ayuda de la fuerza nuclear entre protones y neutrones. Esta fuerza nuclear triunfa sobre la fuerza de Coulomb a peque�as distancias, y sin embargo ser� derrotada por la fuerza de Coulomb a distancias m�s grandes que el tama�o de los protones y neutrones que forman, en el n�cleo, un c�mulo de part�culas.
En el a�o de 1854, H. Geissler (l8l5-1879) invent� el tubo de rayos cat�dicos casi al vac�o; este tubo, de vidrio, tiene conectados dos electrodos por medio de alambres con el exterior, los cuales se conectan a una fuente de corriente. De este modo establece un viento de electrones del cátodo al �nodo a una enorme velocidad que se eleva hasta un d�cimo de la velocidad de la luz. Las experiencias en este tubo permitieron descubrir a J. J. Thomson (1856-1940) que la carga el�ctrica se da en peque�as part�culas, todas parecidas. Thomson pudo as� determinar la relaci�n entre la carga el�ctrica y el peso de las part�culas que forman los rayos del tubo cat�dico, mediante la medici�n de la fuerza magn�tica necesaria para desviar el chorro de part�culas cargadas. Se demostr� as� que la relaci�n carga/peso de estas part�culas es casi 2 000 veces m�s alta que la relaci�n carga/peso en el n�cleo del �tomo de hidr�geno. Las part�culas de los rayos del tubo cat�dico son los electrones, y los n�cleos del �tomo de hidr�geno son los protones.
El n�mero de protones en el n�cleo nos dice de qu� sustancia qu�mica se trata. Los �tomos de un elemento qu�mico tienen todos la propiedad de tener en su n�cleo el mismo n�mero de protones, y esto garantiza las mismas propiedades qu�micas. Los �tomos de un elemento qu�mico, al tener todos el mismo n�mero de protones, se parecen todos entre s�. El n�mero de neutrones en cada �tomo debe ser el suficiente para mantener al n�cleo perfectamente unido por medio de fuerza nuclear. Cuando el n�cleo del �tomo de un elemento qu�mico tiene pocos protones, el n�mero de neutrones es igual o menor al n�mero de neutrones para mantener unido al n�cleo. Conforme el �tomo posee m�s protones, requiere mayor n�mero de neutrones para mantener unido al n�cleo.
El n�mero de neutrones contenidos en un n�cleo puede variar un poco. Para distinguir a los �tomos del mismo elemento qu�mico, con igual n�mero de protones pero distinto n�mero de neutrones, se habla de is�topos del elemento qu�mico con un n�mero igual de protones en el n�cleo. Por ejemplo, cuando nos referimos al carbono 14 estamos pensando en la sustancia carbono cuyos �tomos tienen todos un n�cleo con 6 protones —como todos los �tomos de carbono— pero con 8 neutrones, para formar en total 14 part�culas en el n�cleo de cada �tomo de carbono 14. El carbono 14 es muy conocido porque se utiliza para establecer la edad de los objetos que lo contienen. El carbono con mayor abundancia en la naturaleza es el carbono 12 con 6 protones y 6 neutrones. Existen 13 is�topos diferentes conocidos del carbono.
En 1913, Frederick Soddy (1877-1956), present� como conclusi�n de numerosos estudios la existencia de la misma sustancia qu�mica con diferentes pesos de sus mol�culas. Se llamaron is�topos por ocupar el mismo sitio en la tabla peri�dica de los elementos. El n�mero de protones determina las propiedades qu�micas, por lo que los �tomos de diferentes is�topos del mismo elemento tienen el mismo n�mero de protones. En la misma fecha y Convenci�n Qu�mica en Birmingham, present� F. W. Aston (1877-1945) la descripci�n del experimento en que determina, mediante la deflecci�n de �tomos ionizados de ne�n, la existencia de dos tipos diferentes de pesos at�micos iguales a 20 y 22, en la unidad de peso del prot�n. El experimento de Aston us� la t�cnica de Thomson con campos magn�ticos y fue otra demostraci�n de la existencia de los is�topos.
Cuando el n�cleo de un is�topo inestable se descompone en otras part�culas, la masa de las part�culas resultante no es id�ntica a la masa original del n�cleo descompuesto. Esta diferencia de masa fue detectada tambi�n por F. W. Aston en 1927 mediante la invenci�n del espectr�grafo de masas. Veremos despu�s c�mo esta peque�a diferencia de masas constituye el origen de la gran emisi�n o absorci�n de energ�a en otros procesos.
Veamos ahora el experimento de Faraday-Helmholtz a fin de medir con precisi�n el valor de la carga del electr�n por medio de la electr�lisis. Se toma por ejemplo una soluci�n en agua de sulfato de zinc y se sumergen en ella dos placas, una de cobre y otra de zinc, que se conectan con alambres a una bater�a el�ctrica. La corriente el�ctrica atraviesa la soluci�n y provoca la disoluci�n de las dos placas de metal. La proporci�n de peso perdido de cobre y de zinc es igual a la proporci�n entre sus pesos at�micos 63.546/65.38. Los pesos at�micos miden la cantidad de neutrones y protones en el �tomo y se dan en gramos. El peso at�mico del cobre natural es aproximadamente 63.546. Este n�mero es consecuencia de tener los is�topos 63 y 65, ambos estables, en una mezcla en la proporci�n adecuada para dar ese n�mero. El peso at�mico del zinc es 65.38, mezcla a su vez de los cinco is�topos estables del zinc 64, 66, 67, 68 y 70. Se ha medido el n�mero de �tomos cuyo peso es el peso at�mico de un material. Éste es el n�mero de Avogadro, igual a 6.022045 x 1023 esto es, aproximadamente el enorme n�mero formado por un 6 seguido de 23 ceros. La carga el�ctrica que atraves� la soluci�n se mide f�cilmente, y el cociente de esta carga entre el n�mero de �tomos disueltos es igual a la carga del electr�n.
Si la electr�lisis fue el fundamento del desarrollo tecnol�gico de la galvanoplastia, las mediciones precisas de masa, corriente y carga mencionada en el p�rrafo anterior permitieron penetrar al mundo microsc�pico de la estructura de la materia y descubrir algunos secretos de su estructura y de sus propiedades.
Los is�topos de un elemento pueden ser estables o inestables en el tiempo. Los is�topos inestables son radiactivos. El descubrimiento de las sustancias radiactivas en 1896 se debe a Henri Becquerel (1852-1908), como consecuencia de sus estudios sobre fluorescencia estimulada por rayos X, durante los cuales encontr� la emisi�n radiactiva no estimulada en el uranio. Pierre Curie (1859-1906) y Marie Sklovdovska (1867-1934 ) encontraron otros dos elementos radiactivos, el polonio y el radio. Becquerel y los esposos Curie recibieron por esto el premio Nobel. Los n�cleos de los is�topos radiactivos emiten cargas positivas en la forma de n�cleos de helio, llamados tambi�n part�culas alfa. Emiten electrones formando la radiaci�n llamada beta. Y asimismo emiten radiaci�n electromagn�tica de muy alta frecuencia llamada radiaci�n gamma, con algunas propiedades de part�culas que entonces son llamadas fotones. En algunas ocasiones pueden emitir electrones positivos, llamados positrones. Como consecuencia de la emisi�n de electrones pueden emitir tambi�n neutrones.
En ciertos casos se encuentran tambi�n los procesos inversos de los anteriores, como cuando un n�cleo captura un electr�n.
Todos estos procesos ocurren con conservaci�n de la suma total de carga, tanto positiva como negativa. Tambi�n se conserva el n�mero total de nucleones, protones y neutrones. La masa puede no conservarse porque se convierte en energ�a. Una peque�a cantidad de masa que desaparece se convierte en una gran cantidad de energ�a de acuerdo a la f�rmula de Einstein: la cantidad de energ�a producida es igual al producto de la masa por el cuadrado de la velocidad de la luz.
El n�mero de is�topos de un elemento puede ser variable y varios de �stos pueden ser estables o radiactivos. El esta�o se distingue por ser el elemento con m�s is�topos, 34 radiactivos y 10 estables, 44 is�topos en total. El xen�n, el antimonio y el mercurio tienen cerca de 40 is�topos cada uno de ellos, pero mientras que el xen�n tiene 9 is�topos estables, el mercurio tiene 7 y el antimonio s�lo 2. Los is�topos del hidr�geno son 3, llam�ndose hidr�geno al que tiene como n�cleo un prot�n, y deuterio al que tiene un prot�n y un neutr�n en el n�cleo; por �ltimo, se le llama tritio al is�topo del hidr�geno con un prot�n y dos neutrones; el tritio es radiactivo. El helio tiene 7 is�topos —de los cuales los m�s conocidos son el helio 3, con dos protones y un neutr�n y el helio 4, con dos protones y dos neutrones— que cuando carecen de los dos electrones que le dan neutralidad se llaman part�culas alfa, como vimos arriba. Estos dos is�topos del helio son estables. Pero hay que advertir que estos n�meros son relativos. Conforme pasa el tiempo se obtienen nuevos is�topos radiactivos en forma artificial, por lo cual estos valores crecer�n en el futuro.
Al aumentar el n�mero de neutrones para formar nuevos is�topos �stos se vuelven m�s inestables, duran tiempos peque��simos y resulta una proeza por parte de la ciencia y de la t�cnica el poderlos observar.
Los n�cleos de los is�topos radiactivos tienen la propiedad de poderse modificar mediante diversos procesos, algunos de ellos espont�neos. La historia de los procesos radiactivos en un elemento qu�mico se puede estudiar en un mineral donde se encuentre dicho elemento. En dicho mineral pueden concentrarse todos los productos en los cuales es posible transformar radiactivamente dicho elemento, formando la familia de aquellos en que puede convertirse espont�neamente.
Como fen�meno radiactivo importante se encuentra primero la emisi�n de part�culas alfa, formadas por n�cleos de helio. Un n�cleo, al emitir una part�cula alfa, pierde con ella dos protones de carga positiva y dos neutrones. La p�rdida de dos protones cambia las propiedades qu�micas del n�cleo; con ello se tiene la transmutaci�n de los elementos, el sue�o anhelado de los alquimistas. La masa de los productos del n�cleo no es igual a la que ten�a antes de escindirse, y esta diferencia de masa se transforma en energ�a en relaciones asombrosas pues, por un gramo de masa desaparecida, se obtiene un equivalente en energ�a que disfruta de la generosa f�rmula de Einstein (1879-1955), E=mc2, suficiente para subir por una escalera diez mil toneladas una distancia cercana a un metro.
Otro tipo de proceso radiactivo es la emisi�n de electrones positivos o negativos. Como estas part�culas no existen en el n�cleo, deben fabricarse a partir de la energ�a o masa del n�cleo. Afortunadamente un electr�n tiene una masa varios miles de veces menor que la masa del n�cleo donde se forma. Al lanzar al exterior un electr�n positivo, el n�cleo pierde una carga positiva y sus propiedades qu�micas cambian debido a que el n�cleo tiene entonces un prot�n menos y un neutr�n m�s. Al lanzar un electr�n negativo sucede lo contrario, el n�cleo gana ahora un prot�n y pierde un neutr�n. Ambas emisiones se denominan radiaciones beta, las cuales pueden ser positivas o negativas seg�n la carga de los electrones.
Acompa�ando al proceso de emisi�n de electrones, un n�cleo puede perder tambi�n un neutr�n. En este caso no se modifican las propiedades qu�micas del n�cleo por no alterarse el n�mero de protones al expulsar un neutr�n. Éste es un proceso secundario pero con todas las caracter�sticas de otras radiaciones.
De cierta importancia es el proceso de captura de electrones en el n�cleo. Este proceso ocurre en sentido inverso al de emisi�n de electrones, y se produce con todos los efectos en sentido contrario.
Estos procesos vienen acompa�ados por radiaciones electromagn�ticas de alta frecuencia conocidas como radiaci�n gamma. Esta radiaci�n encuentra siempre su explicaci�n en el balance de masa y energ�a, y es la fuente de la aplicaci�n de la ciencia nuclear a la industria energ�tica.
De manera artificial puede provocarse tambi�n que el n�cleo se rompa o se fisione como consecuencia de una colisi�n. En esta ruptura dos c�mulos de carga positiva se separan lo suficiente para que domine la fuerza de Coulomb sobre la fuerza nuclear y ambos pedazos se repelen violentamente. En esta fisi�n pueden originarse las radiaciones alfa, beta y gamma, y pueden producirse muchos otros tipos que incluyen, como caso particular importante, la posible emisi�n de neutrones.
Cuando el n�mero de protones y neutrones de un n�cleo es elevado, la ruptura del n�cleo produce energ�a electromagn�tica en la forma de rayos gamma. Pero, cuando el n�mero de nucleones es reducido, sucede lo contrario: al unirse los n�cleos se obtiene energ�a. Esto hace la diferencia entre los procesos de fusi�n y fisi�n para utilizar la energ�a sobrante de las reacciones nucleares.
Se dice entonces que ha ocurrido una reacci�n nuclear. Las reacciones nucleares pueden ser procesos violent�simos que al ocurrir hacen desaparecer una cierta cantidad de masa que se convierte en la energ�a responsable del nacimiento de los fotones de la radiaci�n gamma, de la energ�a necesaria para crear los electrones y de la energ�a en movimiento con la cual salen volando todos los productos de la reacci�n.
Los cuerpos radiactivos emiten cargas positivas y negativas capaces de identificarse mediante varios experimentos. Se distinguen de las corrientes en conductores porque vuelan libremente en el espacio. Aun as�, se comportan de manera an�loga a las cargas de los metales porque responden con las mismas aceleraciones a las fuerzas electromagn�ticas.
Las cargas emitidas por los cuerpos radiactivos pueden usarse como fuentes de carga para bombardear blancos y descubrir lo que sucede ante un haz de carga. E. Rutherford, en 1910, envi� un haz de part�culas alfa sobre hojas delgadas de metal. Las part�culas que se desv�an de su direcci�n original se dice que son dispersadas por las hojas de metal, desviaci�n medida a trav�s del conteo de los destellos producidos en una pantalla de sulfuro de zinc. Para explicar los resultados experimentales se concluy� la existencia de un peque�o n�cleo de carga positiva en el centro del �tomo. Las predicciones te�ricas y experimentales fueron acordes despu�s de una amplia discusi�n. Se pudo predecir la densidad de cargas dispersadas para cada �ngulo, y se compar� esta predicci�n con las mediciones precisas de Geiger y Marsden en 1913; ambos cambiaron la energ�a de los proyectiles alfa, el grosor de las hojas de metal, el tipo de metal, el �ngulo entre el haz incidente y la pantalla de sulfuro de zinc, etc. El acuerdo fue excelente y el progreso de la ciencia no ha perturbado dicho desenlace.
