V. EL PROT�N: RUTHERFORD
CON EL descubrimiento del electr�n se revel� que el �tomo es,
parad�jicamente, divisible. Quedaba entonces por explicar la estructura del
�tomo. Con el descubrimiento del n�cleo at�mico se inici� una nueva etapa en
la b�squeda de lo elemental: las part�culas nucleares. La primera de
ellas, el prot�n, es el n�cleo del �tomo de hidr�geno y, combinado con
neutrones, es constituyente b�sico de los n�cleos del resto de los elementos.
Su nombre se deriva de la voz griega para principal o primero
(prwtoz)
Comparado con el electr�n, el prot�n posee una carga de id�ntica magnitud pero
de signo opuesto y una masa casi 2 000 veces superior. Esta relaci�n carga/masa
refleja su poca movilidad relativa y, por lo tanto, el que los fen�menos asociados
al transporte de carga hayan podido ser entendidos tan s�lo tomando en cuenta
al electr�n. Por otra parte, como se vio en el cap�tulo II, desde principios
del siglo XX y basado en las observaciones de Dalton, Prout intuy�
el car�cter elemental del prot�n al proponer que todos los elementos estar�an
formados de n�meros enteros de �tomos de hidr�geno.
Durante los �ltimos a�os del siglo pasado, el mundo de la f�sica se vio conmovido por una serie de descubrimientos revolucionarios que culminaron, como ya vimos, con el del electr�n por Thomson en 1897. Primero fueron los rayos X, por Wilhelm Konrad R�ntgen en 1895. En Wurzburg, Alemania, R�ntgen encontr� que los rayos cat�dicos, al incidir sobre el vidrio del aparato que los generaba, produc�an radiaciones muy penetrantes capaces de velar placas fotogr�ficas cubiertas y de producir fluorescencia en algunos materiales, aun cuando ante �stos se interpon�an obst�culos delgados, como hojas de papel. Este descubrimiento sirvi� de motivaci�n para ciertos estudios de Henri Becquerel, en Par�s, el cual estaba muy interesado en entender el fen�meno de la fluorescencia.
En febrero de 1896, Antoine Henri Becquerel, profesor de f�sica en el Polit�cnico de Par�s, y miembro de una familia de tradici�n acad�mica, exploraba la posibilidad de que los rayos del Sol pudieran inducir la emisi�n de los rayos de R�ntgen en materiales fluorescentes. El m�todo de Becquerel era simple: colocaba trozos de material fluorescente sobre placas fotogr�ficas cubiertas, exponiendo estos arreglos a la luz solar. Entre los materiales y las placas, adem�s, interpon�a trozos de cobre que obstaculizaran parcialmente la posible producci�n de rayos X. Si la luz solar induc�a la emisi�n de rayos X en los materiales, estas radiaciones velar�an las placas fotogr�ficas a trav�s de la cubierta protectora, dejando grabada la silueta de los trozos de cobre.
Por una casualidad afortunada, entre los materiales fluorescentes utilizados por Becquerel hab�a una sal de uranio. Los primeros experimentos con ese material dieron resultados interesantes pues, luego de un d�a de exposici�n, encontr� que las placas fotogr�ficas mostraban, tenuemente, las siluetas del cobre. Sin embargo, el clima parisino ese febrero no favorec�a mucho sus experimentos, pues estuvo nublado el resto del mes, por lo que decidi� guardar sus atados de placas con muestras en un caj�n, esperando d�as m�s soleados.
El 3 de marzo, cuando el tiempo mejoraba, reinici� sus experimentos. Al revelar las placas fotogr�ficas de los d�as nublados, que hab�an estado en su caj�n la mayor parte del tiempo, se sorprendi� al encontrar que �stas se encontraban veladas intensamente con siluetas bien marcadas. A partir de ese momento, y todav�a pensando que el fen�meno se deb�a a alg�n tipo de fluorescencia inducida por la luz solar recibida anteriormente, decidi� repetir sus experimentos pero ahora manteniendo las sales en la obscuridad. Dos meses despu�s, las sales segu�an emitiendo radiaci�n con igual intensidad. Adem�s not� que esas radiaciones eran producidas por cualquier sal de uranio, fosforescente o no, con luz o sin ella, por lo que concluy� que el fen�meno estaba directamente relacionado con la presencia de uranio en los compuestos. Becquerel hab�a descubierto la radiactividad.
Poco tiempo despu�s, tambi�n en Par�s, la polaca Marie Sklodowska-Curie descubri� que el torio ten�a propiedades similares a las del uranio y, junto con su marido, el franc�s Pierre Curie, descubri� el elemento radio que es millones de veces m�s activo que el uranio. Por estos descubrimientos, Becquerel, Pierre y Marie Curie recibieron el Premio Nobel en 1903. No obstante, quedaba en pie la pregunta: �Qu� es la radiactividad?
Rutherford naci� en Brighwater, Nueva Zelanda, en 1871 en el seno de una familia
de emigrados ingleses. Graduado en f�sica, dedic� sus primeras investigaciones
al electromagnetismo. Por sus resultados, obtuvo una beca que le permiti� trasladarse
a Inglaterra a trabajar con J. J. Thomson en el Laboratorio Cavendish, al que
lleg� en 1895. En Cambridge, Rutherford sigui� la l�nea de investigaci�n local
estudiando los efectos de los rayos X y de las radiaciones de Becquerel sobre
la conducci�n el�ctrica de gases enrarecidos. En 1898 demostr� que los rayos
X y la radiactividad tienen efectos similares sobre los gases y encontr� que
hay al menos dos tipos diferentes de radiactividad que �l bautiz� como a
y b. Los rayos b
resultaban ser casi tan penetrantes como los rayos X, en contraste con
los rayos a que eran detenidos con una
hoja muy delgada de aluminio. Posteriormente se descubri� otro tipo de radiaci�n,
mucho m�s penetrante que las anteriores, que se denomin� rayos g
(v�ase figura 4). Estos rayos, capaces de penetrar placas gruesas de metal,
son radiaci�n electromagn�tica de m�s alta energ�a que los rayos X.
Figura 4. Tipos de radiaci�n nuclear. Rutherford clasific� a los productos
del decaimiento de fuentes radiactivas naturales en rayos a,
b y g. Si �stas poseen carga, su
signo puede ser inferido con la ayuda de un campo magn�tico perpendicular (matriz
de puntos).
En 1899 el propio Becquerel descubri� que los rayos b pod�an ser deflectados por un campo magn�tico y lo hac�an en la misma direcci�n de los electrones de Thomson. Convencido de que se trataba de las mismas part�culas, us� la metodolog�a de �ste y encontr� que la relaci�n carga/masa de los rayos b era, en efecto, muy parecida a la de los electrones.
Rutherford, quien en septiembre de 1898 hab�a aceptado un cargo en la Universidad de McGill en Montreal, reci�n llegado a Canad� se dedic� a estudiar la naturaleza de los rayos a. Pronto encontr� que, si bien m�s dif�ciles de deflectar, �stos tambi�n eran sensibles a los campos magn�ticos y el�ctricos. Suponiendo entonces que se trataba de part�culas cargadas, a partir de 1903, Rutherford estudi� sus deflecciones para determinar la relaci�n carga/masa de los rayos a. Finalmente, en 1906, sugiri� que los rayos a no eran otra cosa que iones de helio. Esta hip�tesis era apoyada por la aparente emanaci�n de helio en materiales radiactivos, descubierta por William Ramsay (Premio Nobel de qu�mica 1904) en 1895 en el uranio y por el mismo Ramsay y Frederick Soddy (Premio Nobel de Qu�mica, 1921) en sales de radio hacia 1903. En 1908 Rutherford recibi� el Premio Nobel de Qu�mica por este trabajo.
En 1906 la Universidad de Manchester ofreci� a Rutherford un puesto de investigador que le permiti� volver al Viejo Mundo. Por aquellas �pocas Manchester y Cambridge eran los centros de la ciencia inglesa. En 1907 Rutherford acept� como ayudantes al joven alem�n Hans Wilhelm Geiger (25 a�os) y al todav�a m�s joven neozeland�s Ernest Mardsen (18 a�os). Geiger, a sugerencia de Rutherford, empez� de inmediato a estudiar la dispersi�n de rayos a por hojas delgadas de oro. Una muestra de radio se pon�a en un contenedor con un peque�o orificio por el que escapaba un haz delgado de rayos a que se hac�a incidir sobre una placa de sulfato de zinc, la cual tiene la propiedad de emitir luz cuando es alcanzada por un a. Al interponer a este arreglo una hoja delgada de oro pod�an estudiarse las desviaciones que induc�an los �tomos de oro en los a incidentes. En 1908, Geiger report� que el n�mero de a dispersados por el oro decrec�a r�pidamente con el �ngulo de observaci�n, medido respecto a la direcci�n incidente, y no encontr� evidencia de a dispersados a �ngulos mayores de 30 grados. Estos resultados no eran sorprendentes pues, por aquel entonces, el propio Thomson pensaba que el �tomo era una distribuci�n poco densa de masa con carga positiva en la que flotaban los electrones como pasas en un pastel. Materia tan dispersa, se pensaba, ser�a incapaz de perturbar mayormente la trayectoria de las part�culas incidentes. En todo caso, para que Mardsen adquiriera experiencia en investigaci�n, Rutherford le encarg� que intentara encontrar rayos a a �ngulos aun m�s grandes que los investigados por Geiger. La sorpresa ocurri� cuando, dos d�as despu�s, Geiger le comunic� que Mardsen hab�a observado a dispersados hacia atr�s. Seg�n el propio Rutherford, ".... era como disparar balas sobre un hoja de papel y ver que rebotan".
Geiger y Marsden se dedicaron a medir entonces la distribuci�n de a con m�s cuidado y, en 1909, publicaron sus resultados. La deflecci�n segu�a una funci�n bien definida que decrec�a pronunciadamente con el �ngulo, pero que indicaba que la dispersi�n de a a �ngulos mayores de 90 grados era muy superior a la que podr�a atribuirse a una fluctuaci�n estad�stica. En 191, Rutherford dio una explicaci�n a los resultados de Geiger y Marsden. Seg�n �ste, la dispersi�n a grandes �ngulos indicaba que, contrario a lo pensado hasta entonces, la mayor parte de la masa del �tomo, y toda su carga positiva, se encontraba concentrada en una regi�n muy reducida en el centro del �tomo: el n�cleo.
El descubrimiento del n�cleo puede considerarse como un descubrimiento indirecto del prot�n, puesto que este �ltimo no es m�s que el n�cleo del �tomo de hidr�geno. Sin embargo, hay una diferencia, sutil pero importante, entre el n�cleo del hidr�geno y el concepto de prot�n como part�cula elemental y constituyente fundamental de la materia. Como veremos a continuaci�n, no fue sino hasta 1919 que el propio Rutherford demostr�, a trav�s de la desintegraci�n del n�cleo de nitr�geno, que �ste estaba constituido por part�culas, a las que posteriormente bautiz� como protones y que pod�an ser identificadas con los n�cleos del hidr�geno.
Una vez descubierto el n�cleo, la pregunta inmediata fue �de qu� est� compuesto? Ya desde los tiempos de Dalton y Faraday un siglo atr�s, los pesos at�micos se refer�an al del hidr�geno. Dalton hizo notar que las masas de los elementos eran muy cercanas a m�ltiplos enteros de la del hidr�geno, lo que indujo al m�dico ingl�s William Prout a proponer, en 1815, que todos los elementos qu�micos estaban constituidos por n�meros enteros de �tomos de hidr�geno. Una vez descubierto el electr�n y el n�cleo, era razonable suponer que los n�cleos de los elementos estuvieran hechos de n�meros variables de protones. Sin embargo, los n�cleos no pod�an estar hechos de simples conjuntos de protones ya que su carga era t�picamente la mitad del n�mero de protones que se necesitar�a para explicar su masa, lo que contradec�a la evidencia sobre la neutralidad el�ctrica de los �tomos.
La constituci�n del n�cleo s�lo pod�a ser revelada si se pudiera romper uno y analizar los pedazos. En 1915, Mardsen, antes de volver a Nueva Zelanda como profesor, hizo notar a Rutherford que al bombardear aire con part�culas a aparec�an algunas part�culas que ten�an un alcance extraordinariamente largo. En 1917, Rutherford decidi� estudiar el problema con la hip�tesis de que se trataba de �tomos de alguno de los gases presentes en el aire. En junio de 1919, public� un trabajo en el que anunciaba que estas radiaciones no eran otra cosa que n�cleos de hidr�geno arrancados al nitr�geno del aire por las a. En su art�culo dice que, habiendo observado por primera vez la desintegraci�n de un n�cleo, la aparici�n de n�cleos de hidr�geno demostraba que estos �ltimos eran parte constitutiva del n�cleo at�mico.
Como ya se mencion�, Ernest Rutherford recibi� el Premio Nobel en qu�mica, en 1908, por haber descubierto que las part�culas a no son otra cosa que iones del helio. Sin embargo, Rutherford es m�s conocido por haber descubierto el n�cleo.
El descubrimiento de los rayos X y de la radiactividad (secci�n V.2) motiv� a varios cient�ficos a investigar su naturaleza. Uno de ellos, Ernest Rutherford, encontr� que los rayos a eran �tomos de helio (secci�n V.3). Posteriormente, �l mismo utiliz� esas part�culas para estudiar la estructura de la materia, descubriendo el n�cleo at�mico en 1911 (secci�n V.4). Tal hallazgo, sin embargo, no establec�a necesariamente al n�cleo del hidr�geno como componente fundamental de la materia, por lo que tuvo que probarse su presencia en otros n�cleos (secci�n V.5).
