VI. EL NEUTR�N: CHANDWICK
El descubrimiento del prot�n puso de manifiesto que, si bien �ste deb�a ser uno de los constituyentes fundamentales del n�cleo, no era el �nico. Revisemos ahora los hechos que llevaron al hallazgo de la segunda part�cula nuclear, el neutr�n. Como su nombre lo indica, se trata de un objeto el�ctricamente neutro, cuya masa resulta ser parecida a la del prot�n, adem�s de que es relativamente escaso en la naturaleza pues, en libertad, decae r�pidamente emitiendo un prot�n, un electr�n y un (anti) neutrino. Neutrones y protones se mantienen unidos formando n�cleos at�micos, debido a una fuerza de atracci�n cuya magnitud es tal que se le denomina interacci�n fuerte. Bajo esta influencia, el neutr�n es capaz de mantenerse dentro del n�cleo como un ente estable.
A la similitud entre las masas del prot�n y del neutr�n se debe que el n�mero
at�mico de los elementos resulte cercano a un m�ltiplo entero de la masa del
�tomo de hidr�geno, como se percat� Prout el siglo pasado. Sin embargo, qu�micamente
todo elemento se caracteriza s�lo por el n�mero de sus electrones, que es el
mismo que el de los protones en su n�cleo. Es decir que desde el punto de vista
de sus propiedades qu�micas el n�mero de neutrones que posee el n�cleo de un
�tomo es irrelevante. Por otra parte, las fuerzas nucleares restringen la existencia
de n�cleos estables a aquellos cuyo n�mero de neutrones sea parecido al de protones.
En general, para cada elemento hay m�s de un n�mero posible de neutrones en
su n�cleo. Para distinguir entre cada tipo de n�cleo, de un mismo elemento,
se utiliza el nombre de is�topo (idozs = igual,
topoz = lugar, o sea, los que tienen el mismo lugar
en la tabla peri�dica) (v�ase figura 5).
Figura 5. Tabla peri�dica de los elementos. En ella se agrupan los elementos
en 18 familias (columnas) seg�n sus propiedades qu�micas. Al ordenar a los miembros
de cada familia seg�n su peso at�mico se encuentran hasta siete periodos
(renglones). Los is�topos de un elemento, por poseer las mismas propiedades
qu�micas, ocupan un mismo sitio en esta tabla. De ah� su nombre.
Poco despu�s del descubrimiento de la radiactividad se encontr� que exist�an ciertos elementos con propiedades qu�micas id�nticas pero propiedades radiactivas diferentes. Tal era el caso del plomo encontrado en las muestras radiactivas del uranio. El plomo natural no presentaba una radiactividad apreciable; sin embargo, al separar el plomo contenido en las sales de uranio, resultaba ser radiactivo. Otros ejemplos hicieron ver que �ste era un caso m�s generalizado, hasta que en 1910 Frederick Soddy, qu�mico graduado en Oxford, que colabor� con Rutherford durante su estancia en Canad�, llam� a las diferentes variedades radiactivas de un elemento radiois�topos.
El descubrimiento de que tambi�n los elementos no radiactivos pod�an separarse en is�topos fue hecho por Thomson, quien, al observar la deflexi�n de haces at�micos de ne�n, en 1913, encontr� dos valores distinguibles de la relaci�n carga/masa: una 20 veces, y la otra 22 veces superior a la del hidr�geno. La intensidad relativa entre los haces era de aproximadamente 9 a 1; el menos abundante era el is�topo m�s pesado. Con anterioridad se hab�a establecido que el peso at�mico del ne�n es de 20.2. Este resultado es consistente con el hecho de que se tiene 90% de ne�n con masa 20 y 10% con masa 22. El trabajo de Thomson fue extendido, despu�s de la primera Guerra Mundial, por uno de sus asistentes, Francis William Aston, quien por medio de la deflexi�n magn�tica no s�lo confirm� el trabajo de su maestro sino que encontr� is�topos estables para una gran variedad de elementos. En todos los casos la masa de los is�topos result� ser casi exactamente un n�mero entero de la masa del hidr�geno, con lo que borr� las objeciones que se antepusieron a Prout un siglo antes. Por esta contribuci�n, Aston recibi� el Premio Nobel en qu�mica en 1922.
VI.3. �ELECTRONES EN EL N�CLEO?
Una vez descubierto el prot�n, la estructura de la materia parec�a ser simple si se supon�a que la masa y la carga se concentran en forma elemental en dos part�culas fundamentales: el electr�n y el prot�n. Esto explicaba que la carga de cualquier �tomo resultara ser un m�ltiplo entero de la carga del electr�n, que es la misma que la del prot�n pero de signo opuesto. Adem�s, una vez establecida la existencia de los is�topos, se vio que era la masa de �stos la que resultaba ser muy cercana a un m�ltiplo de la masa de prot�n. Bastaba entonces con suponer que el n�cleo estaba constituido por el n�mero de protones necesario para explicar su masa y un n�mero tal de electrones que neutralizara la carga excedente igual�ndola a la carga caracter�stica de cada elemento.
La idea alternativa de una part�cula neutra con masa similar a la del prot�n hab�a sido propuesta por Ruthefford en una conferencia en 1920. Seg�n �l, esta part�cula pod�a originarse en un �tomo de hidr�geno en el que el electr�n habr�a ca�do al nucl�o neutraliz�ndolo el�ctricamente.
Esta concepci�n, sin embargo, parec�a innecesaria por aquella �poca. Por otra parte, la presencia de electrones en el n�cleo parec�a ser apoyada por el decaimiento b , en el que el n�cleo emite un electr�n de gran energ�a (el llamado rayo b ).
Hacia 1928, con el desarrollo de la mec�nica cu�ntica, surgieron algunas dudas sobre la veracidad del modelo de protones y electrones en el n�cleo. Primero, Werner Heisenberg (Premio Nobel de 1932) hab�a postulado que la descripci�n cu�ntica de una part�cula implica una indeterminaci�n en el conocimiento simult�neo de algunos fen�menos observables, lo que se conoce como principio de incertidumbre. Un par de estos fen�menos observables son la posici�n y el �mpetu, para los cuales el producto de la incerteza en la medida de uno por el de la incertidumbre en la medida del otro no puede ser inferior a una constante, peque�a pero finita, que se conoce como constante de Planck. El ubicar electrones en el n�cleo implica que la incertidumbre en la localizaci�n de �stos, l�gicamente, no pod�a ser mayor que el n�cleo mismo. Tal certidumbre en la localizaci�n requer�a de una incertidumbre enorme en el �mpetu para que el producto se mantuviera superior a la constante de Planck. Esta incertidumbre en el �mpetu, implicaba que las energ�as de los electrones dentro del n�cleo fueran, al menos, diez veces mayores que las observadas en el decaimiento b y muy superiores a las estimadas para el campo el�ctrico de atracci�n debido a los protones, que era la fuerza considerada como responsable del confinamiento de los electrones en el n�cleo.
Otra contradicci�n inquietante para el modelo proven�a de la espectroscop�a molecular. Las mol�culas, como los �tomos, por ser sistemas cu�nticos s�lo pueden absorber o emitir cantidades discretas de energ�a. El conjunto de estos niveles permitidos de energ�a forma el espectro del sistema, y estos espectros son caracter�sticos de cada mol�cula. En 1929, Walter Heitler y Gerhard Herzberg hicieron notar que el espectro de las mol�culas diat�micas deb�a cambiar radicalmente dependiendo de si sus n�cleos conten�an un n�mero par o impar de part�culas elementales. A una mol�cula de este tipo, con dos n�cleos id�nticos, s�lo le ser�a accesible la mitad de los niveles de los que podr�a ocupar si sus n�cleos fueran distintos. Con base en esto, se comprob� que n�cleos como el ox�geno contienen un n�mero par de part�culas elementales, lo que est� de acuerdo con el modelo de protones y electrones que predice que estos n�cleos deber�an estar formados por 16 protones y 8 electrones; existen varios otros ejemplos en que esta regla se cumple. Sin embargo, pronto se observ� que exist�an contraejemplos claros a esta regla, como el del nitr�geno, el cual se comportaba claramente como si sus n�cleos estuvieran formados por un n�mero par de part�culas elementales. El nitr�geno, seg�n el modelo nuclear de electrones y protones, deber�a estar compuesto por 14 protones y 7 electrones, lo que da un total de 21 part�culas elementales. Este total es impar y por lo tanto contradice lo anterior. Pero, si no contiene electrones, �de qu� est� hecho el n�cleo?
La primera evidencia experimental de la existencia del neutr�n fue observada por Walter Bothe y su alumno Herbert Becker en Alemania, aunque ellos no lo supieron interpretar como tal. Bothe naci� en 1892 en el pueblo de Orainenburg, cerca de Berl�n. Tom� clases con Planck e inici� su carrera como ayudante de Geiger en Berl�n. En 1928, Bothe y Becker se interesaron por averiguar si las desintegraciones nucleares reportadas por Rutherford estaban acompa�adas por alg�n tipo de radiaci�n. En sus experimentos bombardeaban berilio con part�culas a que eran producto del decaimiento del polonio. Utilizando m�todos el�ctricos de detecci�n, algo novedoso para su �poca, encontraron que efectivamente aparec�a cierto tipo de radiaciones muy penetrantes que ellos interpretaron como rayos g . Este tipo de radiaciones tambi�n aparec�an al bombardear litio y boro. Lo m�s notable de su hallazgo era que, al determinar la energ�a de esas radiaciones, a trav�s de su atenuaci�n en diferentes materiales, concluyeron que �sta deber�a ser mayor que la energ�a de los a incidentes, lo que fue interpretado vagamente como un efecto de la desintegraci�n.
Estos resultados intrigaron a la pareja francesa Joliot-Curie. Ir�ne Curie, nacida en 1897, era hija de Pierre y Marie Curie, pioneros de la radiactividad y descubridores de elementos como el radio y el polonio. Frederic Joliot era ayudante de Marie cuando conoci� a su hija Ir�ne, tres a�os mayor que �l y con quien se cas� en 1927. Entre los primeros intereses cient�ficos de la nueva pareja estuvieron los de reproducir y profundizar en los resultados de Bothe y Becker, utilizando una fuente muy poderosa de polonio propiedad de Marie. En enero de 1932, los Joliot-Curie publicaron otro hallazgo sorprendente relacionado con las mencionadas radiaciones: �stas eran capaces de expeler protones de una capa de parafina. Al tratar de medir la energ�a de estos protones encontraron que era enorme. Siguiendo la sugerencia de Bothe, los Joliot-Curie calcularon que, si fuesen rayos g , �stos deber�an tener, al menos, diez veces m�s energ�a que los a del polonio que los originaba. Tal resultado los llev� incluso a dudar sobre la conservaci�n de la energ�a en los procesos de desintegraci�n.
El mecanismo por medio del cual se supon�a que la supuesta radiaci�n g arrancaba los protones de la parafina era un efecto predicho por Einstein en 1905 y confirmado por A. H. Compton en 1923. El efecto Compton, como se le conoce, se debe a la dispersi�n de fotones por part�culas. Este efecto hab�a sido observado en la interacci�n entre rayos X y electrones, pero es igualmente v�lido para la dispersi�n de rayos g por protones. Sin embargo, los protones son casi 2 000 veces m�s pesados que los electrones, por lo que, para arrancarlos de un s�lido, ser�an necesarios g de gran energ�a. Otro problema con esta interpretaci�n era que, dado el n�mero de protones observados, habr�a que suponer que la probabilidad de colisi�n entre estos g y los protones de la parafina era millones de veces mayor a la que se esperar�a de extrapolar el c�lculo v�lido para el electr�n.
Tiempo antes, en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, Inglaterra, James Chadwick hab�a realizado varios intentos de descubrir una supuesta part�cula neutra mencionada por su profesor Rutherford a�os antes. Seg�n comentarios posteriores, Chadwick pensaba producir neutrones mediante descargas el�ctricas que hicieran caer al electr�n hacia el prot�n en �tomos de hidr�geno. Chadwick naci� en Inglaterra en 1891, fue alumno de Rutherford en Manchester y, cuando su maestro descubri� la desintegraci�n del nitr�geno en 1917, trabaj� con �l en la desintegraci�n de otros elementos como el fl�or, el aluminio y el f�sforo.
Su fe en la existencia de tal part�cula resurgi� al leer los resultados del matrimonio Joliot-Curie, ya que Chadwick consideraba dif�ciles de creer las interpretaciones de estos trabajos. En menos de un mes, realiz� una serie de experimentos que lo llevaron a la conclusi�n de que las radiaciones de Bothe no eran otra cosa que los neutrones que �l buscaba. Chadwick quiso probar la capacidad de las radiaciones de Bothe para arrancar n�cleos de superficies. Pronto encontr� que pod�an eyectar n�cleos de nitr�geno de un pol�mero cianurado con energ�as considerables. Al repetir el c�lculo de los Joliot-Curie, suponiendo todav�a que se tratase de rayos g , encontr� que la energ�a necesaria para arrancar esos nitr�genos era casi el doble de la requerida para explicar el caso de los protones de la parafina. Es decir, la energ�a estimada, para los mismos rayos g , difer�a enormemente de un caso al otro. Sin embargo, si en lugar de rayos g y se supon�a que se trataba de alg�n tipo de part�cula, la masa que se deduc�a en ambos casos (protones de parafina y nitr�genos del pol�mero) resultaba ser consistentemente la misma y aproximadamente igual a la del prot�n. Por otro lado, la gran penetrabilidad de estas radiaciones implicaba que, de ser una part�cula, �sta deber�a ser neutra. Cabe recordar que las part�culas cargadas, debido al gran alcance de la fuerza el�ctrica, interact�an con las de los �tomos a todo lo largo de su trayectoria dentro de un material, por lo que pierden energ�a r�pidamente.
El 27 de febrero de 1932, Chadwick report� sus resultados, interpret�ndolos como evidencia de una nueva part�cula neutra, a la que llam� neutr�n, igual a la predicha por Rutherford doce a�os antes. El descubrimiento de Chadwick, sin embargo, no tuvo una repercusi�n inmediata en la concepci�n de la estructura del n�cleo, puesto que �l mismo imaginaba al neutr�n como un compuesto electr�n-prot�n. S�lo en un comentario, al final de su trabajo, menciona que, si el neutr�n fuese considerado como part�cula elemental, podr�a resolverse el problema de la estad�stica cu�ntica del nitr�geno, pero no le dio gran importancia a este punto.
Es dif�cil definir qui�n o a partir de cu�ndo el neutr�n pas� a ser considerado como la segunda part�cula elemental constituyente del n�cleo tal como ahora se concibe. El primer modelo del n�cleo con base en neutrones y protones fue propuesto por Heisenberg en 1932. En este modelo los protones y neutrones estaban ligados por el intercambio de electrones, pues todav�a se segu�a con la idea de que hab�a electrones en el n�cleo. Si la fuerza responsable de la interacci�n entre neutr�n y prot�n surg�a de este intercambio, una consecuencia l�gica del modelo de Heisenberg ser�a una diferencia en la interacci�n neutr�n-prot�n con el sistema prot�n-prot�n en que no habr�a electrones que intercambiar. En 1936, las medidas de dispersi�n prot�n-prot�n hechas por Merle Antony Tuve, N. Heisenberg y L. R. Hafstad demostraron que estas interacciones son tan fuertes como aquellas para el sistema neutr�n-prot�n. Ese mismo a�o, Gregory Breit y E. Feenberg, as� como, independientemente, Benedict Cassen y Edward Uhler Condon, propusieron un modelo de fuerzas nucleares en el que neutrones y protones interaccionaban indistintamente entre s�. En estas ideas quedaba ya impl�cita la condici�n del neutr�n como part�cula elemental en el mismo nivel del prot�n. El propio Chadwick, al recibir el Premio Nobel en diciembre de 1935, ya habl� del neutr�n como constituyente elemental del n�cleo aunque sin dar una idea clara de la naturaleza de su interacci�n con el prot�n.
La sistem�tica derivada de las masas de los n�cleos (secci�n VI.2) indicaba la existencia de masa neutra en ellos. La primera interpretaci�n para esto fue que podr�a tratarse de combinaciones de protones y electrones (secci�n VI.3). Tal modelo, sin embargo, pronto encontr� dificultades para explicar algunas evidencias experimentales (secci�n VI.4). En 1928, Bothe y Becker descubrieron un nuevo tipo de radiaciones (secci�n VI.5) que despertaron el inter�s de varios investigadores. Entre ellos se encontraba Chadwick, quien hab�a dedicado parte de su tiempo a explorar una hip�tesis alternativa de su maestro Rutherford sobre la existencia de una part�cula neutra: el neutr�n (secci�n VI.7), que logr� esclarecer en 1932.
