VII. C�MO DETECTAR LA RADIACI�N

HASTA aqu� hemos descrito en forma somera el n�cleo at�mico. Discutido c�mo decae radiactivamente, cu�les son sus constituyentes y cu�les son algunas de las reacciones que los n�cleos pueden experimentar. Todo ello nos permite ya centrarnos en una reacci�n nuclear en particular, la fusi�n, a la cual dedicaremos el resto de este libro. Intercalando un poco de electroqu�mica y otro tanto de calorimetr�a, podremos ya entender el experimento frustrado de Fleischmann y Pons y por qu� caus� tanto revuelo.

Muchos son los productos de las reacciones nucleares como la fisi�n y la fusi�n. En el caso de la fusi�n entre n�cleos de hidr�geno y deuterio para formar helio, los siguientes son productos caracter�sticos: se emite radiaci�n gamma y varios tipos de part�culas: neutrones y tritio —el is�topo m�s pesado del hidr�geno, formado por un prot�n y dos neutrones—, as� como dos is�topos estables del helio, el ³He y el ⁴He. El tritio es a su vez inestable, pues luego de un tiempo se transforma en ³He, que ya no decae. Haremos aqu� un breve recuento de los principios en que se basan las t�cnicas para medir todos estos residuos. Su presencia y su abundancia relativa ser�n cruciales para analizar el experimento de fusi�n fr�a de Fleischmann y Pons.

Empecemos por las t�cnicas para detectar los rayos gamma, que como hemos visto son cuantos de radiaci�n electromagn�tica de muy alta energ�a, o sea, luz de muy alta frecuencia. Por esta causa, la radiaci�n gamma act�a principalmente sobre las part�culas cargadas y, en particular, afecta con mayor probabilidad a los electrones que a los n�cleos, pues aquellos al moverse ocupan una zona m�s grande del espacio. La detecci�n de los rayos gamma se basa en el efecto que ejercen sobre los �tomos de alg�n material cuando env�an uno de sus electrones a un estado excitado o lo arrancan del �tomo y provocan su ionizaci�n. La perturbaci�n causada por este tipo de fotones puede darse de dos maneras: cuando el electr�n absorbe toda la energ�a del cuanto de luz, en lo que se llama un proceso fotoel�ctrico, o cuando esto se da s�lo en forma parcial y se tiene la dispersi�n Compton. En este �ltimo caso, parte de la energ�a del fot�n incidente se absorbe y se emite un segundo cuanto de luz, cuya frecuencia y direcci�n obedecen reglas que surgen de la conservaci�n de la energ�a y del �mpetu, de acuerdo a la teor�a de la relatividad.

En el caso de las energ�as distintivas de la reacci�n de fusi�n de hidr�geno y deuterio, el efecto Compton predomina. Sin embargo, puesto que en este proceso la energ�a que se absorbe no tiene valores bien definidos, es m�s f�cil identificar un rayo gamma por medio del proceso fotoel�ctrico, tomando en cuenta la energ�a que ceden los rayos g al medio material que los absorbe. Para detectar los rayos gamma usamos, entonces, unos materiales peculiares que se denominan centelleadores que transforman la energ�a en pulsos de luz visible. Estos centelleos, a su vez, se convierten en pulsos el�ctricos por medio de materiales fotosensibles. Su intensidad se puede medir f�cilmente, y es proporcional al n�mero de fotones. Este n�mero es tambi�n proporcional a la energ�a cedida al centelleador por el rayo gamma.

Un ejemplo real viene al caso; en la figura 5 se ve el resultado de exponer el compuesto NaI(T1), que es un centelleador; a los rayos gamma provenientes de una fuente radiactiva de ¹³⁷Cs. Esta radiaci�n tiene una energ�a de 1.25 MeV —recu�rdese, el MeV es la energ�a t�pica de un decaimiento nuclear—, y el pico de la derecha en el espectro que aqu� se muestra se debe a los rayos g que sufrieron el efecto fotoel�ctrico en el centelleador. En contraste, en la zona de menor energ�a, que corresponde a la parte izquierda del espectro de esta figura, se muestra la distribuci�n continua de los fotones que sufrieron la dispersi�n Compton.

En general se observan, pues, los picos fotoel�ctricos a la derecha y los hombros de Compton a la izquierda. Cuando la fuente radiactiva emite rayos gamma de diversas energ�as y algunas de �stas se sobreponen a los hombros de Compton, el espectro resultante es una combinaci�n de picos y hombros, que debe discernirse. Seg�n el centelleador; los picos resultan m�s o menos anchos; en este �ltimo caso, tenemos un detector con mayor resoluci�n. En la figura 6 vemos lo mismo que en la anterior; pero usando un detector de GeLi, que resuelve mejor la energ�a de los rayos gamma.

No toda la radiaci�n g incidente se detecta, pues estos rayos son muy penetrantes y pueden escaparse. Mientras mayor sea la densidad de electrones del medio, como en el plomo, por ejemplo, ser�n m�s eficientes los materiales para absorber la radiaci�n electromagn�tica; tambi�n mientras m�s alta sea la energ�a de esta �ltima, la eficiencia para detectar la radiaci�n decrece. Un detector de NaI(T1) que ocupe unos 50 cm³, semejante al empleado por Fleischmann y Pons, posee una eficiencia del uno por ciento.

 

Figura 5. Respuesta de un centellador NaI(T1) a los rayos gama producidos por el ¹³⁷Cs.

En la fusi�n nuclear aparecen tambi�n neutrones, que al no poseer carga el�ctrica son dif�ciles de detectar. S�lo los choques directos con los n�cleos de los materiales del detector los delatan. Como los n�cleos son muy peque�os, la probabilidad del choque tambi�n lo es y la penetraci�n de los neutrones es grande. Esta probabilidad, sin embargo, aumenta cuando disminuye la energ�a del neutr�n y por eso, para facilitar su detecci�n, a los neutrones se les modera, o sea, se reduce su energ�a forz�ndolos a atravesar materiales que contengan hidr�geno. Puesto que la masa del hidr�geno es cercana a la del neutr�n, las colisiones con �l son muy eficientes para reducir la energ�a neutr�nica. Se alcanzan entonces los valores llamados t�rmicos, cuando la velocidad del neutr�n es semejante a la que tiene un �tomo en el material detector. Un n�cleo captura despu�s a los neutrones t�rmicos, pasa a un estado excitado y luego decae emitiendo un rayo gamma. Con la t�cnica de centelleadores que antes expusimos se pueden contar los neutrones. La energ�a de los neutrones, sin embargo, es muy dif�cil de medir.

Este m�todo para detectar neutrones tampoco es cien por ciento eficiente. En el experimento de fusi�n fr�a, objeto de este libro, se usa un moderador de agua y la captura por n�cleos de hidr�geno para formar deuterio. Si tomamos en cuenta la eficiencia para detectar rayos gamma y algunos otros factores geom�tricos, el m�todo usado por Fleishmann y Pons es capaz de detectar s�lo uno de cada diez mil neutrones que pudieran haberse producido. Esta es una eficiencia baja en verdad, lo que constituye un serio problema experimental cuando la actividad nuclear que se desea registrar es d�bil y comparable al fondo radiactivo natural. Tal radiaci�n de fondo, que se debe tanto a la existencia de n�cleos radiactivos en la superficie terrestre cuanto a la continua incidencia de rayos c�smicos, produce por s�lo este �ltimo concepto un flujo igual a un neutr�n por cent�metro cuadrado cada segundo.

 

Figura 6. Respuesta de un detector GeLi.

Los dem�s residuos de la fusi�n nuclear; el tritio y los is�topos de helio, no pueden escapar del medio material en que ocurre la reacci�n. Si medimos la cantidad acumulada de estos residuos luego de un periodo de observaci�n, podemos evaluar la actividad nuclear sin muchas dificultades. Para determinar la cantidad de tritio —que, como ya se dijo, es un is�topo del hidr�geno que decae en ³He al emitir un rayo beta y que tiene una vida media de 12.2 a�os—, mezclamos el agua con una sal centelleadora y observamos los rayos de luz resultantes; la eficiencia del detector es, otra vez, del orden del 1%. En cambio, la presencia de los is�topos de helio se detecta por medio de una t�cnica llamada espectroscop�a de masas. Se recogen los is�topos ³He y ⁴He. Ambos son estables y no interact�an con otros elementos pues el helio es un gas noble. Luego se les ioniza y sujeta a la acci�n de un campo magn�tico. Las trayectorias que siguen dentro de �l los iones son distintas seg�n el cociente de su carga a su masa. Los n�cleos de ³He, con carga 2 y masa 3, siguen por tanto una trayectoria distinta a la del ⁴He, con carga 2 y masa 4. La t�cnica no es todo lo segura que quisi�ramos, porque otros haces moleculares tienen la misma relaci�n de carga a masa. Por ejemplo, al analizar las muestras del experimento de fusi�n fr�a, podr�a producirse un haz de mol�culas triat�micas de hidr�geno doblemente ionizadas, cuya presencia obscurecer�a nuestros resultados pues este sistema tiene tambi�n carga 2 y masa 3 como el ³He.