VII. CÓMO DETECTAR LA RADIACIÓN

HASTA aquí hemos descrito en forma somera el núcleo atómico. Discutido cómo decae radiactivamente, cuáles son sus constituyentes y cuáles son algunas de las reacciones que los núcleos pueden experimentar. Todo ello nos permite ya centrarnos en una reacción nuclear en particular, la fusión, a la cual dedicaremos el resto de este libro. Intercalando un poco de electroquímica y otro tanto de calorimetría, podremos ya entender el experimento frustrado de Fleischmann y Pons y por qué causó tanto revuelo.

Muchos son los productos de las reacciones nucleares como la fisión y la fusión. En el caso de la fusión entre núcleos de hidrógeno y deuterio para formar helio, los siguientes son productos característicos: se emite radiación gamma y varios tipos de partículas: neutrones y tritio —el isótopo más pesado del hidrógeno, formado por un protón y dos neutrones—, así como dos isótopos 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 aquí un breve recuento de los principios en que se basan las técnicas para medir todos estos residuos. Su presencia y su abundancia relativa serán cruciales para analizar el experimento de fusión fría de Fleischmann y Pons.

Empecemos por las técnicas para detectar los rayos gamma, que como hemos visto son cuantos de radiación electromagnética de muy alta energía, o sea, luz de muy alta frecuencia. Por esta causa, la radiación gamma actúa principalmente sobre las partículas cargadas y, en particular, afecta con mayor probabilidad a los electrones que a los núcleos, pues aquellos al moverse ocupan una zona más grande del espacio. La detección de los rayos gamma se basa en el efecto que ejercen sobre los átomos de algún material cuando envían uno de sus electrones a un estado excitado o lo arrancan del átomo y provocan su ionización. La perturbación causada por este tipo de fotones puede darse de dos maneras: cuando el electrón absorbe toda la energía del cuanto de luz, en lo que se llama un proceso fotoeléctrico, o cuando esto se da sólo en forma parcial y se tiene la dispersión Compton. En este último caso, parte de la energía del fotón incidente se absorbe y se emite un segundo cuanto de luz, cuya frecuencia y dirección obedecen reglas que surgen de la conservación de la energía y del ímpetu, de acuerdo a la teoría de la relatividad.

En el caso de las energías distintivas de la reacción de fusión de hidrógeno y deuterio, el efecto Compton predomina. Sin embargo, puesto que en este proceso la energía que se absorbe no tiene valores bien definidos, es más fácil identificar un rayo gamma por medio del proceso fotoeléctrico, tomando en cuenta la energía 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 energía en pulsos de luz visible. Estos centelleos, a su vez, se convierten en pulsos eléctricos por medio de materiales fotosensibles. Su intensidad se puede medir fácilmente, y es proporcional al número de fotones. Este número es también proporcional a la energía 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 radiación tiene una energía de 1.25 MeV —recuérdese, el MeV es la energía típica de un decaimiento nuclear—, y el pico de la derecha en el espectro que aquí se muestra se debe a los rayos g que sufrieron el efecto fotoeléctrico en el centelleador. En contraste, en la zona de menor energía, que corresponde a la parte izquierda del espectro de esta figura, se muestra la distribución continua de los fotones que sufrieron la dispersión Compton.

En general se observan, pues, los picos fotoeléctricos a la derecha y los hombros de Compton a la izquierda. Cuando la fuente radiactiva emite rayos gamma de diversas energías y algunas de éstas se sobreponen a los hombros de Compton, el espectro resultante es una combinación de picos y hombros, que debe discernirse. Según el centelleador; los picos resultan más o menos anchos; en este último caso, tenemos un detector con mayor resolución. En la figura 6 vemos lo mismo que en la anterior; pero usando un detector de GeLi, que resuelve mejor la energía de los rayos gamma.

No toda la radiación 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, serán más eficientes los materiales para absorber la radiación electromagnética; también mientras más alta sea la energía de esta última, la eficiencia para detectar la radiación 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 fusión nuclear aparecen también neutrones, que al no poseer carga eléctrica son difíciles de detectar. Sólo los choques directos con los núcleos de los materiales del detector los delatan. Como los núcleos son muy pequeños, la probabilidad del choque también lo es y la penetración de los neutrones es grande. Esta probabilidad, sin embargo, aumenta cuando disminuye la energía del neutrón y por eso, para facilitar su detección, a los neutrones se les modera, o sea, se reduce su energía forzándolos a atravesar materiales que contengan hidrógeno. Puesto que la masa del hidrógeno es cercana a la del neutrón, las colisiones con él son muy eficientes para reducir la energía neutrónica. Se alcanzan entonces los valores llamados térmicos, cuando la velocidad del neutrón es semejante a la que tiene un átomo en el material detector. Un núcleo captura después a los neutrones térmicos, pasa a un estado excitado y luego decae emitiendo un rayo gamma. Con la técnica de centelleadores que antes expusimos se pueden contar los neutrones. La energía de los neutrones, sin embargo, es muy difícil de medir.

Este método para detectar neutrones tampoco es cien por ciento eficiente. En el experimento de fusión fría, objeto de este libro, se usa un moderador de agua y la captura por núcleos de hidrógeno para formar deuterio. Si tomamos en cuenta la eficiencia para detectar rayos gamma y algunos otros factores geométricos, el método usado por Fleishmann y Pons es capaz de detectar sólo 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 débil y comparable al fondo radiactivo natural. Tal radiación de fondo, que se debe tanto a la existencia de núcleos radiactivos en la superficie terrestre cuanto a la continua incidencia de rayos cósmicos, produce por sólo este último concepto un flujo igual a un neutrón por centímetro cuadrado cada segundo.

 

Figura 6. Respuesta de un detector GeLi.

Los demás residuos de la fusión nuclear; el tritio y los isótopos de helio, no pueden escapar del medio material en que ocurre la reacción. Si medimos la cantidad acumulada de estos residuos luego de un periodo de observación, podemos evaluar la actividad nuclear sin muchas dificultades. Para determinar la cantidad de tritio —que, como ya se dijo, es un isótopo del hidrógeno que decae en ³He al emitir un rayo beta y que tiene una vida media de 12.2 años—, 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 isótopos de helio se detecta por medio de una técnica llamada espectroscopía de masas. Se recogen los isótopos ³He y ⁴He. Ambos son estables y no interactúan con otros elementos pues el helio es un gas noble. Luego se les ioniza y sujeta a la acción de un campo magnético. Las trayectorias que siguen dentro de él los iones son distintas según el cociente de su carga a su masa. Los núcleos 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 técnica no es todo lo segura que quisiéramos, porque otros haces moleculares tienen la misma relación de carga a masa. Por ejemplo, al analizar las muestras del experimento de fusión fría, podría producirse un haz de moléculas triatómicas de hidrógeno doblemente ionizadas, cuya presencia obscurecería nuestros resultados pues este sistema tiene también carga 2 y masa 3 como el ³He.