III. EL ELECTR�N, LA RADIACTIVIDAD Y EL N�CLEO

COMPRENDER las ideas b�sicas que hay detr�s de la fusi�n nuclear implica entender un poco la estructura de la materia. Como hemos visto, hacia fines del siglo pasado los cient�ficos hab�an establecido por fin la existencia de los �tomos, sugeridos por los griegos m�s de dos mil a�os antes. Sin embargo, los �tomos segu�an siendo concebidos como los constituyentes m�s elementales, y por lo tanto indivisibles, de la materia. Despu�s, en una secuencia de descubrimientos impresionantes realizados en apenas tres lustros, se hizo evidente que los �tomos poseen una estructura interna y no son, por tanto, elementales.

La cascada de importantes hallazgos cient�ficos comienza el 5 de noviembre de 1895, cuando R�ntgen descubre los rayos X, y termina en 1911 al anunciar Rutherford la existencia del n�cleo at�mico. En varios de estos descubrimientos, el tubo de rayos cat�dicos —coraz�n del cinescopio de nuestros televisores actuales y conocido entonces como tubo de Crookes, en honor a su inventor— desempe�� el papel central. En forma an�loga, la balanza de torsi�n hab�a servido mucho a la ciencia desde 1777, a�o en que Coulomb invent� ese aparato tan �til y tan simple. Y ya relatamos en el cap�tulo anterior c�mo otro simple instrumento, el espectroscopio de Kirchhoff y Bunsen, result� crucial para el desarrollo de la qu�mica y de la f�sica del �tomo en los finales del siglo XIX. La balanza de torsi�n, el espectroscopio y el tubo de Crookes, con su gran influencia en el desarrollo de la f�sica, nos ilustran al menos dos hechos importantes: la unidad de esta ciencia, por un lado, y la posibilidad de hallar nuevos fen�menos cuando se emplean aparatos simples de manera ingeniosa y perspicaz, por el otro.

 

Figura 3. El tubo de Crookes que se utilizaba en el laboratorio de Thomson.

En 1897, J. J. Thomson descubri� la naturaleza de los rayos cat�dicos y con ella la primera part�cula en verdad elemental: el electr�n. Cuentan que Thomson era un f�sico experimental muy torpe con las manos y que no sab�a manipular los aparatos del laboratorio. Sus alumnos prefer�an que s�lo les diera indicaciones, para que luego ellos realizaran las mediciones experimentales. No obstante, Thomson demostr� que los rayos del tubo de Crookes est�n constituidos en realidad por min�sculas part�culas, los electrones. Por este trabajo, en 1906 se otorg� a Joseph John Thomson el premio Nobel de F�sica. En a�os posteriores, al menos siete de aquellos alumnos que le hab�an impedido destruir aparatos y que alguna vez siguieron fielmente sus consejos obtuvieron sendos premios Nobel. Qu� duda cabe, �J. J. Thomson fue un gran maestro!

En Baviera, por la misma �poca, otro curioso jugaba tambi�n con su tubo de Crookes. El ingeniero mec�nico alem�n Wilhelm R�ntgen se dio cuenta, en 1895, que los rayos cat�dicos pod�an inducir luminiscencia a distancia. Hab�a hallado una radiaci�n muy penetrante y misteriosa, tan misteriosa que la llam� X. Durante siete semanas experiment� sin descanso con los rayos X; mostr� que eran altamente ionizantes y que no pod�an desviar los campos el�ctricos o magn�ticos. Un mes despu�s, en enero de 1896, habl� por primera vez en p�blico de su descubrimiento; al acabar la charla, tom� la radiograf�a de la mano de uno de los asistentes, un m�dico suizo. De inmediato R�ntgen se volvi� famoso y sus rayos X m�s todav�a. Al instaurarse en 1901 el premio Nobel, R�ntgen recibi� el primero en el campo de la f�sica.

Una curiosa similitud existe entre la historia de la fusi�n fr�a y el descubrimiento de los rayos X: en ambos casos la conmoci�n y la confusi�n entre el gran p�blico fueron grandes. Con frecuencia se malinterpret� la naturaleza de los rayos X y se les supuso propiedades que no ten�an. Los legisladores de Nueva Jersey, en EUA, por ejemplo, intentaron aprobar una ley que prohibiera el uso de binoculares de rayos X en el teatro, para as� resguardar el pudor de las damas; y el famoso Superman, h�roe pop norteamericano nacido en 1938, fue dotado, entre sus facultades superiores, con una potente vista de rayos X. Desgraciadamente, como veremos despu�s, las similitudes entre los descubrimientos de los rayos X y de la fusi�n fr�a ah� terminan.

Volviendo al tema de la estructura de la materia, el siguiente descubrimiento importante para nuestra historia fue aquel del f�sico franc�s Henri Becquerel. Intrigado con los resultados de R�ntgen se pregunt� si acaso los materiales fluorescentes podr�an emitir rayos X. En 1896, luego de una fascinante serie de acciones fortuitas, Becquerel descubri� un nuevo tipo de radiaci�n producida por el uranio. Posteriormente, la c�lebre polaca Marie Sklodowska y su marido Pierre Curie convirtieron en cuantitativos los estudios cualitativos de Becquerel. Fue madame Curie quien denomin� radiactividad al nuevo fen�meno. Ella es la �nica mujer que ha recibido dos veces el premio Nobel, el primero compartido con su esposo y con Henri Becquerel en 1903. Los descubrimientos de Thomson, Becquerel y el matrimonio Curie nos hicieron ver claramente que el �tomo, contra lo que su nombre indica, es un sistema divisible.

 

Figura 4. �rbol geneal�gico-cient�fico de J. J. Thomson y de E. Rutherford. La raya simple indica que el maestro dirigi� la tesis doctoral del alumno, la l�nea punteada que dirigi� su estancia posdoctoral y la doble raya que, de hecho, �es su progenitor! Entre par�ntesis aparece el a�o en el que el cient�fico obtuvo el premio Nobel.

Otro paso importante en esta historia lo dio un alumno de Thomson, el neozeland�s Ernest Rutherford, quien habr�a de ser conocido como el padre de la f�sica nuclear. Rutherford es una de las personalidades m�s avasalladoras de la f�sica, y por tanto de la cultura de este siglo. Nacido en Nueva Zelanda, en los linderos del Imperio brit�nico, por sus brillantes estudios obtuvo una beca para estudiar en Cambridge, a donde lleg� en 1895 para trabajar bajo la mirada vigilante de J. J. Thomson, el descubridor del electr�n.

Ya formado como investigador en los famosos laboratorios Cavendish, en la misma universidad donde antes hab�an trabajado Newton y Maxwell, le ofrecieron regresar a la periferia del Imperio, ahora como profesor de la Universidad McGill de Montreal. Ah� investiga sobre la radiactividad y sus descubrimientos lo llevan de regreso a la metr�poli; en 1906 va a trabajar a Manchester, otra cantera prestigiosa de la ciencia inglesa, donde habr�a de generar toda una nueva forma de hacer f�sica, am�n de descubrir el n�cleo at�mico y ganar el premio Nobel �de qu�mica! —gran paradoja, para uno de los m�s grandes f�sicos—. Regresa a Cambridge en 1919, ahora como director de los Cavendish y ocupa este puesto hasta su muerte en 1937. Tres son pues las etapas bien marcadas de la vida del gran f�sico: McGill, Manchester y Cambridge; en cada una de ellas obtuvo resultados que har�an vanagloriarse a cualquiera.

Rutherford estudi� los efectos de la radiactividad y de los rayos X sobre la conductividad el�ctrica de los gases. En 1898 encontr� que hab�a al menos dos tipos de radiactividad, que �l llam� rayos alfa (a) y rayos beta (b). Los rayos b son muy penetrantes, a diferencia de la radiaci�n alfa, que puede detenerse con ayuda de muy delgadas laminillas de aluminio. Los rayos beta se desv�an al entrar en un campo magn�tico, en la misma direcci�n que los electrones que forman los rayos cat�dicos en el tubo de Crookes y en direcci�n contraria a la de los rayos a. Con estos y otros datos, Rutherford demostr�, primero, que los rayos b son electrones y, posteriormente, que los rayos alfa son iones de helio.

Por aquel entonces, se hab�a ya encontrado un tercer tipo de radiactividad, la gamma (g), que descubri� en Francia Pierre Villard en 1900. Esta radiaci�n es muy penetrante y un campo magn�tico no puede desviarla. El mismo Rutherford y su estudiante portugu�s Da Costa Andrade demostraron que los rayos gamma son de naturaleza id�ntica que los rayos X, es decir, los forman ondas electromagn�ticas como la luz, aunque de mucho mayor frecuencia; de ah� su gran penetraci�n.

Otro descubrimiento temprano y trascendente de Soddy y Rutherford, publicado en 1903, llega muy hondo al coraz�n de la qu�mica. Afirman que un elemento radiactivo, al emitir rayos beta o alfa, se convierte en un elemento qu�mico distinto. Los elementos de la tabla peri�dica de Mendeleyev no eran, en consecuencia, inmutables. Esta afirmaci�n, sencilla pero dif�cil de aceptar, contradec�a uno de los axiomas b�sicos de la ciencia de aquella �poca. Parec�a que la vieja alquimia renac�a...

En efecto, la alquimia primitiva surge en Egipto al principio de la era cristiana y su origen se debe, qu� duda cabe, al esfuerzo de los primeros metalurgistas por convertir en el laboratorio a los metales menos nobles en oro. Alejandr�a era entonces el cruce de todos los caminos intelectuales de la �poca: la filosof�a helen�stica, el misticismo de Oriente y la tecnolog�a egipcia —no por casualidad khemia, posible origen de la palabra qu�mica, significa Egipto—. En su af�n por conservar sus secretos tecnol�gicos, los viejos alquimistas �rabes comenzaron a emplear un lenguaje cifrado, cada vez m�s cr�ptico y apto s�lo para iniciados. El camino al misticismo estaba as� abierto y la alquimia se alej� del laboratorio y por ende de la ciencia. Rutherford, sin embargo, vuelve la transmutaci�n de los elementos al cauce cient�fico, contradice uno de los postulados b�sicos de la qu�mica de su tiempo, y por ello recibe el premio Nobel de Qu�mica en 1908. Al recibirlo dice: "He visto muchas transformaciones en mi vida, pero ninguna tan r�pida como la que acabo de experimentar, de f�sico a qu�mico en un instante."

Pero el m�s grande logro de Rutherford fue probar la existencia del n�cleo at�mico. Este hallazgo lo realiz� con la ayuda de sus disc�pulos, el alem�n Hans Geiger y el neozeland�s Ernest Marsden, entonces de s�lo 25 y 18 a�os de edad, respectivamente. A sugerencia de Rutherford, Geiger y Marsden midieron la dispersi�n de rayos alfa por hojas delgadas de oro, encontrando un resultado sorprendente: �hab�a alfas dispersadas hacia atr�s! Seg�n Rutherford, dada la enorme velocidad de esas part�culas, era como si las balas de una pistola rebotaran en hojas delgadas de papel. Geiger y Marsden publicaron sus resultados en 1909. Dos a�os despu�s, y luego de muchos c�lculos, para los cuales emple� la mec�nica de Newton, Rutherford lleg� a la conclusi�n siguiente: el campo el�ctrico tan intenso que se requiere para desviar las veloces part�culas alfa s�lo puede producirlo una carga positiva muy concentrada en el coraz�n del �tomo, un n�cleo que es 10 000 veces m�s peque�o que el �tomo, es decir que ocupa una regi�n cuyo radio es cercano a 10^-13cm.* Tal carga positiva est� equilibrada por los electrones negativos que en alguna forma circundan a este n�cleo at�mico.

Los grandes cambios de la cultura del hombre, y en particular de su ciencia, han surgido siempre cuando con argumentos sencillos pero contundentes se muestra que algo importante anda, en esencia, mal. Eso ocurri� con el modelo at�mico basado en la f�sica cl�sica que Rutherford imagin�: el �tomo como un sistema planetario en miniatura: unos electrones con carga negativa orbitan alrededor de un n�cleo, cuya carga es positiva y cuya masa es miles de veces mayor que la electr�nica. Intu�a, pues, que en lugar del Sol, estaba el n�cleo at�mico; que en vez de los planetas, se encontraban los electrones negativos, y que la fuerza de uni�n entre unos y otros, electrones y n�cleo, ya no era la atracci�n gravitatoria como entre planetas y astro, sino la fuerza el�ctrica de Coulomb, que entre cargas de signo opuesto es atractiva.

Si bien los experimentos en que Rutherford hac�a chocar violentamente part�culas alfa contra laminillas de oro y la existencia ya entonces bien conocida de los electrones suger�an de manera natural al gran f�sico neozeland�s un modelo at�mico como el antes descrito, concebir el �tomo como un sistema planetario microsc�pico es incorrecto e insostenible si se cree al mismo tiempo en la estabilidad de la materia y en la f�sica cl�sica —cuyos pilares son la mec�nica de Newton y el electromagnetismo de Maxwell.—

El argumento que liquida el modelo planetario del �tomo o que entierra a la f�sica cl�sica es simple. La teor�a electromagn�tica cl�sica nos dice que una carga acelerada como el electr�n que da vueltas alrededor del n�cleo debe radiar energ�a en forma de ondas electromagn�ticas. La energ�a que estas ondas acarrean surge de la del propio electr�n, por lo que �ste pierde velocidad y se acerca al n�cleo. Las �rbitas electr�nicas se acortan entonces m�s y m�s, y el electr�n no recorre ya una elipse como si fuera un planeta sino una espiral que se encoge a cada instante. El destino final e irremisible de los electrones es el n�cleo positivo que les atrae, y el �tomo cesa de existir en un tiempo mil veces menor que el que tarda en llegar a nuestros ojos la luz de un foco que se enciende a un metro de distancia de nosotros. Los �tomos cl�sicos a la Rutherford no son, pues, estables.

Para remediar tan inc�moda situaci�n, el gran f�sico dan�s Niels Bohr propuso en 1913 algunos postulados no ortodoxos y un tanto ad-hoc. Bohr supon�a la existencia de unas cuantas �rbitas electr�nicas especiales: mientras el electr�n se halla en ellas no radia, y s�lo puede hacerlo al brincar de una a otra. Es decir; bajo ciertas condiciones din�micas, aunque el electr�n d� vueltas alrededor del n�cleo y sufra la aceleraci�n centr�peta, su energ�a se mantiene constante y no cae hacia el n�cleo. El �tomo de Bohr; por lo tanto, es estable. A pesar de lo poco intuitivo de estos postulados, el modelo de Bohr pudo explicar el espectro del �tomo de hidr�geno, analizado experimentalmente por Balmer a finales del XIX.

Los postulados de Bohr y la f�sica cl�sica son incompatibles. Todo parecer�a indicar; dados los logros del nuevo modelo y sus postulados no ortodoxos, que una nueva forma de pensar se hac�a necesaria cuando se trataba de entender sistemas f�sicos microsc�picos, como el �tomo. Esos nuevos conceptos se fueron delineando de manera paulatina hasta quedar firmemente establecidos a finales de los a�os veinte con la mec�nica ondulatoria de Schr�dinger, la mec�nica de matrices de Heisenberg y la simbiosis de ambas lograda por Dirac. Entonces surge la nueva f�sica, la f�sica cu�ntica.