II. LA ESTRUCTURA DEL �TOMO

MARCOS SOLACHE-R�OS MELANIA JIM�NEZ-REYES

EL ATOMISMO

DESDE hace muchos siglos el hombre sospech� que el mundo f�sico se hallaba formado por part�culas invisibles al ojo humano y, seg�n consideraron algunos pensadores de la antigua Grecia, indivisibles. Debido a esta �ltima cualidad esas part�culas recibieron el nombre de �tomos, t�rmino griego que significa "lo que no se puede dividir".

Atomismo, en sentido amplio, es cualquiera doctrina que explique los fen�menos naturales tomando como base la existencia de part�culas indivisibles. Por el contrario, las teor�as denominadas hol�sticas explican las partes por referencia al todo.

La teor�a atomista fue desarrollada en el siglo V por Leucipo de Mileto y su disc�pulo Dem�crito de Abdera. Dem�crito aseguraba que todo se compone exclusivamente de �tomos y vac�o.

El fil�sofo ateniense Epicuro (siglos IV-III a. C.) y el poeta latino Lucrecio, dos siglos despu�s, asignaron a los �tomos la propiedad del peso y postularon la divisi�n del �tomo en partes m�nimas.

La doctrina atomista tuvo escasa repercusi�n en la Edad Media debido a la preminencia de las ideas hol�sticas de Plat�n y Arist�teles.

Ya en el siglo XIX, el qu�mico ingl�s John Dalton estableci� la denominadas leyes estequiom�tricas (relativas a las proporciones y relaciones cuantitativas que rigen las reacciones qu�micas) y asegur� que estas inclu�an la relaci�n de n�meros enteros simples en las reacciones qu�micas. Tambi�n en esa �poca Robert Boyle y Edm� Mariotte hab�an enunciado las leyes de los gases referentes a las relaciones entre el volumen y la presi�n. El hecho de que los gases pudieran comprimirse hasta l�mites m�ximos al aumentar la presi�n indicaba que sus constituyentes se hallaban separados por grandes distancias y dejaban huecos entre ellos. Es decir que la materia, aun siendo sometida a grandes presiones, no era continua. Todos estos fen�menos s�lo hallaban explicaci�n en la teor�a at�mica.

EL ELECTR�N

A fines del siglo XIX las condiciones estaban ya dispuestas y se empezaron a abrir las puertas para escudri�ar la estructura del �tomo. Y fue el corp�sculo ahora denominado electr�n el primero de los constituyentes at�micos que pudo ser identificado por J.J. Thomson en 1897.

Joseph John Thomson naci� el 18 de diciembre de 1856 en Cheetam Hiel, cerca de Manchester, Inglaterra. Hijo de un vendedor de libros, fue de ni�o lector insaciable y magn�fico estudiante. A los 20 anos, el joven ingeniero Thomson obtuvo una beca para estudiar f�sica y matem�ticas en la Universidad de Cambridge y, acogido por el Trinity College, se inici� c�mo estudiante y lleg� a ser, a�os m�s tarde, el director. Lord Raleigh (1842-1919), que era director de los famosos laboratorios Cavendish de la Universidad de Cambridge, design� como su sucesor, en 1884, a Thomson, quien demostrar�a con creces y a lo largo de 35 a�os lo atinado de la elecci�n, pues contribuy� a desarrollar uno de los mayores laboratorios de investigaci�n que atrajo a cient�ficos de todo el mundo. All� conocer�a a quien fue desde 1890, su esposa: Rose Elizabeth Paget, hija de sir George y lady Paget. Rose y Joseph ser�an a su vez padres del laureado Nobel de 1937 en f�sica: Georges Paget Thomson.

En la d�cada de los a�os ochenta del siglo XIX, la teor�a at�mica aseguraba que los �tomos eran torbellinos de �ter, una substancia sin peso que se consideraba difundida por todo el espacio.

Ya se ha mencionado en el cap�tulo I que el ingl�s Crookes descubri� los rayos cat�dicos en 1869 y que desde entonces muchos investigadores se dieron a la tarea de hallar las propiedades de esos rayos. En el a�o de 1895 Jean Perrin, en Par�s, descubri� que los rayos cat�dicos eran part�culas cargadas negativamente y los experimentos que realiz� enseguida. J. J. Thomson permitieron determinar su velocidad y medir el cociente de su carga y su masa.

J.J., como le dec�an cari�osamente sus amigos, realiz� sus experimentos con un tubo de descarga al que le hab�an eliminado el aire del interior, tal como el que se describe en seguida (v�ase la figura II.1). Los rayos cat�dicos originados en el electrodo de la izquierda y limitados a un fino haz por los agujeros de los diafragmas D, atraviesan dos placas paralelas de metal y el campo magn�tico de dos solenoides exteriores hasta llegar a una pantalla fluorescente. Si las placas y los solenoides est�n descargados, el haz pasa recto y choca en el punto S de la pantalla.

Cuando las placas met�licas est�n conectadas a una fuente de alto voltaje, el haz de part�culas negativas se desv�a hacia abajo debido a la carga positiva de la placa inferior (v�ase la figura II.1) y entonces el haz incide en el punto N, siguiendo una trayectoria parab�lica (v�ase la figura II.2(a)). Por el contrario, cuando se aplica solamente el campo magn�tico de manera que las l�neas magn�ticas sean perpendiculares al plano de la p�gina, el haz se curva hacia arriba y llega al punto M. Esto se debe a que en un campo magn�tico uniforme los electrones siguen una trayectoria circular (v�ase la figura 11.2(b)) J.J. se dio cuenta de que al aplicar el campo magn�tico y el el�ctrico al mismo tiempo las reflexiones pod�an compensarse y, al cumplirse esa condici�n, midi� el campo el�ctrico y la inducci�n magn�tica aplicados. El cociente de esos valores result� ser la velocidad del haz de los rayos cat�dicos, que es de varios miles de kil�metros por segundo. Este valor depende del voltaje aplicado entre el �nodo y el c�todo.

Thomson se apoy� en esos resultados para continuar sus investigaciones y encontr� que el cociente carga/masa (e/m) de los corp�sculos que integraban los rayos cat�dicos, ahora denominados electrones, era directamente proporcional a la velocidad e inversamente proporcional a la intensidad del campo magn�tico aplicado y a la distancia r (v�ase la figura II.2(b)), teniendo en cuenta que s�lo se aplique ese campo magn�tico y el haz se desv�e hacia arriba.

Figura II.1. Diagrama de un tubo de descarga empleado por J.J. para medir la velocidad de los rayos cat�dicos.

El valor de e/m es de �175 000 000 000 de culombios por kilogramo! Un valor tan grande significa que la masa de una part�cula de rayos cat�dicos es muy peque�a comparada con la carga en culombios que lleva.

Algunos a�os despu�s, en 1906, el f�sico norteamericano Robert Andrews Millikan (1868-1953) encontr� el valor de la carga de un electr�n. Para escribir esa cifra es necesario colocar 18 ceros a la derecha del punto decimal y luego el n�mero 16, culombios. La masa del electr�n pudo calcularse entonces con los resultados de Thomson y Millikan, y para escribir la cifra de su valor se requieren treinta ceros a la derecha del punto decimal y luego el n�mero 9, kilogramo. Estamos hablando de part�culas realmente peque��simas.

El primer modelo que trat� de explicar la constituci�n del �tomo fue el de J. J. Thomson, quien propuso la existencia de una esfera de carga positiva, distribuida en el volumen del �tomo, cuyo di�metro es de aproximadamente una diezmillon�sima de micra y supuso que part�culas con cargas negativas, los electrones, estaban dispersas de alguna forma ordenada en esta esfera.

Thomson fue galardonado con el premio Nobel en 1906 y Millikan en 1923. Cabe aqu� se�alar que de entre los estudiantes e investigadores de la Universidad de Cambridge varios fueron galardonados con el Nobel adem�s de J. J. Thomson: lord Rayleigh en 1904, Rutherford en 1908, Bragg padre e hijo en 1915, Bohr en 1922, A. H. Compton y C. T. R. Wilson en 1927, P. A. M. Dirac en 1933, J. Chadwick en 1935, G. P. Thomson en 1937, P. M. Blakett en 1948, J. D. Cockcroft y E. T. S. Walton en 1951, y M. Born en 1954.

J.J. Thomson muri� el 30 de agosto de 1940 y fue sepultado en la abad�a de Westminster, cerca de los restos de Newton, Kelvin, Darwin y Rutherford.

Pero vamos a regresar a la �poca de fines del siglo XIX y principios del XX en Cambridge, donde tuvieron lugar otros muchos descubrimientos de gran importancia.

Figura II.2. Comportamiento de los electrones. (a). En un campo el�ctrico uniforme describen una trayectoria parab�lica. (b). En un campo magn�tico uniforme, su trayectoria es circular.

ERNEST RUTHERFORD

La soberan�a de la Corona brit�nica sobre Nueva Zelanda se inici� en 1840. El archipi�lago, situado al sureste de Australia, viv�a en esa �poca momentos de gran inestabilidad y quiz� por eso el gobierno ingl�s apoy� el ingreso de sus colonos en aquel pa�s. El escoc�s George Rutherford y su familia se trasladaron all� en 1842 y se establecieron en la Isla del Sur; que brindaba entonces un desarrollo econ�mico favorable. James, hijo de George creci� ya en Nueva Zelanda y cas� con Caroline Thompson. La pareja se estableci� en un pueblo de Nelson. James era campesino y Caroline maestra de escuela. Ernest, el segundo de sus doce hijos, naci� en el 30 de agosto de 1871,y desde peque�o se distingui� por su inteligencia excepcional, lo que impuls� a su familia a sostener sus estudios aun a costa de grandes sacrificios.

Cuando Ernest ten�a 15 a�os gan� una beca al lograr 580 aciertos de un total de 600 preguntas y el premio le permiti� asistir al Colegio Nelson, donde fue siempre el primero, no s�lo en matem�ticas, f�sica y qu�mica, si no tambi�n en lat�n, literatura inglesa, franc�s e historia. En 1889 gan� otra beca para el Colegio Canterbury que en ese tiempo era una instituci�n peque�a con aproximadamente siete profesores y 150 estudiantes.

Rutherford asisti� al Colegio Canterbury de 1890 a 1894, se gradu� a los 21 a�os y al siguiente a�o obtuvo el grado de Master in Arts, First class honours en matem�ticas y en f�sica; este doble �xito hab�a ocurrido solamente una vez en la historia de la Universidad. Sus profesores fueron: de matem�ticas, C. H. Cook y de f�sica, A. Bickerton.

En 1894, Rutherford inici� su sorprendente carrera experimental en la Universidad de Canterbury. Fabric� su primer detector magn�tico a control remoto y pudo mandar y recibir se�ales a lo largo de su laboratorio. Igual que muchos cient�ficos, fabricaba sus propios aparatos, sencillos pero ingeniosos, pues aseguraba que se invert�a m�s tiempo en el mantenimiento de equipos complicados que en la obtenci�n de resultados. Dec�a tambi�n que siendo una persona sencilla, sus ideas b�sicas en f�sica ser�an simples.

Rutherford obtuvo una beca como estudiante universitario distinguido de la Comunidad Brit�nica de Naciones y as� logr� ser el primer becario de ultramar que se matricul� en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, en 1895. Desde entonces fue miembro del Trinity College. Ernest cas� en 1900 con Mary Newton, de Cristchurch. Al a�o siguiente, naci� su �nica hija, Eileen.

En el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Rutherford continu� su trabajo sobre la detecci�n de ondas electromagn�ticas de radio. Aument� gradualmente el l�mite de la transmisi�n, y en 1896 pudo mandar se�ales a media milla de distancia. Nadie hab�a podido mandar se�ales tan lejos. En ese mismo a�o public� un art�culo titulado "Un detector magn�tico de ondas el�ctricas." Posteriormente J.J. Thomson lo invit� a un�rsele para estudiar el efecto de los rayos X sobre los gases.

La vida profesional de Rutherford puede ubicarse en cuatro periodos: el primero, de 1895 a 1898 en el Laboratorio Cavendish de Cambridge: el segundo, de 1898 a 1907 en la Universidad de McGill en Montreal: el tercero, de 1907 a 1919, en la Universidad de Manchester y el cuarto, de 1919 a 1937, en Cambridge, cuando fue llamado a sustituir a Thomson en el Laboratorio Cavendish como profesor de f�sica experimental. En cada una de estas etapas Rutherford particip� decisivamente en el desarrollo del conocimiento: estuvo siempre en el candelero de la ciencia tal como el mismo aseguraba, en el candelero que el hab�a construido. Era un profesor que sab�a transmitir a sus disc�pulos su entusiasmo por la investigaci�n cient�fica. Disfruto de muchas preseas bien merecidas, sean mencionadas el premio Nobel de qu�mica en 1908 por sus investigaciones sobre "La desintegraci�n de los elementos y la radiactiva" , y el t�tulo de bar�n que le fue otorgado en 1931. �l mismo escogi� el t�tulo de lord Rutherford de Nelson, por el cari�o que le ten�a a su tierra natal.

En el n�mero de agosto de 1937 de la revista Nature, Rutherford public� su �ltimo art�culo que vers� sobre el tritio. Utilizando el m�todo de electr�lisis trat� de enriquecer agua con los �tomos pesados del hidr�geno e intent� detectarlos mediante la t�cnica de la espectrometr�a de las masas. Ahora sabemos que para haber detectado tritio de esa manera Rutherford ten�a que haber enriquecido el agua un mill�n de veces con tritio, porque se trata de un is�topo muy poco abundante. El tritio se conoc�a desde 1934, hab�a sido descubierto por M. L. E. Oliphant, P. Harteck y el mismo Rutherford.

Rutherford muri� en Londres el 19 de Octubre de 1937. Algunas de sus �ltimas palabras sirvieron para indicar a su esposa que deseaba heredar 100 libras esterlinas al Colegio Nelson.

LAS RADIACIONES ALFA, BETA Y GAMMA

En 1900 Rutherford estudi� las propiedades de un gas emitido por el torio, al que llam� emanaci�n del torio; adem�s descubri� que las sustancias radiactivas se estaban desintegrando continuamente. En enero de 1900, en la revista Philosophical Magazine, Rutherford public� una comunicaci�n acerca de una sustancia radiactiva emitida por compuestos de torio. Uno de los experimentos que describ�a consist�a en lo siguiente (v�ase la figura II.3):

Se pas� una corriente de aire sobre una capa gruesa de �xido de torio encerrado en un recipiente de papel A, dentro de un tubo largo de metal B. A, continuaci�n el aire pas� a un gran recipiente cil�ndrico aislado, C, del cual fluyo finalmente, al trav�s de una placa con agujeros finos. El electrodo de metal aislado, D, est� conectado a un par de cuadrantes de un electr�metro Kelvin [un electr�metro es un instrumento electr�nico para medir bajas diferencias de potencial y corrientes, extrayendo muy poca corriente del circuito]. Despu�s de dejar fluir el aire cierto tiempo, se interrumpi� su paso y se midi� la corriente de ionizaci�n entre C y E, durante 10 minutos.

Los resultados se ilustran en la curva A de la figura II.4. Posteriormente Rutherford coloc� el �xido de torio en una caja de papel, entre dos cilindros de metal aislados y conc�ntricos, a lo largo de los cuales pas� una corriente de aire a fin de separar la emanaci�n a medida que se formara (figura II.3). Al cesar el flujo de aire y medir la corriente de ionizaci�n entre los dos cilindros se obtuvieron los resultados representados en la curva B de la figura II.4. se puede observar que la suma de A + B en la figura II.4 es constante en todo tiempo, t. Esto indica que, en equilibrio, la emanaci�n se produce con la misma rapidez con que desaparece.

Figura II.3. aparato de Rutherford para demostrar la desintegraci�n de la emanaci�n tor�n. A: �xido de torio. B: tubo met�lico. C: recipiente para captar el tor�n. D: electrodo met�lico. K: electr�metro Kelvin.

Figura II.4. Curvas de desintegraci�n (A) y crecimiento (B) del tor�n.

Ernest Rutherford y Frederick Soddy (1877-1956), este �ltimo merecedor del Nobel de qu�mica en 1921, establecieron las relaciones mutuas de muchos elementos radiactivos naturales y tambi�n que la ley de disminuci�n de la radiactividad es exponencial, es decir, que durante un intervalo de tiempo la variaci�n promedio de radiactividad es proporcional a la actividad inicial (v�ase la gr�fica de la vida media en la figura I.3 del cap�tulo I).

Aunque a Becquerel y a los esposos Curie se debe el m�rito del descubrimiento de la radiactividad y de los elementos polonio y radio, en las cuatro d�cadas siguientes este campo estuvo dominado por Rutherford y sus colaboradores. Hacia 1904 se hab�an descubierto unos 20 elementos radiactivos, gracias a una serie de investigaciones brillantes e ingeniosas de Rutherford, a menudo en colaboraci�n con Soddy. Tambi�n fue una accidente feliz, en este aspecto, que P. Curie descubriera una emanaci�n del torio, y que estos investigadores pudieran llegar a la conclusi�n de que tales emanaciones eran gases nobles, a saber, rad�n y tor�n, este �ltimo identificado posteriormente como un is�topo del rad�n.

Rutherford y Soddy publicaron algunos art�culos sobre la causa y la naturaleza de la radiactividad y el cambio radiactivo. En el n�mero de noviembre de 1902 de la revista Philosophical Magazine dijeron:

La interpretaci�n de los experimentos arriba mencionados tiene que ser, por consiguiente, que la emanaci�n es un gas qu�micamente inerte, de naturaleza an�loga a los miembros de la familia del arg�n. En la misma comunicaci�n hacen especulaciones acerca de la asociaci�n del helio con la radiactividad, y en su conclusi�n dicen que la ley de la declinaci�n con el tiempo aparece como la expresi�n de la ley simple del cambio qu�mico, en la cual una sustancia solo se altera a velocidad proporcional a la cantidad de ella.

Rutherford encontr� que el uranio emit�a dos tipos de radiaci�n diferentes por su poder de penetraci�n. Estos eran los rayos alfa, que pod�an ser detenidos f�cilmente por una hoja papel o en una trayectoria por el aire de unos cuantos cent�metros y los rayos beta, que eran mucho m�s penetrantes y pod�an atravesar una capa de varios mil�metros de aluminio. Ahora se sabe que el uranio mismo no emite radiaci�n beta, sino la radiaci�n alfa y que la radiaci�n beta observada entonces proven�a de algunos hijos radiactivos. En 1900; el franc�s Paul Urich Villard (1860-1934) hall� que el radio emit�a un tercer tipo de radiaci�n mucho m�s penetrante, y los rayos de este tipo fueron llamados rayos gamma.

La identidad de los rayos alfa y gama eludi� ser determinada durante varios a�os. Inicialmente se crey� que un campo electromagn�tico no ejerc�a influencia sobre los rayos alfa, pero en 1902 Rutherford mostr� que estos rayos s� eran desviados por campos el�ctricos y magn�ticos poderosos, y que para un campo dado su desviaci�n era mucho menor que la de los rayos beta y en direcci�n opuesta, lo que indicaba que esos rayos eran part�culas cargadas positivamente. Tambi�n en 1902, por la medici�n de la desviaci�n de los rayos alfa del radio en campos el�ctricos y magn�ticos, Rutherford lleg� a la conclusi�n de que esos rayos viajaba a la velocidad de 2 500 000 000 cm/seg y que su raz�n carga/masa era aproximadamente de 6 000 unidades at�micas de masa por gramo.

Qued� entonces establecido que las part�culas alfa son id�nticas al n�cleo del elemento helio, que las beta son similares a los electrones extranucleares y que la radiaci�n gamma la constituyen ondas electromagn�ticas de la misma frecuencia o ligeramente mayor que la de los rayos X. Es importante, sin embargo, hacer notar aqu� que tanto las radiaciones alfa como las beta y las gamma provienen de los n�cleos at�micos.

En nuestro tiempo se conoce ya la naturaleza de los esquemas de desintegraci�n gracias al esfuerzo notable de todos aquellos investigadores. Ahora, con los modernos detectores de radiactividad y los equipos electr�nicos disponibles, entre ellos las computadoras, es muy f�cil reproducir sus resultados.

En 1903 Rutherford calcul� la enorme cantidad de energ�a que se libera en el decaimiento del radio. Mostr� que la energ�a que interviene en la transformaci�n de los �tomos es mucho mayor que la que lo hace en la reacci�n qu�mica de los mismos �tomos. En ese mismo a�o fue electo presidente de la Royal Society, el mismo puesto que ocup� Newton de 1703 a 1727.

EL DETECTOR GEIGER

En 1908, Rutherford y el f�sico alem�n Geiger (1882-1945) encontraron un m�todo para detectar las part�culas subat�micas individuales y construyeron el primer contador de part�culas, m�s tarde mejorado por Geiger. Este fue el famoso contador Geiger que a�n se emplea.

Rutherford y Geiger detectaron y contaron las part�culas por medio de su acci�n ionizante. Aunque este efecto era demasiado peque�o para medirlo directamente con los medios de que se dispon�a, era posible multiplicar el n�mero de iones formado por cada part�cula mediante la ionizaci�n por colisi�n. El dispositivo est� representado en la figura II.5. La presi�n en el interior del tubo es de unos cuantos cent�metros de mercurio. Si la part�cula alfa atraviesa la ventana V se produce una pulsaci�n de corriente y el electr�metro E indica una desviaci�n, que desaparece r�pidamente, porque la carga el�ctrica se disipa a trav�s de la resistencia R. La duraci�n de la descarga es de aproximadamente 10-⁴s, pero la inercia del electr�metro de cuadrantes imped�a poder contar m�s de tres a cinco part�culas por minuto. Actualmente este m�todo es uno de los m�s r�pidos y con �l se puede contar un mill�n de part�culas por segundo.

En 1913 Geiger describi� el contador puntiforme (figura II.6). El extremo de un alambre delgado termina en una punta fina P, en el interior del tubo hay aire seco a la presi�n atmosf�rica, y las part�culas penetran al trav�s de V. Geiger aplic� al tubo un voltaje de 1 000 a 2 000 volts y observ� que si una part�cula pasa al trav�s de V se produce una descarga moment�nea desde la punta, y el electr�metro registra una pulsaci�n. El motivo de la inmediata interrupci�n de la descarga es el efecto de la carga espacial.

El contador Geiger-Müller fue ideado en 1928 (figura II.7). Est� formado por un alambre delgado montado en el eje de un cilindro que contiene un gas a presi�n de 2 a 10 mm de mercurio. El funcionamiento de este tubo es an�logo al del anterior, pero en lugar de una descarga puntiforme se obtiene una descarga de corona.

El funcionamiento de estos detectores de radiaci�n se basa en que cuando un gas se encuentra encerrado en un recipiente y se le aplica una diferencia de potencial, se pueden recolectar en los electrodos correspondientes los electrones y los iones producidos por la radiaci�n que lo atraviesa. Ambos electrodos deben estar separados por un material aislante y conectados a una fuente de voltaje que crea una diferencia de potencial.

En la figura II.8 puede observarse que las curvas que forman la gr�fica del n�mero de iones recolectados como una funci�n del voltaje aplicado en los electrodos, dependen de la naturaleza de la radiaci�n incidente: as�, la curva de las part�culas alfa se sit�a por encima de la que se obtiene con las beta. Esto se debe a que las part�culas alfa son m�s ionizantes que las beta y provocan un mayor n�mero de iones por unidad de longitud en su recorrido.

Figura II.5. Contador proporcional. V: ventana. E: electr�metro. R: resistencia.

Figura II.6. contador puntiforme. V: ventana.

Figura II.7. Contador Geiger-Müller.

Figura II.8. Variaci�n del n�mero de iones colectados en funci�n del voltaje aplicado a un sistema de electrodos (1). Recombinaci�n (2). C�mara de ionizaci�n (3). Contador proporcional (4). Regi�n de proporcionalidad limitada (5). Geiger (6). Regi�n de descarga continua.

El n�mero de iones recolectados no es proporcional al voltaje aplicado, debido a que los iones creados por la radiaci�n se comportan de manera diferente al aumentar el voltaje; esto origina la existencia de varias regiones en las curvas.

Cuando el voltaje que se aplica es muy bajo, la atracci�n que ejercen los electrodos sobre los iones formados es peque�a, por lo que una fracci�n de esos pares de iones tiende a recombinarse entre s�, sin permitir que se lleguen a recolectar. A medida que el voltaje aumenta, la fuerza de atracci�n crece hasta que se recolectan todos los iones formados en el detector. Esto es lo que sucede en la regi�n conocida como de saturaci�n, representada con el n�mero 2 de la figura II.8. El dispositivo utilizado se denomina c�mara de ionizaci�n, de all� que la regi�n de saturaci�n se denomine tambi�n regi�n de la c�mara de ionizaci�n. En esa regi�n de voltaje se recolectan los llamados iones primarios, formados directamente por la interacci�n de la radiaci�n con el gas.

Cuando el voltaje aumenta, esos iones primarios se aceleran de tal manera que pueden a su vez provocar ionizaciones. Los nuevos iones formados se denominan iones secundarios y al efecto se le denomina amplificaci�n por el gas. En la regi�n 3 de la figura II.8, el n�mero de iones recolectados crece proporcionalmente seg�n el voltaje aplicado, por lo que al detector que utiliza esa regi�n de voltaje se le conoce como detector proporcional. En la misma regi�n puede observarse que la inclinaci�n de la curva para las part�culas alfa es id�ntica a las de las beta.

Parecer�a que el efecto de amplificaci�n continuar�a indefinidamente al aumentar el voltaje; sin embargo, se llega a un valor de voltaje tal que la atracci�n ejercida por los electrodos en los iones y electrones es tan fuerte que �stos son r�pidamente absorbidos por el electrodo central, mientras que los iones positivos que se desplazan a velocidades menores permanecen a�n en el detector y dan la impresi�n de que engrosan el di�metro del electrodo central. Con esto disminuye la intensidad de la fuerza de atracci�n y cambia la proporcionalidad entre el n�mero de iones recolectados y el voltaje.

Cuando el voltaje se incrementa m�s todav�a, el n�mero de iones recolectados es independiente del tipo de radiaci�n y del n�mero de iones primarios formados, porque la atracci�n que crea el voltaje hace que los electrones se aceleren y por cada ionizaci�n se crean m�s iones secundarios, form�ndose as� una reacci�n en cadena. Esta regi�n, la n�mero 5 de la figura II.8, la estudi� Geiger con el tubo detector que lleva su nombre. Con voltajes todav�a m�s altos, el tubo comienza a producir un gran numero de se�ales, aun cuando ninguna radiaci�n lo atraviese, hasta llegar a hacerlo de manera continua; a esto se le llama "regi�n de descarga continua del tubo" (regi�n numero 6 de la figura II.8) y parece como si el detector estuviera contando las part�culas cargadas.

En la pr�ctica, un mismo tubo no puede utilizarse con cualquier voltaje, porque para cada regi�n existen condiciones espec�ficas. Desde el punto de vista del alambre central, los detectores Geiger y proporcional utilizan alambres m�s delgados que la c�mara de ionizaci�n, para lograr voltajes m�s altos. En lo referente al gas de llenado, las c�maras de ionizaci�n pueden llenarse con aire, los contadores proporcionales, con metano, bi�xido de carbono o una mezcla de arg�n y metano, y los Geiger, con una mezcla de gases tales como el arg�n o el ne�n y un compuesto org�nico (etanol) o un gas hal�geno (cloro o bromo).

EL MODELO NUCLEAR DE RUTHERFORD

De 1909 a 1911 Rutherford, Geiger y Marsden hicieron experimentos sobre la dispersi�n de las part�culas alfa en la materia. Esos experimentos proporcionaron informaci�n sobre la radiactividad natural de los elementos y se comprob� que el elemento radio emit�a part�culas en forma espont�nea.

El aparato con el cual realizaron sus experimentos estaba integrado por una c�mara al vac�o que conten�a en su interior una fuente del elemento radio, el cual emit�a part�culas alfa en todas direcciones. Dentro de la c�mara se encontraba un bloque de plomo con un orificio central para colmar al haz de part�culas alfa. El haz llegaba hasta una l�mina de oro de media micra de espesor y al final de la c�mara colocaron una pantalla de sulfuro de cinc (v�ase la figura II.9).

Rutherford y sus colaboradores observaron que la mayor�a de las part�culas atravesaban la delgada l�mina de oro y produc�an centellas en la pantalla de sulfuro de cinc; pero tambi�n que algunas eran desviadas y otras, muy pocas, eran repelidas totalmente por la l�mina de oro.

Figura II.9. Aparato usado por E.Rutherford y sus colaboradores para estudiar la estructura del �tomo.

Las observaciones anteriores y las consideraciones de que el oro no puede ser comprimido (lo cual hace suponer que sus �tomos est�n acomodados regularmente) y de que las part�culas alfa son cuatro veces m�s pesadas que el hidr�geno y manifiestan una carga de 2+, condujeron a Rutherford a las siguientes conclusiones: a) El n�cleo es una parte peque�a central del �tomo de oro y tiene carga positiva. b) El n�cleo es tan peque�o que es muy poco frecuente que una part�cula alfa choque con �l o pase cerca y sea desviada. c) El n�cleo tiene una masa mayor que las part�culas alfa y es de carga positiva porque cuando una part�cula alfa choca con �l, �sta es repelida y entonces rebota. d) El �tomo est� casi vac�o y los electrones est�n muy alejados del n�cleo, ya que la mayor�a de las part�culas alfa atraviesan la l�mina de oro y son pocas las que rebotan o se desv�an. e) Los electrones son 1 836 veces menos pesados que el prot�n y las part�culas alfa son n�cleos de helio cuya masa es cuatro unidades mayor que la del prot�n, por lo tanto las part�culas alfa no son desviadas por los electrones. f) La masa del �tomo es la suma de sus constituyentes nucleares, ya que casi la totalidad de la masa de los �tomos se encuentra en el n�cleo.

Rutherford calcul� que el tama�o del n�cleo es aproximadamente 10^-13 a 10^-15 cm, por lo que es un mill�n de veces m�s peque�o que el �tomo y la distancia que separa un n�cleo de otro es del orden de 10-8 cm. �sa es la raz�n por la que la mayor�a de las part�culas alfa pod�an atravesar la l�mina de oro. Rutherford prepar� una imagen nueva de la estructura del �tomo. Sus c�lculos matem�ticos basados en esos experimentos revelaron al mundo cient�fico una idea del tama�o del n�cleo central y del espacio a su alrededor. En 1911, Rutherford propuso su modelo nuclear del �tomo, que fue publicado en el Philosophical Magazine. Posteriormente Moseley y Bohr completaron las observaciones y trabajos de Rutherford y establecieron otros modelos tendientes a explicar la estructura del �tomo.

EL NEUTR�N

En junio de 1920 Rutherford, en una conferencia ante la Royal Society, hizo una de sus m�s importantes predicciones: dijo que podr�a existir, en alguna parte del �tomo, una part�cula neutra, la cual, si se encontrara, ser�a mucho m�s �til como proyectil que las part�culas alfa.

En 1930, W. Bothe y H. Becker observaron que algunos de los elementos m�s ligeros, como el litio y el berilio, emit�an una radiaci�n muy penetrante cuando eran bombardeados con part�culas alfa procedentes de los elementos radiactivos naturales.

La publicaci�n del 18 de enero de 1932 de Irène Curie y Frederic Joliot, en las Actas de la Academia de Ciencias (v�ase el cap�tulo III), interes� profundamente a James Chadwick, quien en 1919 hab�a ingresado al Laboratorio Cavendish de Cambridge, donde Rutherford era el director. Rutherford, interesado en el tema al igual que Chadwick, pidi� a �ste que verificara las medidas de los Joliot, lo que realiz� de inmediato gracias a las fuentes intensas de polonio que el mismo Chadwick acababa de preparar. La idea de la existencia de una part�cula neutra, de masa igual a la del prot�n, flotaba en el ambiente del Laboratorio Cavendish desde que Rutherford hab�a sugerido que una part�cula as� pod�a existir.

Despu�s de algunos d�as de intenso trabajo Chadwick, al estudiar las caracter�sticas de las colisiones de la radiaci�n desconocida con los protones y con otros n�cleos ligeros, comprob� que se trataba de neutrones. Esto fue posible gracias a su sistema de detecci�n, que consist�a en una c�mara de ionizaci�n conectada a un amplificador proporcional de v�lvulas, con el cual pod�a medir la energ�a de las radiaciones observadas. Este descubrimiento permiti� a James Chadwick recibir el premio Nobel de f�sica en 1935. El equipo utilizado en estos experimentos, muy moderno en esos d�as, no exist�a en el Instituto del Radio en Francia, raz�n por la cual los Joliot no se dieron cuenta de la existencia del neutr�n. Sin embargo, puede decirse que el hallazgo del neutr�n se dio como el fruto de las investigaciones llevadas a cabo sucesivamente en tres pa�ses diferentes: Alemania, Francia y Gran Breta�a y gracias a la comunicaci�n existente entre los cient�ficos de esa �poca. El descubrimiento del neutr�n fue el inicio de la era nuclear.

OTRAS INVESTIGACIONES

Posteriormente, el inter�s se enfoc� hacia la posibilidad de producir part�culas r�pidas para bombardear n�cleos y esto dio como resultado la fabricaci�n de los aceleradores de part�culas. Entre los primeros se puede mencionar la m�quina de Bothe y Becquer en Alemania, la de Cockcroft-Walton en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, y el ciclotr�n del norteamericano Lawrence.

Los experimentos realizados con esas m�quinas fueron decisivos para la f�sica nuclear. Aunque al principio la energ�a de los haces de protones obtenidos fue solamente de 400 000 a 500 000 volts, se pudo comprobar, por ejemplo, que los protones penetran en los �tomos de litio, cuyo peso at�mico es 7, para formar una sustancia de peso at�mico 8, la cual se desintegra r�pidamente en 2 �tomos de helio, cada uno de peso at�mico 4.

Todos los datos reunidos acerca de los estados fundamentales de los diferentes n�cleos y de sus estados excitados, obtenido tanto mediante el estudio de los is�topos radiactivos como por las investigaciones acerca de las reacciones nucleares, han servido para la elaboraci�n de los modelos nucleares. Estos generalmente tratan de explicar el m�ximo n�mero de hechos con el m�nimo de hip�tesis acerca de la estructura nuclear y la interacci�n entre nucleones en el n�cleo.

Prosigue en la actualidad el estudio de la estructura nuclear, gracias a los aceleradores de part�culas de cada vez mayor rendimiento construidos en los �ltimos a�os, con el prop�sito de comprender mejor la interacci�n entre nucleones en el interior del n�cleo y los fen�menos que suceden en la materia nuclear excitada por colisiones con iones pesados de diferentes energ�as. En fin, la estructura �ntima del �tomo sigue siendo un campo f�rtil para el estudio y un reto dif�cil de vencer.

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