IV. PROPIEDADES DEL NEUTR�N T�RMICO

NURIA SEGOVIA ARIEL TEJERA

 

EL CONOCIMIENTO de las propiedades de los neutrones t�rmicos contribuy� en forma sustancial a la producci�n de radiois�topos y al desarrollo de la energ�a nuclear. A este respecto la Escuela de Roma fue una de las que m�s participaron en el estudio de la interacci�n de los neutrones t�rmicos con la materia, siendo Enrico Fermi su figura m�s destacada.

Enrico Fermi naci� en Roma, Italia, el 29 de septiembre de 1901 en el seno de una familia perteneciente a la clase media baja. Su padre era administrador en los ferrocarriles, su madre ten�a un firme sentido del deber y la disciplina, era inteligente y sent�a gran devoci�n por su familia. Inculc� a sus hijos un concepto serio de la vida y el trabajo. Enrico aprendi� a leer y a escribir desde muy peque�o, demostrando una retentiva prodigiosa al memorizar largos poemas. Asisti� a la escuela p�blica desde los seis a�os. Era buen alumno, obten�a calificaciones altas y muy pronto demostr� gran capacidad para las matem�ticas, pues a los diez a�os ya comprend�a problemas abstractos. A esa edad dej� la escuela primaria e ingres� al Gimnasio, el equivalente de la escuela secundaria y preparatoria, donde permaneci� cinco a�os. La presi�n de trabajo era pesada aun para los alumnos m�s destacados. Su expediente acad�mico sigue siendo en esta �poca excelente, posiblemente era el mejor estudiante de su clase. Adem�s, debido a sus h�bitos de orden y disciplina dispon�a de mucho tiempo libre que dedicaba, en gran parte, a sus estudios cient�ficos. En esa �poca se expresaba con claridad porque su pensamiento era claro, pero aun en sus primeros art�culos de 1927 y en su Introducci�n a la f�sica at�mica no hizo ning�n esfuerzo por pulir su estilo descriptivo, utilizando un idioma plano y descuidado. Posteriormente, sin embargo, se volvi� muy escrupuloso con respecto a usar un lenguaje muy preciso. A los catorce a�os compr� varios libros de matem�ticas y uno de f�sica, titulado Elementos de f�sica matem�tica de Andre Caraffa, escrito en lat�n y publicado en 1840.

Cuando Enrico cumple 18 a�os tiene ya una formaci�n autodidacta en matem�ticas y mec�nica te�rica equivalente a la que se adquiere en los primeros a�os de una carrera universitaria. Un amigo de su padre, el ingeniero Adolfo Amadei, asombrado por la precocidad del joven Enrico, le facilit�, durante cuatro a�os, libros sobre temas que comprend�an desde trigonometr�a hasta mec�nica te�rica y an�lisis vectorial. Por recomendaci�n de Amadei, Enrico se present� a un concurso para ser admitido en la Escuela Normal Superior, dependiente de la Universidad de Pisa. Gan� el concurso escribiendo sobre el tema "Caracter�sticas del sonido", usando t�cnicas matem�ticas propias de una disertaci�n doctoral. En la Escuela Normal Superior se fomentaban los estudios avanzados y la investigaci�n, actividades acordes al talento de Fermi.

En Pisa contin�a su aprendizaje, principalmente autodidacta. En poco tiempo sus profesores no tuvieron ya nada que ense�arle y en su mayor�a, tanto �stos como sus condisc�pulos, reconocieron su extraordinaria capacidad. En 1921 public� su primer artículo cient�fico "Sobre la din�mica de un sistema r�gido de cargas el�ctricas en movimiento traslacional".

En 1922 presenta el examen de tesis universitario al que ten�a derecho como alumno de la Escuela Normal Superior con el tema "La difracci�n de rayos X por cristales curvos y las im�genes obtenibles por este m�todo", habi�ndosele concedido el doctorado Magna cum laude. El diploma de la Escuela Normal lo obtuvo con la tesis titulada "Un teorema sobre la probabilidad y su aplicaci�n en astronom�a". En ese mismo a�o publica un art�culo con el t�tulo "Sobre los fen�menos que ocurren en las cercan�as de un meridiano terrestre", que confirma los profundos conocimientos que ten�a de la relatividad general.

En 1923 da a luz un ensayo sobre "La masa en la teor�a de la relatividad" en el que examina, entre otras cosas, la posible ubicaci�n de la energ�a nuclear y la se�ala como la m�s espectacular consecuencia de la relatividad.

A finales de 1924 Fermi ocup� un puesto provisional en el laboratorio de f�sica de la Universidad de Florencia, situado en Arcetri, lugar en el que Galileo pas� los �ltimos a�os de su vida. En 1925, junto con el f�sico Franco Rasetti, llevo a cabo una investigaci�n de los efectos que tienen los campos magn�ticos alternantes en las l�neas espectrosc�picas del vapor de mercurio.

Fermi le�a �vidamente las revistas de f�sica de circulaci�n internacional, como la Revista de F�sica Alemana. Se enter� en este tiempo del descubrimiento del principio de exclusi�n, realizado por el f�sico austriaco Wolfang Pauli, quien pudo explicar c�mo se van completando los diferentes niveles at�micos a medida que aumentan los protones del n�cleo. El principio enuncia que dos electrones del mismo �tomo no pueden tener la misma energ�a y los mismos momentos angulares.

El principio de exclusi�n result� tener una aplicaci�n universal para los electrones y para las part�culas, como protones y neutrones, que tienen un momento angular propio. A este momento angular propio o intr�nseco se le llama esp�n. Pauli se dio cuenta de que aplicando el principio de exclusi�n a los electrones at�micos s�lo pod�an acomodarse en cada nivel energ�tico dos electrones con espines en direcciones opuestas. Un electr�n adicional en este �tomo tendr�a que acomodarse en otro nivel energ�tico, con nuevos valores de energ�a o de momento angular o de orientaci�n del momento angular y desde luego con su correspondiente esp�n. Este principio permiti�, auxiliado por las caracter�sticas qu�micas de los elementos, entender y perfeccionar la tabla de Mendeleyeev.

Desde 1900 se hab�a desarrollado el modelo del gas de electrones para los metales siguiendo el modelo cl�sico de los gases ideales. Fermi se hab�a preocupado de este problema y al conocer el principio de exclusi�n de Pauli lo aplic� a un nuevo modelo de gas tomando en cuenta el esp�n, deduciendo una ley de distribuci�n de energ�as que es diferente de la cl�sica.

Fermi public� su investigaci�n en un art�culo denominado "Sobre la cuantificaci�n del gas monoat�mico ideal", fechado en febrero de 1926; este trabajo fue tambi�n presentado en una famosa academia cient�fica italiana y m�s tarde publicado en la Revista de F�sica Alemana con gran �xito. Paul Andr� Maurice Dirac, famoso f�sico ingl�s, lleg� a las mismas conclusiones que Fermi partiendo de otro punto de vista. El descubrimiento de ambos f�sicos se conoce actualmente como la Estad�stica de Fermi-Dirac y a las part�culas descritas se les llama fermiones.

En noviembre de 1926 Fermi gan� el primer lugar en un concurso que le permiti� asumir una c�tedra con car�cter vitalicio en la Universidad de Roma.

LA ESCUELA DE ROMA

Uno de los fen�menos nucleares que atra�an el inter�s de los f�sicos en ese tiempo era la emisi�n de electrones por algunos n�cleos radiactivos. En particular, a los electrones de origen nuclear se les conoc�a desde principios del siglo con el nombre de part�culas beta. Mientras se supuso que el n�cleo estaba integrado por protones y electrones no pareci� raro que se pudieran emitir estos �ltimos si el n�cleo ten�a un exceso de energ�a. Lo que llev� tiempo explicar fue que los electrones, en promedio, acarrean s�lo la mitad de la energ�a que pierde el n�cleo. Con el fin de mantener inc�lume el principio de la conservaci�n de la energ�a, el f�sico Pauli invent� una part�cula a la que Fermi bautiz� con el nombre de neutrino. Esta es muy dif�cil de detectar, pero es capaz de llevarse la energ�a que le falte a un electr�n emitido en una desintegraci�n para completar la energ�a, caracter�stica que pierde el n�cleo.

Surgi� una nueva dificultad conceptual cuando se lleg� a la conclusi�n de que las part�culas que forman un n�cleo son los protones y los electrones dados a conocer estos �ltimos por Chadwick en 1932. Durante su estancia en Roma, Fermi obtuvo una excelente preparaci�n en las nuevas teor�as f�sicas nucleares y en sus complicados m�todos matem�ticos. Con el auxilio de las nuevas concepciones hizo una investigaci�n cuyos resultados se publicaron en la Revista de F�sica Alemana con el t�tulo de "B�squeda de una teor�a de los rayos beta", en 1934. Se trata de una teor�a que describe cuantitativamente la emisi�n de electrones y neutrinos por el n�cleo, "como un caso an�logo", dice el mismo Fermi, "al de la emisi�n de fotones por el �tomo". La teor�a de Fermi permite calcular te�ricamente por primera vez cu�nto tiempo se espera que pase para que un material emisor de electrones tarde en ir convirtiendo por decaimiento sus neutrones en protones, emitiendo betas y neutrinos (figura IV.1). Adem�s permite tambi�n calcular c�mo se va a distribuir la energ�a que cede el n�cleo entre las dos part�culas.

Figura IV.1 (a) en el decaimiento b+ un prot�n del n�cleo se transforma en neutr�n, emitiendo un electr�n positivo (b+) y un neutrino n. (b) En el decaimiento b- un neutr�n del n�cleo se transforma en prot�n, emitiendo un electr�n negativo (b-) y un antineutrino v .

En la Universidad de Roma exist�a un grupo de eminentes matem�ticos considerablemente mayores que Fermi; sin embargo, el intercambio de ideas y la cooperaci�n intelectual eran dif�ciles.

Desde sus a�os de Pisa, Fermi hab�a luchado por introducir la f�sica moderna en Italia. Para ello dio varios pasos, el primero publicar art�culos sobre f�sica moderna para un amplio sector del p�blico, incluyendo maestros de ense�anza media. El segundo fue escribir un libro de texto sobre f�sica at�mica y el tercero seleccionar y preparar f�sicos j�venes. Esto �ltimo, que era lo m�s importante, result� ser lo m�s dif�cil. En efecto, el n�mero de estudiantes de f�sica en las universidades italianas era reducid�simo, ya que la f�sica se ense�aba como materia complementaria a los ingenieros, qu�micos, m�dicos, etc. De las dos grandes innovaciones de esa �poca en f�sica, la teor�a de la relatividad y la mec�nica cu�ntica, s�lo Fermi y el destacado f�sico Enrico Persico estaban familiarizados con ellas.

Cuando Fermi lleg� a Roma, intent� transformar el Instituto de F�sica en una instituci�n de primera categor�a que pudiera equipararse con las mejores del mundo. Una de las primeras tareas fue la de fortalecer la f�sica experimental, lo cual result� m�s dif�cil que consolidar la f�sica te�rica debido a que requer�a apoyo t�cnico y financiero mucho mayor. Era manifiesta y urgente la necesidad en Roma de un f�sico experimental joven y activo, eligi�ndose para esto a Franco Rasetti, quien lleg� de Florencia a principios de 1927. Rasetti, en pocos a�os, logr� reputaci�n internacional por sus trabajos acerca del efecto Raman y monto un laboratorio de espectroscop�a. Emilio Segr�, Giovanni Enriques y Ettore Majorana se unieron en 1927 al grupo, pero era evidente que en t�rminos cient�ficos Fermi era la voz italiana m�s autorizada en f�sica moderna. Fermi organiz� un seminario con los j�venes estudiantes donde se tocaban temas del inter�s de los integrantes. Segr� afirm� que en esa �poca jam�s tuvieron un curso regular.

Si le pregunt�bamos a Fermi sobre toda un �rea que ignor�bamos �l se limitaba a recomendarnos un buen libro sobre el tema. Sin embargo, si le pregunt�bamos sobre un tema espec�fico, Fermi improvisaba una hermosa conferencia sobre la teor�a. Uno recib�a la impresi�n de que hab�a estado estudiando por mucho tiempo y que hab�a preparado cuidadosamente la conferencia. De esta manera se cubr�an muchos temas en un nivel equivalente a los primeros cursos de posgrado de una universidad norteamericana.

Fermi, que por aquel tiempo trabajaba sobre todo en cuestiones te�ricas, tambi�n se interesaba en los trabajos experimentales en el laboratorio de Rasetti. Este ejerci� una influencia enorme sobre Fermi y el grupo en su conjunto.

La sede de toda esta actividad era el viejo laboratorio de f�sica de la Universidad de Roma. Este edificio estaba perfectamente adecuado para el tipo de trabajo cient�fico que se desarrollaba en los a�os veinte. El equipo era aceptable, sobre todo en materia de espectroscop�a �ptica, e inclu�a algunos aparatos auxiliares de buena calidad. El taller era anticuado, pero la biblioteca excelente.

El conocimiento y los intereses de Fermi abarcaban toda la f�sica. Prefer�a los problemas concretos y desconfiaba de teor�as demasiado abstractas o generales; en cambio, cualquier problema concreto en cualquier �rea de la f�sica lo fascinaba y constitu�a un reto para su ingenio. Un ejemplo notable de esta forma de proceder lo constituye su teor�a cu�ntica de la radiaci�n. Fermi, hab�a le�do los art�culos de Dirac y comprendi� los resultados que obtuvo. Sin embargo, el m�todo empleado por Dirac era desconocido para Fermi por lo que decidi� reformular la teor�a de un modo que le fuera m�s familiar en t�rminos matem�ticos.

LOS NEUTRONES T�RMICOS

Con el descubrimiento del neutr�n por Chadwick en 1932, se abri� la posibilidad de bombardear los n�cleos con un proyectil de muy intensa acci�n nuclear sin que fuera rechazado por las cargas el�ctricas nucleares.

La t�cnica para construir una fuente de neutrones empleada por Enrico Fermi fue encerrar, en un tubo de vidrio herm�tico, polvo de berilio en una atm�sfera de rad�n (figura IV.2). Esta fuente emit�a 1 000 000 de neutrones por segundo, cuyas energ�as individuales estaban repartidas desde cero hasta unos 8 000 000 de electr�n-voltios. Las fuentes actuales de neutrones se fabrican usualmente de berilio mezclado con radio, americio o plutonio, o bien, son de californio. En el laboratorio de Roma, Fermi y sus colaboradores sometieron al bombardeo con neutrones no solamente a los elementos ligeros que se hab�an logrado transmutar ya con las part�culas cargadas, como protones, de neutrones y part�culas alfa, impulsadas en los primeros aceleradores de part�culas, sino que tambi�n fue posible transmutar elementos m�s pesados. De hecho, para 1938 hab�an sometido al flujo de neutrones la mayor parte de los elementos conocidos. En estos experimentos se hab�a descubierto que para un buen n�mero de elementos el bombardeo produc�a el is�topo de n�mero at�mico inmediato superior al elemento bombardeado, es decir, que algunos elementos capturaban un neutr�n incidente, convirti�ndose en un radiois�topo del mismo elemento y este era, por lo general, emisor de part�culas beta negativas. En 1934 Fermi descubri� que frenando los neutrones a trav�s de una placa de parafina aumentaba hasta cientos de veces su poder de activaci�n, como en el caso de la plata (plata natural-109), que al absorber un neutr�n se transmuta en el is�topo radiactivo plata-110 que decae, emitiendo betas negativas, en cadmio-110 (figura IV) Este mismo tipo de reacci�n se hab�a observado tambi�n en los is�topos vanadio-51, manganeso-55, cobre-63, ars�nico-75, bromo-79, yodo-127, iridio-191 y 193, oro-197, etc. Fermi hab�a descubierto la efectividad de estos neutrones, que se denominaron t�rmicos.

Figura IV.2. dibujo esquem�tico de una fuente de una fuente de neutrones de rad�n-222 y berilio-9. La reacci�n es: Berilio-9 + a � carbono - 12 + energ�a.

Figura IV.3. Transmutaci�n de un is�topo de plata, por obsorci�n de un neutr�n t�rmico, en un is�topo de cadmio. La reacci�n es: Plata - 109 + n � plata - 110 � cadmio - 110 + b^-

A medida que los investigadores somet�an elementos cada vez de mayor n�mero at�mico al flujo de neutrones se preguntaban: �Qu� pasar�a cuando llegaran al m�s pesado, al uranio? La respuesta esperada era la producci�n de elementos transur�nicos, con n�mero de masa mayor que los 238 nucleones del uranio y con m�s protones que los 92 de este elemento. Si esto llegara a suceder con el uranio, ser�a de esperarse la formaci�n del is�topo 239 del uranio, que por desintegraci�n beta generar�a un nuevo elemento, con 93 protones y quiz�s, si este nuevo elemento no resultara estable, se podr�a esperar que a trav�s de sucesivo decaimientos beta se obtuvieran elementos transur�nicos de n�mero at�mico mayor que el 93. En junio de 1934 Fermi public� en Nature un art�culo sobre sus investigaciones en la Universidad de Roma con el t�tulo "La posible producci�n de elementos de n�mero at�mico mayor a 92". Entre otros comentarios importantes hace notar que de 68 elementos bombardeados con neutrones hab�a logrado activar 47, de estos elementos, en el caso del aluminio, cloro y cobalto, el radiois�topo formado por bombardeo result� ser el de un n�mero Z-2. En el caso del f�sforo, azufre, hierro y cinc, el n�mero at�mico del elemento formado fue Z-1. En los casos del bromo, el yodo y la plata, el producto fue un is�topo del elemento bombardeado. En algunos casos se alcanz� un estado estable mediante la transformaci�n de un neutr�n del n�cleo bombardeado en un prot�n, y la expulsi�n de un electr�n negativo, pasando el elemento de Z a Z+1 (figura IV.4).

Figura IV.4. Tipos de reacciones nucleares que dan lugar a la radiactividad artificial. Z es el n�mero at�mico correspondiente al n�mero de protones del n�cleo original de masa M.

En los casos en que se bombarde� con neutrones al uranio y al torio, se descubri� que se activaban muy intensamente dando lugar a una serie compleja de radiois�topos. En el caso del uranio bombardeado se detectaron emisiones beta con vida media de 10s, 40s, 13 m, y por lo menos dos emisores beta adicionales con vida media comprendida entre 40 minutos y un d�a. Las investigaciones de Fermi y sus colaboradores para identificar el producto de 13 minutos eliminaron a posibles is�topos adyacentes. La conclusi�n de Fermi fue que posiblemente se hab�a formado el elemento 93, y sugiri� la posibilidad de que tambi�n pod�an estar involucrados los elementos 94 y 95. El esfuerzo de los investigadores de este acertijo se orient� hacia la separaci�n e identificaci�n irrebatible de los transur�nicos y entraron en competencia el grupo de Joliot-Curie en Francia, el de Hahn en Alemania y el de Fermi en Italia.

Durante cuatro largos a�os se mantuvo la hip�tesis de los transur�nicos, public�ndose docenas de art�culos sobre el tema, incluso un trabajo de la se�ora Ida Noddack, quien consider� d�bil la conclusi�n de Fermi de que se hab�a formado un elemento transur�nico, ya que antes de llegar a esta conclusi�n extrema se ten�an que eliminar primero todos los elementos de la tabla peri�dica, pensando que el uranio hubiera podido estallar de alguna manera y formar otros elementos m�s ligeros. Esta aguda observaci�n, que de haberse examinado con cuidado habr�a aliviado el penoso y frustrante trabajo de cuatro a�os, no fue considerada en su justo valor porque era contraria a los conceptos de estabilidad nuclear de aquella �poca.

En el a�o de 1938 Fermi recibi� el premio Nobel por sus trabajos con neutrones t�rmicos y, debido a la situaci�n pol�tica que se presentaba en Europa y a que su mujer era de origen jud�o, ya no volvi� a Roma despu�s de la visita a Estocolmo y viaj� a Estados Unidos. Mientras Fermi hu�a de Europa, el grupo de los alemanes trabajaba y descubr�a la fisi�n nuclear.

La noticia de la fisi�n nuclear propuesta por Lise Meitner y Otto Hahn (v�ase el cap�tulo V) la recibi� Niels Bohr de boca de Otto Frisch en los primeros d�as de enero de 1939, cuando abandonaba Copenhague en viaje a Estados Unidos. Pronto se dio cuenta de que hab�a que a�adir un producto de reacci�n nuclear m�s en la lista de posibles decaimientos nucleares, y de que al lado de la emisi�n de part�culas alfa o gamma hay un lugar natural para la fisi�n nuclear.

Hacia fines de 1939 era evidente que la enorme energ�a producida en la fisi�n nuclear pod�a aprovecharse en una reacci�n en cadena gracias a los neutrones liberados en estos eventos y as� se hizo p�blico en el ambiente cient�fico europeo.

LA CARRERA M�S TR�GICA DEL SIGLO

En 1936, dos a�os antes de descubrirse la fisi�n, la opini�n muy autorizada de E. Rutherford fue que no hab�a ninguna posibilidad de producir energ�a nuclear que pudiera ser de utilidad; pero no todos los f�sicos se adher�an a este punto de vista e inmediatamente despu�s de que el grupo de Berl�n anunci� la fisi�n y �sta fue confirmada experimentalmente por Otto Frisch en febrero de 1939, se dieron cuenta de que la tan largamente esperada posibilidad hab�a llegado. La conclusi�n del profesor Frisch fue confirmada en varios laboratorios de Estados Unidos, entre otros, por los de las Universidades de Columbia y de California, antes de que terminara el mes de febrero.

Muchos cient�ficos que sintieron amenazada su libertad e incluso su vida abandonaron Europa y algunos se refugiaron en Estados Unidos. Entre �stos, Enrico Fermi encontr� acomodo en la Universidad de Columbia y Albert Einstein en la de Princeton.

Como a�n no hab�a ca�do el tel�n del secreto sobre la energ�a nuclear, en la reuni�n de primavera de la Sociedad de F�sica Norteamericana, en abril de 1939, se discuti� abiertamente la fisi�n del uranio-235 eslabonado a una reacci�n en cadena mantenida con los mismos neutrones producidos al fisionarse. Niels Bohr dijo que bastaba bombardear con neutrones t�rmicos una peque�a cantidad de uranio-235 para producir una explosi�n nuclear lo suficientemente potente como para volar el laboratorio y todo lo que estaba a su alrededor.

Los trabajos cient�ficos sobre la fisi�n nuclear abr�an la puerta para la producci�n de neutrones unidos a este fen�meno. En los meses inmediatamente posteriores al art�culo aparecido en una revista alemana de ciencias de la naturaleza (1939) en la que Hahn y Strassmann dieron a conocer la fisi�n, quedaron establecidas las bases te�ricas y experimentales que llevar�an en los a�os siguientes a la construcci�n del primer reactor nuclear.

La idea b�sica para la reacci�n en cadena fue aislar en bloques diferentes el uranio y el material moderador destinado a frenar los neutrones r�pidos que se produjeran por la fisi�n, de manera que estos neutrones por colisiones sucesivas perdieran energ�a, volvi�ndose t�rmicos, y pudieran as� emerger del moderador para incidir a su vez en los bloques de uranio produciendo, algunos de ellos, nuevas fisiones. �stas, a su vez, producir�an nuevos grupos de neutrones r�pidos que seguir�an el mismo proceso anterior, manteniendo la reacci�n. El uranio que se utiliz� fue principalmente uranio met�lico y sus �xidos. El uranio natural es una mezcla de los is�topos 238, 234 y 235 en tina proporci�n del 99.276%, 0.7196% y 0.0057% respectivamente. El uranio-238 es �til para la producci�n de plutonio-239; el uranio-235 es altamente fisionable por neutrones termalizados y en la pr�ctica no se toma en cuenta el uranio-234 por su baja proporci�n. En un material moderador los neutrones r�pidos provenientes de la fisi�n pierden energ�a por colisiones sucesivas. Son buenos moderadores aquellos que absorben un m�nimo de neutrones. Ejemplo de �stos son el berilio, el deuterio (usado como agua pesada), el grafito y, en mucha menor medida, la parafina. En cambio, el cadmio y el boro son poderosos absorbedores de los neutrones t�rmicos, y en menor proporci�n el hidr�geno, usado frecuentemente como agua natural.

Durante 1941, en la Universidad de California se produjeron neutrones bombardeando un blanco de berilio con un haz de deuterones y fueron termalizados al pasar por un bloque de parafina al que se hab�a incorporado 1.2 kg de nitrato de uranio. Se produjo, por reacci�n nuclear; neptunio-239, el que por decaimiento radiactivo beta produce plutonio-239. El plutonio-239 es un emisor de part�culas alfa y tiene una vida media de 24 360 a�os; el neptunio-239 decae por varios grupos de part�culas beta con una vida media de 2.35 d�as. Debido a esto una muestra de neptunio-239 al cabo de un mes se ha convertido casi toda en plutonio (figura IV.4).

Despu�s de dos d�as de bombardeo se produjo medio microgramo de neptunio, que al decaer en plutonio se sujet� a la prueba de fisi�n soteni�ndolo a un flujo de neutrones t�rmicos. El resultado fue sorprendente, el plutonio-239 era 50% m�s fisionable que el mismo uranio-235. Esto sucedi� el 28 de marzo de 1941.

Debido al secreto voluntario que se impusieron los investigadores del grupo de la Universidad de California, este descubrimiento no se hizo p�blico sino hasta despu�s de que termin� la segunda Guerra Mundial.

Aquellos neutrones que fueran capturados dentro del uranio pasar�an a convertir el uranio-238 en valioso plutonio. Este descubrimiento abri� la posibilidad de producir un segundo explosivo nuclear en el combustible mismo de un reactor. El dise�o del reactor tendr�a que ser tal que se pudiera mantener la reacci�n en cadena al mismo tiempo que se produjera la m�xima cantidad de plutonio. Se ve�a bien claro que el �xito iba a depender de la pureza de los materiales y del buen dise�o.

Los primeros c�lculos mostraron que el aprovechamiento y la producci�n de los neutrones depend�a del volumen del reactor y que una de las p�rdidas importantes se iba a deber a la superficie de �ste; por lo que existe un volumen cr�tico de uranio y moderador por debajo del cual no hay reacci�n en cadena.

Los c�lculos y la experiencia pusieron un l�mite inferior de varias toneladas de uranio y moderador, lo que cre� un problema t�cnico de muy dif�cil soluci�n, porque en aquella �poca la producci�n de uranio de la pureza necesaria era pr�cticamente nula comparada con las cantidades requeridas. Como moderadores se ensayaron en un principio el grafito y el berilio; m�s tarde se dispuso de agua pesada en cantidad suficiente como para ensayar un reactor prototipo. La decisi�n en este tiempo recay� sobre el grafito y �ste fue el moderador que se us� por varios a�os.

LOS BLOQUES SUBCR�TICOS

Las tres instituciones de los EUA m�s activas en el problema de la fisi�n en esta �poca eran las Universidades de California, Columbia y Princeton. Antes de que terminara 1941 se hab�an construido en la Universidad de Columbia bloques de grafito en los que se introduc�an fuentes de neutrones, con el fin de determinar en qu� forma descend�a su energ�a. M�s adelante se incluy� uranio en el bloque con el fin de determinar el n�mero de neutr�n es que se produc�an en la fisi�n. Uno de estos bloques experimentados en julio de 1941 consisti� en un cubo de grafito de unos dos metros y medio de lado, que conten�a 2 toneladas de �xido de uranio. Con �l, Fermi y sus colaboradores intentaron determinar el factor de reproducci�n de los neutrones debido a la Fisi�n. Si este factor era menor a la unidad indicaba que el n�mero de neutrones perdidos era mayor que el de los producidos por la fisi�n, y si era mayor a la unidad era la se�al esperada de que el n�mero de neutrones que se produc�an en la fisi�n quedaba por encima de los que se perd�an por impurezas en el grafito, captura en el uranio-238 o fuga por las paredes y, por lo tanto, pod�an producir la reacci�n, en cadena. A pesar de que era obvio que estos bloques de grafito eran demasiado peque�os para sustentar dicha reacci�n servir�an indudablemente para calcular el tama�o cr�tico de un reactor y tambi�n para ensayar la pureza de los materiales nucleares.

Al finalizar 1941 los experimentos efectuados con los bloques permitieron concluir que los materiales a�n no eran de suficiente calidad y por esta raz�n no se pudo determinar con precisi�n el dise�o �ptimo del reactor cr�tico, es decir, aquel que mantiene la reacci�n en cadena.

Tras el ataque a Pearl Harbor, el 7 de diciembre de 1941, los Estados Unidos entraron a la segunda Guerra Mundial.

El 13 de agosto de 1942, el ej�rcito de Estados Unidos decidi� tomar parte en el desarrollo de un explosivo nuclear y se cre� el Proyecto Manhattan (Manhattan Engineer District) con la meta de producir energ�a nuclear con fines militares antes que Alemania.

LA PILA

Para julio de 1942, la industria hab�a aumentado significativamente la producci�n de uranio de calidad nuclear, logrando obtener toneladas de material, y se hab�a mejorado el grafito, obteni�ndose un producto que absorb�a 200% menos neutrones que el mejor producto fabricado antes.

Los esfuerzos separados de la Universidad de Columbia, con Fermi y la Universidad de Princeton, con E. Wigner, se unieron en la Universidad de Chicago con el nombre de Laboratorio de Metalurgia, nombre que sirvi� para encubrir el de Proyecto Plutonio. Este laboratorio fue dirigido por el premio Nobel A. H. Compton. En este laboratorio, despu�s de varias pruebas, se lograron ensayar los nuevos materiales. Los datos obtenidos indicaron que los materiales y el dise�o eran lo suficientemente buenos como para iniciar la construcci�n de un reactor nuclear.

Para el 7 de noviembre de 1942 se hab�an acumulado aproximadamente ocho toneladas de uranio natural muy puro, en uno de los salones para jugar frontenis del estadio Stagg Field de la Universidad de Chicago. Adem�s se ten�an varias toneladas de �xido de uranio y de grafito, cortado este �ltimo material en bloques de unos cuarenta cent�metros por lado. El acto de apilar los bloques de grafito origin� el nombre de pila para este primer reactor; nombre que no suger�a nada de lo que estaba pasando en los s�tanos del estadio.

Presionados m�s por la disponibilidad del material que por el dise�o �ptimo del reactor, se decidi� apilar los bloques de grafito en una configuraci�n esf�rica sostenida por una estructura de madera. El uranio se intercalaba entre los bloques de grafito hasta formar un cubo.

Por recomendaci�n del profesor Compton, la pila iba a quedar encerrada herm�ticamente dentro de la cubierta c�bica de un globo aerost�tico, con el objeto de hacer el vac�o en ella y disminuir la captura de neutrones por el nitr�geno del aire, condici�n supuesta para alcanzar el punto cr�tico.

A fin de controlar el n�mero de neutrones que se producir�a en la pila se dispuso de un buen n�mero de detectores de neutrones y se insertaron barras de cadmio y de acero boratado capaces de absorber los neutrones producidos por la fisi�n y evitar que la pila quedara fuera de control. Durante el mes de noviembre se procedi� a colocar capas de grafito y de uranio procurando que entre los lingotes de uranio se intercalaran unos cuarenta cent�metros de grafito. El uranio met�lico ocup� el centro de la pila y el �xido de uranio sirvi� para completar el cubo.

El primero de diciembre se termin� la und�cima capa y la esfera alcanz� tres cuartas partes del volumen total. Ya entrada la noche, al iniciarse la colocaci�n de la und�cima capa, alguien crey� o�r que los marcadores ac�sticos de neutrones indicaban un ascenso y el encargado en turno, el doctor Zinn, se dio cuenta de que se estaban acercando al punto cr�tico antes de que se llegara a terminar la esfera. Al d�a siguiente, el 2 de diciembre de 1942, ante la presencia de los doctores Fermi, Szilard, Anderson, Weil, Compton, Winger y otros m�s, una vez terminada de colocar la duod�cima capa de grafito y uranio y de asegurarse de que los sistemas de control funcionaban satisfactoriamente, se procedi� a extraer todas las barras de control menos una, de cadmio, que se utiliz� como control fino. �sta era la primera vez que se manipulaba un reactor nuclear y nadie sab�a a ciencia cierta qu� ir�a a pasar. Desde luego, no se esperaba una explosi�n nuclear si el reactor quedaba fuera de control, por lo menos no de la envergadura de una bomba. Quiz�s, si algo iba mal, el reactor se calentar�a demasiado y los gases calientes arrastrar�an vapores de uranio contaminando un �rea grande. Con el fin de aumentar las medidas de seguridad, dos j�venes estudiantes se ofrecieron como voluntarios para vigilar el reactor desde una plataforma, durante el acto de llevarlo al punto cr�tico teniendo cada uno en las manos una cubeta con una soluci�n concentrada de sales de cadmio, y estuvieron alertas para sofocar cualquier aumento inesperado en la actividad.

Figura IV.5. Producci�n de plutonio-239 a partir del bombardeo de uranio-238 con neutrones. El uranio-239 decae a neptunio-239 emitiendo betas negativas con una vida media de 23.5 minutos. El neptunio-239 decae a plutonio-239 emitiendo betas negativas con una vida media de 2.34 d�as.

Despu�s del refrigerio, los cient�ficos se reunieron en el improvisado laboratorio del reactor y con todas las otras barras de control fuera, se procedi� a sacar la �ltima muy lentamente, durando esta operaci�n dos horas. El n�mero de neutrones contados fue aumentando a medida que esta �ltima barra se extra�a de la pila, y cada vez el aumento en el n�mero de neutrones era mayor al anterior. Para las tres y media de la tarde el aumento era tan grande que no qued� ninguna duda de que el reactor hab�a alcanzado su punto cr�tico. Por primera vez el fuego de la fisi�n hab�a ardido sobre la Tierra. Todas las barras fueron introducidas de nuevo en la pila y la �ltima capa, la decimotercera complet� el primer reactor nuclear.

�En que etapa ir�an los alemanes? �Ya estar�a funcionando su reactor? Era indiscutible que dada la calidad de los t�cnicos y cient�ficos alemanes, y disponiendo de una industria de primera calidad, podr�an haber contado desde varios a�os atr�s con el apoyo econ�mico suficiente para llevar una gran delantera a los aliados. Se sab�a que en el Instituto Wilhelm Kaiser se hab�an reunido doscientos cient�ficos bajo la direcci�n del profesor Weizsaecker, uno de los descubridores de las reacciones nucleares en las estrellas. En mayo de 1940, Noruega fue ocupada por tropas alemanas que se adue�aron de la planta productora de agua pesada de Vemork, exigiendo que aumentara la producci�n a 1.5 toneladas anuales en 1940 y a tres toneladas anuales en 1942. El 28 de febrero de 1943 un grupo de comandos aliados atac� con �xito la planta y destruy� la secci�n de alta concentraci�n resguardada en los s�tanos de la planta, derramando una considerable cantidad de agua pesada. El 13 de noviembre, un grupo de bombarderos de Estados Unidos atac� la planta hidroel�ctrica y la de electr�lisis, perdiendo los alemanes parte de las instalaciones, por lo que decidieron trasladar el equipo restante a Alemania. Los aliados hundieron en febrero de 1944 el ferry noruego en que se transbordaban varias toneladas de agua pesada hacia los laboratorios alemanes, cantidad que hubiera servido para intentar seriamente la construcci�n de un reactor nuclear cr�tico.

A partir de 1942 los grupos ingleses que estaban investigando y dise�ando, en las diversas etapas de los reactores, la separaci�n gaseosa del uranio-235 y el ensamble del explosivo nuclear, se trasladaron a Canad� y a Estados Unidos, contribuyendo al esfuerzo militar norteamericano.

LOS �LTIMOS A�OS DE FERMI

En 1953 Fermi (figura IV.6) efectu� su �ltimo experimento sobre la dispersi�n pion-neutr�n y en el verano de ese a�o analiz� los datos en Los �lamos. En 1953 y 1954 escribi� algunos art�culos te�ricos sobre el origen de los rayos c�smicos, la producci�n m�ltiple de piones y sobre la aplicaci�n de las computadoras en un experimento te�rico sobre las soluciones de los problemas de vibraci�n no lineal. Se inician en Rochester, Berkeley y Chicago experimentos acerca de la polarizaci�n de protones en dispersi�n de alta energ�a. Fermi estaba interesado en ver si el acoplamiento de �rbitas y esp�n pod�a ser responsable de la polarizaci�n de la dispersi�n de alta energ�a. El borrador de su �ltimo art�culo fue sobre la "Polarizaci�n de protones de alta energ�a dispersados por n�cleos".

Fermi muri� el 29 de noviembre de 1954, a los cincuenta y tres a�os, en Chicago.

Sus logros m�s importantes fueron: el descubrimiento de la estad�stica que lleva su nombre, la teor�a de los rayos beta y el trabajo experimental sobre los neutrones.

La estad�stica de Fermi-Dirac, descubierta independientemente por Dirac fue la clave para establecer la teor�a de los metales y los modelos estad�sticos del �tomo y del n�cleo, aunque el principio de Pauli es el concepto fundamental en ese campo.

La importancia de la teor�a de los rayos beta ejerci� una notable influencia en el estudio de las part�culas elementales. �sta fue la contribuci�n m�s importante que hizo Fermi en el campo de la f�sica te�rica.

El trabajo sobre los neutrones fue fundamental por el descubrimiento de los neutrones t�rmicos, y a partir de �l se logr� realizar la reacci�n en cadena, que dio lugar al control de la energ�a nuclear.

Fermi se dedic� por entero a la ciencia. Fue un individuo que lleg� a las m�s altas cumbres tanto en lo te�rico como en lo experimental y que dominaba toda la f�sica.

La influencia de Fermi en la f�sica italiana fue enorme. Al introducir la f�sica te�rica en la formaci�n acad�mica inici� un movimiento que en poco tiempo sac� a Italia del atraso en que se encontraba, para colocarla en una situaci�n de prestigio en el campo de la f�sica. La importancia de Fermi en Estados Unidos tambi�n es notable, aunque en menor grado. Sin embargo, uno de los laboratorios m�s importantes y reconocidos actualmente es el Fermi Lab de Los �lamos.

Figura IV.6. Enrico Fermi en la d�cada de los a�os cuarenta. Dibujo de Ariel Tejera y Olaf Rivera.

REFERENCIAS

G. Hermann, Five Decades Ago: From the "Transuranies" to Nuclear Fision. Angem. Chema. Int., Ed. Engl., 29 481-508, 1990.

Segre, E. Fermi, CONACYT, 1987.

H. W. Smith, Atomic Energy for Military Purposes, Princeton University Press. 1948.