Al chocar una partícula alfa (núcleo de helio) o un protón (núcleo de hidrógeno) o un electrón, contra una pantalla fluorescente (como la de un televisor),produce un destello luminoso que puede observarse con anteojo o microscopio. Este método fue empleado por Thomson en el descubrimiento del electrón.


El inglés Wilson, asistente de Thomson, encontró que si en una cámara o recipiente que contenga vapores de agua y alcohol se efectúa una expansión por medio de un pistón, se producirán gotitas de agua o alcohol alrededor de los iones existentes. Si colocamos una sustancia radioactiva dentro de la cámara, las partículas alfa emitidas producirán, a lo largo de sus trayectorias, la ionización del gas de la cámara y sus trayectorias se harán visibles por las gotitas que se forman a lo largo de ellas. A este instrumento se le llamó cámara de Wilson y por este descubrimiento recibió su inventor el premio Nobel en 1927.

El alemán Geiger, asistente de Rutherford, inventó en 1913 el contador de radiaciones que lleva su nombre y que consiste en un tubo que contiene un gas especial con dos electrodos sometidos a un alto voltaje o potencial. Al pasar por el contador una partícula ionizante (alfa, beta, gamma, protón), la ionización que producen en el gas es suficiente para producir en éste una avalancha de corriente eléctrica que puede detectarse en una bocina o moviendo la aguja de un medidor eléctrico. Con este aparato se localizaron los depósitos de mineral de uranio.


Las emulsiones fotográficas también detectan partículas ionizantes, porque dejan en la emulsión su trayectoria que puede observarse con la ayuda de un microscopio.


Al pasar las radiaciones por algunos materiales transparentes, partede su energía se transforma en luz, la que puede ser detectada con sensores especiales.


Existen en los países más desarrollados aceleradores de partículas muy poderosas que producen haces de átomos muy ionizados con gran energía, y velocidades que casi igualan la de la luz en el vacío. Si estas partículas se lanzan contra un blanco de peso medio, al chocar se desintegran en un gran número de fragmentos. En la portada se muestran los fragmentos producidos al lanzar un átomo de lantano de alta energía contra un núcleo de lantano en reposo.


El blanco se encuentra dentro de una cámara que contiene un gas que se ilumina a lo largo de las trayectorias de los fragmentos durante una pequeña fracción de segundo, pero que permite tomarles fotografías desde tres direcciones. La existencia de un campo magnético en la cámara produce trayectorias curvas, cuyo radio de curvatura proporciona información sobre la masa y la energía de los pedazos. La luminosidad de la trayectoria aumenta con el peso o tamaño del fragmento.


El descubrimiento del neutrón


En 1930 el físico alemán Walther Bothe observó que al bombardear el elemento berilio con partículas alfa, se producía una extraña radiación que no pudo identificar, pero que al lanzar esa radiación sobre parafina se producían protones.


La explicación de este experimento la dio el físico inglés Jaime Chadwick en 1932, al descubrir que la radiación misteriosa estaba formada por neutrones, partículas sin carga eléctrica que tenían casi la misma masa del protón (unas dos mil veces la masa delelectrón).


Al chocar los neutrones, como bolas de billar, contra los núcleos de los átomos de hidrógeno, que son muy abundantes en la parafina, les comunicaba su energía y se emitían los protones.


Werner Heisemberg (alemán) sugirió que todos los átomos de los elementos estaban formados por un núcleo pequeño y pesado, formado por protones y neutrones, a los que rodeaba una nube de electrones (negativos) en igual número al de los protones (positivos) para producir átomos neutros.


El número de protones o de electrones del átomo definía el elemento, uno para el hidrógeno, dos para el helio, hasta llegar a 92 para el uranio. El número de neutrones sólo cambiaba el peso del átomo y así se tenían diferentes isótopos (el mismo lugar en la tabla periódica) de cada elemento.


Los físicos idearon aparatos (espectrómetros magnéticos) para encontrar los isótopos de todos los elementos. El número de partículas en el núcleo (nucleones = protones + neutrones) definió el isótopo de cada elemento. Se encontró el hidrógeno al que se llamó deuterio (un protón y un neutrón) y el hidrógeno al que se llamó tritio (un protón y dos neutrones), y así hasta llegar al uranio (U) con tres isótopos, U234, U235 y U238.


Los científicos no quedaron satisfechos con saber cuántos isótopos de los elementos existían, sino que quisieron transmutar unos en otros, crear nuevos isótopos y también nuevos elementos no existentes en la naturaleza. Para eso inventaron los aceleradores de partículas; emplearon los haces de neutrones y continuaron empleando partículas alfa.Juan Gockroft (1897- ). Físico inglés. Inventó, con Ernesto Walton, un acelerador de protones (1932) y con él bombardearon litio, produciendo en la reacción nuclear helio. Esta fue la primera reacción nuclear producida con un acelerador de partículas.


El descubrimiento de la fisión nuclear


En 1938, poco antes del inicio de la segunda Guerra Mundial, había en Europa tres importantes grupos de científicos que empleaban los neutrones en sus investigaciones nucleares. El grupo de Roma, dirigido por Enrique Fermi, el grupo de París por Federico Joliot-Curie y el grupo de Berlín por Otto Hahn.


Fermi bombardeó con neutrones el elemento más pesado y último de la tabla periódica, el uranio. Buscaba la producción de elementos nuevos más pesados que el uranio (transuránicos) y encontró que se producía una mezcla de elementos difícil de interpretar.


Irene Curie halló que uno de esos elementos tenía propiedades químicas muy similares a las de un elemento de la parte media de la tabla periódica.


Otto Hahn descubrió que todos los elementos producidos tenían propiedades químicas similares a los elementos que se encontraban en la región central de la tabla periódica.


A principio de 1939, Otto Frisch y Lise Meitner, en el Instituto Bohr de Copenhague, dieron la explicación de lo que en realidad sucedía: agregar un neutrón al pesado núcleo de uranio lo excitaba y lo dividía en dos partes más o menos del mismo tamaño, como una gota de agua demasiado grande que se divide en dos. Se había descubierto la fisión nuclear.


Las dospartes en que se divide el núcleo tienen carga positiva (protones) y, por estar muy cerca uno de otro, sufren una fuerza eléctrica de repulsión muy grande que los hace alejarse uno del otro con gran velocidad o sea que adquieren gran energía de movimiento. En otras palabras, se libera en esta reacción gran cantidad de energía. Visto el fenómeno desde la transformación de masa en energía, de acuerdo con la fórmula de Einstein, uno por mil de la masa original, se transformó en energía cinética.


Lo que es más importante, Joliot encontró, a principios de 1939, que cuando un neutrón fisiona a un núcleo de uranio se producen dos o tres nuevos neutrones libres que pueden continuar fisionando otros núcleos, es decir se puede producir una reacción nuclear en cadena.


Federico Joliot (1900-1958). Físico francés. Se casó con Irene Curie, hija de Pedro y María Curie. Fue colaborador de María Curie, y por la admiración que por ella sentía, cambió su apellido a Joliot-Curie. Trabajando con su esposa, bombardeó aluminio con partículas alfa, en 1934, y encontró que se producía un nuevo isótopo del fósforo que no existía en la naturaleza y que, terminado el bombardeo, seguía emitiendo radiaciones. Habían encontrado la radiactividad artificial, que es importante en la medicina moderna.


Por este descubrimiento él y su esposa recibieron el premio Nobel de Química en 1935.


Al ver que en la fisión nuclear se producen dos o tres neutrones que pueden continuar fisionando a otros núcleos de uranio (reacción en cadena), presentó al Centro Nacional deInvestigación Científica de Francia (CNRS), en mayo de 1939, tres patentes secretas; las dos primeras para liberar energía en reactores nucleares de uranio y agua pesada y la tercera sobre cargas explosivas nucleares (Figura 44).



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Figura 44. Reacción nuclear en cadena.

El estallido de la guerra ese mismo año obligó a que se enviara a Inglaterra, en 1940, el agua pesada con que estaba investigando.


Por permanecer en Francia durante la ocupación alemana, perdió la oportunidad de construir el primer reactor nuclear, honor que le correspondió al italiano Fermi en Estados Unidos.


Enrique Fermi (1901-1954). Notable físico italiano. Descubrió que cuando a los neutrones se les hace pasar por materiales que contengan mucho hidrógeno, como la parafina o el agua, debido a colisiones, como las de las bolas de billar, pierden velocidad, se vuelven lentos y son más fácilmente capturados por otros núcleos, siendo por lo tanto más efectivos para producir reacciones nucleares.


Tratando de producir elementos transuránicos, lanzó estos neutrones contra uranio, iniciando así las investigaciones que condujeron al descubrimiento de la fisión nuclear.


Por sus trabajos con neutrones recibió en 1938 el premio Nobel de Física, y por ser su esposa judía, y ser él enemigo del facismo, de Estocolmo pasó con su familia a radicar a Estados Unidos.


Un italiano (se naturalizó norteamericano hasta 1945) dirigió en la Universidad de Chicago la construcción del primer reactor nuclear de uranio natural, que empleaba grafito para hacer lentos a losneutrones. El reactor entró en operación el 2 de diciembre de 1942 y en esa fecha se inició la era nuclear en que vivimos. Debe recordarse que, en ese tiempo, Estados Unidos estaba en guerra contra Italia.


El elemento transuránico con 100 protones, producido artificialmente, recibió el nombre de fermio en su honor.


Desarrollo de los usos pacíficos de la energía nuclear


En diciembre de 1946 entró en operación el primer reactor nuclear soviético en Sverdlovsk. Fue diseñado por Igor Kurchatov, y fue el primero que produjo electricidad para uso público. Aún se encuentra en operación.


En agosto de 1947 entró en operación el primer reactor nuclear británico.


En diciembre de 1948 entró en operación el ZOE, primer reactor nuclear francés.


En 1951 el reactor nuclear noruego-holandés entra en operación.


En 1959 el barco rompehielos Lenin con motor nuclear inició sus operaciones.


A fines del siglo, cuando las reservas de hidrocarburos hayan disminuido notablemente y no sea posible ni conveniente seguirlas quemando, la energía nuclear, usada exclusivamente con fines pacíficos, será de vital importancia para los países de Latinoamérica, que por no tener reservas significativas de carbón mineral, necesitarán de todos los energéticos disponibles para sobrevivir.


La operación de un reactor nucleoeléctrico como el de Laguna Verde, México, se muestra esquemáticamente en la Figura 45.



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Figura 45 Operación del reactor nuclear de Laguna Verde, México, en forma esquemática.