Desde el siglo pasado se comenzó a sospechar en la existencia de una nueva fuente de energía. Todos los esfuerzos que se hicieron para explicar por qué el Sol ha permanecido a una temperatura prácticamente constante durante centenas de millones de años fracasaron. La vida en la Tierra, que cuenta ya millones de años, necesita de una radiación solar prácticamente constante para subsistir. Al considerar la energía calorífica y gravitacional del Sol, éste debía enfriarse en relativamente poco tiempo debido a la enorme cantidad de energía que radia.


Parte de la incógnita se despejó en 1905, cuando Einstein desarrolló su famosa teoría de la relatividad.


Alberto Einstein (1879-1955). Físico alemán. En 1905 publicó varios trabajos, uno de ellos explicando el efecto fotoeléctrico, o sea la emisión de electronespor sustancias, bajo la acción de la luz. Por este trabajo se le otorgó el premio Nobel en 1921.


Otro de los trabajos que publicó ese año fue el desarrollo de la teoría de la relatividad, que es la que nos interesa en este capítulo.

En la física clásica de Galileo, Newton y Maxwell se requería de un éter en el que el movimiento de los cuerpos fuera absoluto. Si un tren se movía respecto al éter y una persona que viajaba en él lanzaba una pedrada en dirección del movimiento del tren, desde el sistema del éter la piedra se movería con una velocidad mayor, igual a la suma de la velocidad del tren más la velocidad con la que el pasajero lanzó la piedra.


La Tierra en su movimiento orbital se mueve con una velocidad de treinta kilómetros en cada segundo y por hacerlo alrededor del Sol en una órbita casi circular, su velocidad actual será opuesta a la que tendrá dentro de medio año.


Siguiendo este razonamiento, Michelson y Morley trataron de medir el cambio en la velocidad de la luz emitida por una estrella, cuando la Tierra en su movimiento orbital se mueve hacia ella, comparada con el movimiento, seis meses después, cuando la Tierra se aleja.


El experimento fracasó y no pudieron encontrar diferencia en la medida precisa que hicieron de la velocidad de la luz.


Este fracaso se convirtió en éxito, pues le sirvió a Einstein para postular que la luz en el vacío se propaga a la misma velocidad, sin importar que la fuente luminosa o el observador se muevan. Es decir, que Einstein descartó el éter que se empleaba antiguamente, lomismo que los movimientos absolutos. Todos los movimientos son relativos a otros sistemas. No hay sistemas absolutos y de ahí el nombre de la teoría de la relatividad.


El resultado más espectacular de esta teoría es su postulado de que la masa es una forma de energía. Antes de Einstein, el griego Epicuro y el francés Lavoisier establecieron el principio de la conservación de la masa, y por otro lado, Joule y Helmholtz el de la conservación de la energía. Ahora estos dos principios se unen para tener la conservación del sistema masa-energía.


La ecuación encontrada por Einstein para la equivalencia entre masa y energía es:


E = mc²


energía igual a masa por el cuadrado de la velocidad de la luz en el vacío.


Como la velocidad de la luz en el vacío es enorme, c = 300 000 000 metros por segundo, y su cuadrado mucho mayor, c² = 90 000 000 000 000 000, pequeñas cantidades de materia, contienen cantidades enormes de energía.


Einstein no encontró la manera de transformar la masa en energía mecánica u otra forma de energía, pero su resultado condujo a otros científicos a descubrir la energía nuclear y así encontraron el origen de la energía del Sol y las estrellas y como transformar la masa en energía.


Investigaciones iniciales de la energía nuclear. El origen de la energía nuclear se remonta a fines del siglo pasado cuando, en Francia, Becquerel descubrió la radioactividad del uranio y los esposos Curie los elementos polonio y radio. Por estos trabajos, los tres recibieron el premio Nobel en 1903.


En esa misma época,Thomson, en Cambridge, Inglaterra, descubre el electrón que es una partícula mucho más pequeña que los átomos (antes considerados lo más pequeño). Los átomos están formados por partículas menores. Posteriormente demostró que existen dos isótopos del elemento químico neón, es decir dos átomos de neón que tienen diferente peso e iguales propiedades químicas. En 1906 recibió el premio Nobel por el descubrimiento del electrón. Fue un gran formador de investigadores como lo demuestra el hecho de que siete de sus asistentes en Cambridge recibieran el premio Nobel.


Ernesto Rutherford (1871-1937). Físico neozelandés. Fue asistente de Thomson y la primera persona en realizar una transmutación de los elementos: algunos átomos de nitrógeno los cambió en oxígeno. Estudiando la radiación emitida por las sustancias radioactivas, observó que hay tres diferentes tipos de radiaciones, una llamada alfa formada por partículas positivas que resultaron ser núcleos de helio, otra llamada beta, constituida por electrones y una tercera, a la que llamó gamma, que son radiaciones electromagnéticas similares a los rayos X.


En 1917 observó que proyectando partículas alfa (núcleos de helio) en un recipiente con nitrógeno, se producían algunas partículas penetrantes que resultaron ser protones o sea núcleos de hidrógeno y se formaron átomos de oxígeno.


De cada 300 000 partículas alfa, emitidas por las sustancias radiactivas, una producía la transmutación de un átomo de nitrógeno en uno de oxígeno.


En esa forma, Rutherford descubrió otra partícula subatómica, elprotón, que cuando se combina con un electrón forma un átomo de hidrógeno.


Al proyectar Rutherford partículas alfa contra películas delgadas de diversos elementos, observó que estas eran desviadas de su trayectoria, y en algunas ocasiones casi en dirección opuesta a la inicial. Rutherford lo interpretó como que la partícula alfa, que tiene carga eléctrica positiva, era rebotada por una repulsión eléctrica producida por un pequeño núcleo atómico, también positivo (dos cargas eléctricas positivas, se repelen de acuerdo con la ley de Coulomb).


Del estudio de estas colisiones, pudo deducir qué tanto se acercaba la partícula alfa al núcleo atómico, de donde calculó las dimensiones del núcleo de los átomos.


Para Rutherford, los átomos están formados por un núcleo pesado (de carga positiva), que se encuentra rodeado de electrones (de carga negativa) en forma similar a los planetas alrededor del Sol. Los electrones conservan sus órbitas por la atracción eléctrica entre cargas opuestas.


Normalmente, las cargas positivas del núcleo son de la misma magnitud que las negativas de los electrones y los átomos parecen no tener carga eléctrica. Si se arranca uno de los electrones, el átomo muestra una carga total positiva y se llama átomo ionizado.


Para realizar estos estudios, Rutherford tuv o que contar con métodos para detectar a las partículas.