El Tamiz

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Premios Nobel - Química 1908 (Ernest Rutherford)

En el último artículo de la serie sobre los Premios Nobel, en la que recorremos estos galardones a lo largo de toda su historia, saboreamos juntos el Premio Nobel de Física de 1908, otorgado a Gabriel Lippmann por su trabajo en fotografía empleando la interferencia. Hoy haremos lo propio con el Premio Nobel de Química del mismo año, entregado al neozelandés Ernest Rutherford, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,

Por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radioactivas ((Para los pejigueros: la RAE admite radiactivo y radioactivo, hay gente que prefiere una o la otra, de modo que a lo largo del artículo intentaré intercalar ambas.)).

Se trata de un premio muy interesante no sólo por la naturaleza derrumba-paradigmas del descubrimiento, uno de esos que suponen un antes y un después, sino también por otras dos razones. En primer lugar, porque el buen Rutherford no era químico, sino físico, y sin embargo su Nobel (debería haber ganado otros, pero bueno) es de Química, lo que demuestra algo que ya venimos diciendo a lo largo de la serie en repetidas ocasiones: el cambio de siglo supuso un emborronamiento de líneas entre las distintas ramas de la Ciencia, entre lo vivo y lo no vivo, entre prácticamente todo, como demuestra este mismo Nobel.

En segundo lugar, porque la serie tiene ya suficiente longitud como para que podamos ver este Premio desde la perspectiva de los anteriores: no es un descubrimiento aislado, sino que se trata del tercer episodio en una cadena de investigaciones, trabajo arduo y casualidades que empezó con Wilhelm Röntgen, siguió con Becquerel y los Curie y nos lleva hasta el genio del artículo de hoy. Esto es importante porque tendemos a idealizar a los científicos y sus descubrimientos, como si las cosas surgieran por magia potagia y la inteligencia sobrehumana de uno o dos genios, y las cosas no son tan exageradas.

Normalmente, cada descubrimiento es un pasito más allá, a partir del lugar al que llegó alguien anteriormente, y que nos permite ver un poquito más cómo son las cosas. Es como si alguien abriera un poco las cortinas de la ignorancia y las fijase allí, para que el siguiente pueda partir de ese punto y retirar la cortina un poco más… pero mejor dejo esto, que me estoy poniendo cursi. Lo importante es que, a diferencia de otras ocasiones, hoy no me hace falta contarte toda la perspectiva histórica anterior al descubrimiento en cuestión, porque te basta con releer –o leer, si eres nuevo aquí– los artículos anteriores.

Los esposos Curie, en el laboratorio

Los esposos Curie en el laboratorio.

El caso es que ya vimos cómo Antoine Henri Becquerel había detectado la emisión de un extraño tipo de rayos por parte de sales de uranio –que recibieron el nombre de rayos de Becquerel en su honor– y cómo los dos Curie pudieron detectar emisiones similares por parte de muchas otras sustancias, como el torio o el radio. Todas esas sustancias se denominaron radiactivas, el proceso radiactividad y estaba claro que había algo muy, pero que muy raro teniendo lugar ahí, porque los rayos se llevaban energía de la sustancia pero lo que quedaba parecía no cambiar en absoluto de comportamiento, como si esa energía estuviera “saliendo de la nada”.

Además, estaba el misterio de los propios rayos de Becquerel: ¿qué demonios eran? Hacía falta estudiarlos con mucho cuidado para determinar su naturaleza y propiedades, y a eso se dedicó un buen puñado de físicos tras la publicación de los resultados de Becquerel y los Curie –entre ellos, estos mismos científicos–. Uno de quienes lo hizo fue un joven físico neozelandés, que con los años se convertiría en un auténtico faro en nuestra búsqueda de la verdad acerca de la naturaleza de la materia: Ernest Rutherford.

Ernest Rutherford

Ernest Rutherford (1871-1937).

Los padres de Rutherford eran granjeros; habían emigrado a Nueva Zelanda desde el Reino Unido y su hijo nació cerca de Nelson, en Nueva Zelanda, en 1871. Se trataba de una familia bastante humilde, y el joven Ernest pudo obtener su educación superior gracias a distintas becas; ¿quién les hubiera dicho a James y Martha, sus padres, que su retoño se convertiría en un Par del Reino con el título de Barón Rutherford de Nelson y el lema “Primordia Quaerere Rerum”, “Buscar los Primeros Principios de las Cosas”? Pero para eso aún quedaban muchos años y mucho trabajo por delante.

El muchacho estudió en la Universidad de Nueva Zelanda, y posteriormente se trasladó a la Universidad de Cambridge para doctorarse. En 1898 viajó hasta Canadá y se convirtió en Catedrático de Física en la Universidad de McGill, en Montreal, casi al mismo tiempo que el problema de los rayos de Becquerel se convertía en un desafío para la comunidad científica mundial. En McGill, Rutherford se puso manos a la obra para intentar determinar la naturaleza de esos misteriosos rayos, realizando diversos experimentos con sustancias emisoras de radiactividad espontánea, como el uranio.

En primer lugar, para determinar la capacidad de penetración de esta misteriosa radiación, Rutherford cubrió trozos de óxido de uranio –que emitían rayos de Becquerel– con capas de papel de aluminio, y observó algo muy peculiar: la cantidad de radiación que atravesaba el aluminio no disminuía uniformemente con la cantidad de aluminio que se interponía en su camino. Una parte de los rayos de Becquerel eran absorbidos en cuanto había algo de aluminio, mientras que otra parte era mucho más difícil de bloquear… era como si una fracción de los rayos no se comportase como la otra. La conclusión de Rutherford fue inmediata: los rayos no eran una sola cosa, sino al menos dos.

En 1899, tan sólo un año tras llegar a McGill, publica ya Uranium radiation and the electrical conduction produced by it (La radiación del uranio y la conducción eléctrica producida por ella) en el Philosophical Magazine. Allí explica su hipótesis, que mejor lees en sus propias palabras y no en las mías… escalofríos me da:

Estos experimentos demuestran que la radiación del uranio es compleja y que hay presentes al menos dos tipos diferentes de radiación - una que se absorbe muy fácilmente, y que denominaré por conveniencia radiación-alfa, y otra de un carácter más penetrante, que llamaré radiación-beta.

Paul Villard

Estos dos tipos de radiación fueron detectados muy pronto en otros elementos radiactivos: eran emitidos también por el radio, el torio, el actinio… no se trataba de algo específico relativo al uranio, sino que siempre era posible dividir los rayos de Becquerel en estos dos tipos. Pero es que no había dos tipos, ¡había más! En 1900, el francés Paul Villard, mientras estudiaba la radiación emitida por el radio, realiza un descubrimiento extraordinario. Villard había interpuesto una placa de plomo frente a la muestra de radio, ya que de ese modo bloqueaba la radiación alfa, de modo que sólo quedaba la beta, que era desviada por los campos eléctricos ya que tenía carga eléctrica; hasta aquí, nada sorprendente, sobre todo si has leído ya los artículos dedicados a Lenard y Thomson, ya que la radiación beta no era otra cosa que electrones.

En cualquier caso, Villard (a la derecha), tras absorber los rayos alfa, sometió el resto a un campo magnético para curvarlos y una parte no se curvó. Es más, experimentando con esta tercera fracción de los rayos de Becquerel, al menos tan penetrante como la beta pero sin carga eléctrica, el francés comprobó que tenía un poder de penetración aún mayor que la radiación beta. En 1903, Ernest Rutherford propuso un nombre para este tercer tipo de rayos, radiación gamma, y se comprobó que siempre que había rayos de Becquerel estaban presentes los tres tipos de rayos: dicho de otro modo, no había tal cosa como “rayos de Becquerel”, sino que habíamos dado el nombre a una mezcla de tres cosas diferentes.

Si recuerdas los artículos dedicados a los rayos catódicos, Lenard, Thomson y compañía, sabes que la investigación referente a esos rayos se produjo casi al mismo tiempo que ésta. Los rayos beta fueron, por tanto, los primeros en ser identificados, ya que se sabía que los rayos catódicos estaban formados por electrones muy veloces, y el propio Henri Becquerel pudo demostrar que la radiación beta tenía las mismas propiedades, luego estaba formada por electrones: partículas muy ligeras, cargadas negativamente y que se movían muy deprisa. Pero ¿qué había de los otros dos tipos?

Rutherford se dedicó a estudiar la radiación-α, intentando desviarla con campos magnéticos para comprobar qué tipo de carga tenía. Sin embargo, al principio las desviaciones eran tan ligeras que no era posible estar seguros siquiera de que se estaban produciendo o si eran errores en los instrumentos de medida y los rayos alfa realmente no tenían carga eléctrica. Junto con otro físico británico, Frederick Soddy, Rutherford trabajó duramente para conseguir muestras radioactivas de mayor actividad y poder tomar medidas más y más precisas, y finalmente tuvo éxito: consiguió curvar los rayos-α en dirección opuesta a los electrones, demostrando así que se trataba de partículas cargadas positivamente.

Frederick Soddy

Frederick Soddy (1877-1953).

Además, midiendo el radio de curvatura y sometiendo la radiación alfa a campos eléctricos, pudo tener una idea de su velocidad, la energía acarreada y la relación entre la carga eléctrica y la masa de estas partículas. Fíjate en que, tras el descubrimiento de que los rayos alfa tenían masa y carga eléctrica, gran parte del “misterio” de los rayos estaba ya desvelado: la palabra “rayo”, como “radiación”, es muy difusa, pero una vez conocida la naturaleza material y cargada de esos “rayos”, es mejor hablar de partículas-α y quitar un poco de magia a la cosa. Pero Rutherford y Soddy no habían hecho más que empezar.

Determinaron que las partículas alfa viajaban a alrededor de un doceavo de la velocidad de la luz, y que se trataba de algo miles de veces más pesado que los electrones. De hecho, debía tratarse de algo con una masa comparable a la de un átomo de hidrógeno o de helio, pero eso era algo de tal calibre que era imposible que lo que quedaba atrás, después de la emisión de estas partículas, fueran los mismos átomos que había al principio. Esto no era una idea nueva, y ya vimos cómo había sido postulada ya por Pierre Curie:

[…] que la propia existencia del átomo está en cuestión, y que estamos en presencia de una transformación de los elementos.

Sin embargo, la demostración por parte de Soddy y Rutherford de que los rayos emitidos por los elementos radioactivos contenían partículas, y no sólo eso, sino partículas muy masivas, reforzó enormemente esta idea, que Rutherford amplió y definió hasta convertirla en una verdadera hipótesis de la radiactividad como desintegración de los átomos inestables, algo que en la propia presentación del Premio –que, como siempre, podrás leer al final– se llama ya teoría de la desintegración. Piensa, para poder comprender la magnitud del logro de Rutherford, que estamos hablando de una época en la que aún no se conoce la estructura de un átomo.

Rutherford y Soddy explican además, con su hipótesis de desintegración, el calentamiento de algunos elementos radiactivos, que ya había sido observado por los Curie entre otros. Al principio se había considerado que ese calentamiento era parte de la propia radiactividad del elemento, pero Rutherford lo explica de manera muy distinta: la emisión de partículas alfa, muy pesadas y fáciles de absorber, es la responsable de la mayor parte de ese calentamiento. Al salir despedidas de algunos átomos del elemento, impactan luego contra los que lo rodean, proporcionándoles mayor energía cinética y, por tanto, mayor temperatura. De acuerdo con el neozelandés, por lo tanto, las sustancias radiactivas se calientan a sí mismas fundamentalmente bombardeándose con partículas-α. Y los experimentos van demostrando, efectivamente, que la temperatura de las sustancias radiactivas guarda una íntima relación con la cantidad de radiación alfa que emiten. Punto para Rutherford.

Donde el neozelandés metió la pata hasta el fondo fue al especular sobre la posible utilización de esta energía de un modo práctico. En 1933 afirmaría:

La energía producida por la desintegración del átomo es muy pobre. Cualquiera que pretenda utilizar la transformación de los átomos como fuente de energía está diciendo estupideces.

Pero es que predecir el futuro es tan, tan difícil… y parece que, cuanto más categórica la afirmación, más probable es que luego se demuestre como falsa. Al menos, es un consuelo ver cómo genios clarividentes como el propio Rutherford se dan de bruces con cosas así… ¡todos humanos! Por si te hace sonreír, otra “perla” de boca del neozelandés en la que demuestra cortedad de miras, tanto más irónica en cuanto a que su Nobel no es de Física, sino de Química:

En la Ciencia sólo existe la Física - lo demás es coleccionismo de sellos.

Pero el descubrimiento más fundamental y revolucionario de todos lo realizaron Rutherford y Soddy en 1901, cuando estaban estudiando un elemento radiactivo, el torio, y observaron que aparecía uranio donde antes no existía. De acuerdo con el relato de Soddy, él mismo exclamó: “¡Rutherford, es la transmutación!”, a lo que el bueno de Ernest respondió, azorado: “¡Por Dios, Soddy, no lo llames “transmutación”! ¡Acabarán con nosotros por alquimistas!” Pero no había duda alguna, y otros experimentos pronto confirmarían el hecho, unos pocos años antes impensable. Unos elementos se convertían de manera espontánea en otros diferentes.

Rutherford, en el laboratorio

Rutherford, al recibir su baronía.

De hecho, la hipótesis de la desintegración del propio Rutherford lo explicaba estupendamente bien: el átomo inestable emitía partículas alfa (lo que quiera que fuesen), partículas beta (electrones) y radiación gamma (radiación electromagnética), y como consecuencia se modificaban sus propiedades de una manera íntima, convirtiéndose el átomo en uno diferente, perteneciente a un elemento distinto.

Vamos, que una de las bases de la Química, con la que se había desenmascarado a charlatanes durante siglos –que los elementos no podían convertirse unos en otros, simplemente combinarse de una manera u otra para formar distintas moléculas– se había ido al traste. La transmutación de unos elementos en otros era posible, y de una manera rocambolesca, los alquimistas tenían razón en este aspecto, aunque fuera de chiripa y sin comprender si quiera el concepto de elemento; de hecho, aunque no tenga que ver con este artículo, posteriormente convertimos plomo en oro, el sueño de Paracelso y similares… pero resultó que convertir plomo en oro era muchísimo más caro que comprar oro directamente, lo cual hacía del empeño algo futil desde el punto de vista de los alquimistas medievales, claro.

Esto explicaba algo que se conocía desde hacía tiempo pero que, hasta entonces, no había tenido explicación: el hecho de que casi siempre, junto a depósitos subterráneos de uranio y otros elementos radioactivos, se encontraban bolsas de helio. Es más, el helio es tan ligero que su presencia en la atmósfera es casi testimonial, ya que la gravedad terrestre es incapaz de mantenerlo atrapado y escapa al espacio sin problemas… lo cual indicaba que el helio de que podíamos disponer debía haberse formado en el interior de la Tierra, pero ¿cómo?

¡Pues a partir de la desintegración radioactiva, claro! En palabras del propio Rutherford:

Es esperable, por lo tanto, que si cualquiera de los productos últimos de los cambios en un elemento radioactivo son gaseosos, se encontrarán atrapados, posiblemente en cantidades considerables, en los minerales naturales que contengan dicho elemento. Esto apoya la hipótesis ya planteada de que el helio es posiblemente un producto último de la desintegración de uno de los elementos radiactivos, ya que sólo se encuentra en minerales radioactivos.

El origen radiactivo del helio pudo comprobarse experimentalmente muy rápido de manera cualitativa: en 1903, William Ramsay y Frederick Soddy tomaron una muestra de tan sólo 30 miligramos de bromuro de radio y esperaron unos meses. Al cabo de ese tiempo examinaron la muestra y detectaron, por supuesto, cierta cantidad de helio que antes no estaba allí. Nuevo punto para Rutherford – pero no olvidemos a Ramsay, viejo conocido de la serie, y al leal Soddy.

Con el tiempo, realizando experimentos con muchos otros elementos inestables, como el radio o el actinio, se comprobó la hipótesis de desintegración de Rutherford a la perfección, con lo que dejó de serlo para convertirse en una teoría hecha y derecha. Todos esos elementos se desintegraban de manera constante, es decir, poco a poco sus átomos iban desprendiendo radiaciones diversas de manera espontánea y convirtiéndose en elementos nuevos. Es más, algunos de ellos daban como resultado, tras la transmutación, otros átomos que también eran inestables, y éstos a su vez a veces daban lugar a otros también inestables. Lo que se producía entonces era una auténtica cadena de desintegraciones hasta que, al final, se producía un último elemento que sí era estable, como por ejemplo, el plomo.

Cadena de desintegración del uranio

Cadena de desintegración del uranio-238 hasta el plomo-206.

Qué elementos nuevos se producían, en qué cantidades, con qué rapidez y cuáles eran los productos últimos de las desintegraciones, dependían todos del elemento original. De hecho, era posible medir, si se tenía el cuidado y la meticulosidad necesarias, el grado de inestabilidad de cada elemento radiactivo. Algunos se desintegraban bastante rápido, y su actividad iba descendiendo de una manera lenta pero medible, mientras que otros eran muy poco inestables. Pronto se empezó a hablar de la semivida de un elemento, es decir, el tiempo que debía pasar para que de un número determinado de átomos de un elemento inestable sólo quedase la mitad; hemos hablado de este asunto al explicar cómo se sabe la edad de las rocas, de modo que no voy a repetirme aquí.

Sin embargo, aunque las cosas fueran distintas para cada elemento radiactivo, por alguna razón había un producto “residual” en absolutamente todas las desintegraciones estudiadas: el helio. ¿Por qué? Aquí es donde hacía falta una mente preclara, capaz de hilar asuntos aparentemente desconectados y encontrar la relación entre ellos. Sí, lo has adivinado: Rutherford otra vez.

No tengo ni idea de cómo razonaría Rutherford, pero tal vez pudo ser así: cuando estos elementos se desintegran hay dos cosas en común: emiten partículas alfa tan masivas como un átomo, y uno de los productos finales comunes es el helio. ¿Puede haber una relación entre ambos fenómenos? Veamos: la relación carga-masa de las partículas alfa es tal que, si la carga de una partícula-α es la misma que la del hidrógeno, su masa será el doble que la de un átomo de hidrógeno. Si, por el contrario, la carga de una partícula-α es el doble que la del hidrógeno, eso significaría que su masa es cuatro veces la de un núcleo de hidrógeno… es decir, la misma que el helio. Era posible, por tanto, que las partículas alfa no fueran sino el propio helio que se detectaba luego.

¿Podría esto explicar las cosas? Sí, y de una forma elegantísima, ya que ambos fenómenos eran realmente el mismo. Las partículas alfa, si quedaban atrapadas, se iban acumulando, formando un pequeño depósito de helio asociado al material radioactivo. En palabras de Rutherford,

Sugerí que, con toda probabilidad, la partícula-alfa era un átomo de helio con carga doble que la unidad. De acuerdo con esto, cualquier sustancia radiactiva que emitiese partículas-alfa debería generar helio. Esto explicaba el hecho observado por Debierne de que el actinio, al igual que el radio, producía helio.

Pero claro, hacían falta más experimentos que demostrasen la naturaleza de las partículas alfa como átomos de helio. El propio Rutherford realizó algunos junto con el alemán Johannes Wilhelm Geiger (sí, el del contador), igual que hicieron William Crookes y otros, de modo que pudiera cuantificarse lo mejor posible la carga de una partícula-alfa. Si resultaba ser el doble que la del hidrógeno, la hipótesis de Rutherford obtendría un espaldarazo considerable. Para estimar esta carga, los científicos se dedicaron a contar partículas alfa emitidas por una muestra de uranio con la mayor precisión posible, además de medir la carga positiva expelida tras un tiempo determinado. Combinando ambas mediciones (carga total y número de partículas emitidas) pudieron dar una estimación de la carga de cada partícula-α individual: el doble que el hidrógeno. Punto para Rutherford.

Geiger y Rutherford

Hans Geiger y Ernest Rutherford.

Si se suponía que los núcleos helio eran simplemente partículas alfa, sería posible predecir numéricamente la cantidad de helio que debería haber asociada a una muestra radiactiva determinada al cabo de un tiempo. Y eso hicieron precisamente Geiger y Rutherford, a pesar de que era muy difícil tener una gran precisión en la predicción dada la imprecisión en las medidas iniciales. Los dos científicos predijeron que, si la “hipótesis helio” de Rutherford era correcta, un gramo de radio debía producir, al cabo de un año, unos 158 mm3 de helio, con un error de 30-40 mm3. En 1908, el británico James Dewar realizó ese experimento y midió una cantidad de helio producida de 134 mm3. Punto para Rutherford.

Pero, ¡ah!, pensaban algunos. ¿No puede ser que el helio que aparece no sea sino simplemente un átomo más resultante de la desintegración radiactiva, y que las partículas alfa sean algo diferente? ¿No se producen otros elementos como consecuencia de la desintegración, y esos elementos no tienen que ver con los rayos-alfa? Hombre, mucha casualidad sería, pero claro, podría ser. De modo que el neozelandés se propuso demostrar sin lugar a dudas la identidad entre partículas alfa y átomos de helio, “recogiendo” las partículas alfa emitidas lejos de su fuente, para que no pudiese haber atisbo de duda de que lo que se medían eran partículas alfa y no un producto atómico en el propio material radioactivo.

Junto con Thomas Royds, Rutherford se dedicó a comprobar esto: introdujo una muestra radioactiva dentro de un recipiente de vidrio de paredes delgadas, y éste dentro de otro de paredes gruesas. Los grosores eran los adecuados para que las partículas alfa pudiesen atravesar la primera pared pero no la segunda, quedando así atrapadas en la región intermedia entre ambas paredes. Inicialmente, esta región intermedia estaba vacía, de modo que si aparecía helio ahí dentro, tenía que provenir de la muestra radioactiva. Los dos físicos dejaron la muestra un tiempo y luego observaron, sin lugar a dudas, la presencia de helio en la capa intermedia. Para descartar la posibilidad de que el helio proveniese de la difusión a través de la pared de átomos del propio material radioactivo, reemplazaron la muestra de roca por helio puro y duro, para ver si el gas atravesaba la pared y aparecía en la parte intermedia, pero no fue así. No cabía duda alguna: el helio era el resultado de la salida a través de la pared de partículas alfa. El misterio de los rayos-alfa había sido desvelado, explicado y triturado por el hijo de los granjeros. ¡Punto, set y partido para Rutherford!

Esto no quiere decir, sin embargo, que todo quedase explicado… así es la ciencia, afortunadamente. Nadie tenía ni idea de por qué el helio, un elemento en otras cosas insulso, era “escupido” cuando un átomo inestable se desintegraba. ¿Quería esto decir que los átomos estaban “hechos de helio”? Tampoco estaba explicado por qué se producían las desintegraciones. ¿Qué hacía inestables a los átomos? ¿Por qué unos lo eran y otros no? Y, desde luego, la madre de todas las preguntas de la física atómica de la época: ¿de qué diantres estaba hecho un átomo?

El propio Rutherford nos daría la respuesta a algunas de esas preguntas, y lograría cosas que dejan su descubrimiento de las partículas alfa como un juego de niños. Pero eso es otra historia, y tendrá que esperar a otra ocasión. El caso es que aquellas becas dieron buen fruto: Rutherford se convirtió en el padre de la física nuclear y, como dije al principio del artículo, entre la multitud de honores que recibió a lo largo de su vida estuvo una Baronía, la de Nelson. Puesto que no se trataba de un título nobiliario heredado, sino otorgado a Rutherford por sus propios méritos, pudo elegir escudo de armas, lema y cosas parecidas. En el escudo de armas de Rutherford, además del lema que mencionamos al principio del artículo, el neozelandés escogió poner un guerrero maorí y un kiwi para hacer referencia a su Nueva Zelanda natal… y, a la izquierda, algo que seguramente haría sonreír a Soddy.

Hermes Trimegisto, patrón de los alquimistas.

Escudo de armas de Rutherford

Como siempre, aunque sea un lenguaje arcaico y un poco pesado, te recomiendo encarecidamente que leas el discurso de presentación de K.B. Hasselberg, Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias, pronunciado el 10 de diciembre de 1908, porque es delicioso conocer la visión contemporánea de los logros de Rutherford:

Su Majestad, Sus Altezas Reales, damas y caballeros.

El Premio Nobel de Química de este año (1908) ha sido otorgado por la Real Academia de las Ciencias a Ernest Rutherford, Catedrático de Física en la Universidad de Victoria, Manchester (Inglaterra), por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radioactivas.

Estas investigaciones están estrechamente relacionadas con, y constituyen una digna continuación de, logros que han obtenido ya el reconocimiento de la Academia en forma de Premio Nobel en ocasiones anteriores, como el trabajo teórico y experimental de J. J. Thomson sobre el movimiento de la electricidad a través de gases, el descubrimiento de Becquerel de la radiactividad espontánea, y la investigación de M. y Mme. Curie sobre los elementos que emiten rayos de uranio o, como también se denominan en honor al científico francés, rayos de Becquerel [como vimos en esta misma serie, se trataba realmente de radiación alfa, beta y gamma].

Poco tiempo después del descubrimiento de estos rayos –que, como se ha comprobado desde entonces, no son emitidos únicamente por el uranio, sino también por otros elementos como el torio, descubierto por Berzelius hace ochenta años, el radio y el polonio descubiertos por Mme. Curie, etc.– por parte de Becquerel, Rutherford los eligió como objeto de una investigación muy concienzuda, desarrollando métodos extraordinariamente exactos para medir su intensidad, demostrando así la existencia de tipos de rayos absolutamente diferentes (los así llamados rayos-alfa y rayos-beta), estableciendo las características más importantes de ambos tipos y poniendo de manifiesto, especialmente en lo que se refiere a los rayos-alfa, evidencia incontestable de su naturaleza material.

Sus investigaciones sobre los fenómenos radiativos que caracterizan al elemento torio llevaron a Rutherford a realizar el descubrimiento notable de que este elemento emana una sustancia gaseosa, la llamada emanación del torio, que se ha demostrado desde entonces es de naturaleza elemental, y utilizando aire líquido se ha conseguido condensarla en forma líquida.

En el progreso de estas investigaciones se hizo claro que la emanación no proviene directamente del torio, sino del denominado torio-X, un producto intermedio, que puede separarse del torio y que se forma constantemente a partir de él, y que a su vez se desintegra de manera constante según se produce la emanación gaseosa. La emanación en sí no es tampoco permanente, sino que al cabo de poco tiempo se transmuta en otras sustancias radiactivas, que –si la emanación entra en contacto con cuerpos sólidos– se deposita sobre ellos en forma de una capa muy delicada, la así llamada precipitación activa.

Las mismas condiciones que describimos respecto del torio también se han hecho evidentes respecto del radio, uranio, actinio, polonio, en resumidas cuentas, todos los elementos radiactivos, y ha sido posible demostrar, especialmente respecto al radio y el actinio, la formación de una emanación gaseosa de manera idéntica al caso del torio.

Todos estos cambios asociados al fenómeno de la radiactividad son de un orden completamente diferente al de los que suceden durante las reacciones químicas ordinarias, y no pueden mostrarse generalmente mediante la balanza o incluso el espectroscopio. Por otro lado, pueden detectarse con aparatos más sensibles, como el electroscopio, con una precisión y claridad tales que no es posible duda alguna acerca de su existencia.

Como se verá, los descubrimientos de Rutherford lo llevaron a la conclusión altamente sorprendente de que un elemento químico, en conflicto con las teorías existentes hasta el momento, es capaz de transformarse en otros elementos, y en cierto modo puede decirse que el progreso de la investigación nos trae de nuevo la teoría de la transmutación propuesta y sostenida por los alquimistas de antaño.

Como explicación de estos fenómenos sorprendentes, Rutherford, junto con el Dr. F. Soddy, uno de sus numerosos ayudantes, postuló en 1902 la así denominada teoría de la desintegración, asociada estrechamente en varios aspectos a las opiniones propuestas anteriormente por J. J. Thomson y otros físicos sobre la naturaleza de la materia.

De acuerdo con esta teoría, el origen y la pérdida de la radiactividad deben ser consideradas como consecuencia de cambios, no en la molécula, sino en el átomo en sí mismo. Los elementos radiactivos están sujetos, consecuentemente, a una desintegración real, de modo que en cualquier espacio de tiempo un porcentaje determinado de sus átomos se rompen en una o más partículas de radiación por una parte, y en un átomo nuevo por otra, que por tanto constituye un nuevo elemento distinto del origan, debido a las diferencias que manifiesta en sus propiedades físicas y químicas. Este nuevo elemento puede a su vez desintegrarse de un modo similar, y así, paso a paso, hasta que finalmente aparece un átomo de mayor estabilidad y permanencia.

Pues debe recordarse que la transmutación de los elementos radiactivos siempre se produce gradualmente, y da lugar a la producción de una cierta cantidad de formas transicionales inestables. En el caso del radio, por ejemplo, se cree haber detectado al menos siete. Estos elementos efímeros se caracterizan, en primer lugar, por la rapidez diferente con la que se transmutan o, como a menudo se expresa, por la variación de su semivida, una constante de la misma importancia al determinar la identidad de un elemento radioactivo como la masa atómica lo es para un elemento estable ordinario. Las medidas realizadas muestran que la semivida varía entre unos pocos segundos y miles de millones de años.

La teoría de la desintegración fue confirmada de manera meridiana justo después de ser publicada, por Sir William Ramsay y el Dr. Soddy uno después del otro, mostrando ambos de una manera absolutamente convincente cómo el helio se produce a partir del radio; este descubrimiento no puede ser considerado menos interesante que el hecho de que Rutherford y Soddy hubieran expresado previamente la opinión de que el helio debía considerarse probablemente como el producto de la desintegración de elementos radiactivos. Finalmente, la teoría de la desintegración, a pesar de la audacia con la que atacó y derribó la teoría previamente aceptada de la estabilidad de los elementos entre los químicos, ha obtenido un reconocimiento y aprobación generales de una manera extremadamente rápida, algo que seguramente se debe de manera principal por la perspicacia y orden sistemático que ha introducido en los departamentos de radiología.

A pesar de que el trabajo de Rutherford ha sido realizado por un físico y con ayuda de métodos físicos, su importancia para la investigación química llega tan lejos y es tan evidente, que la Real Academia de las Ciencias no ha dudado en otorgar a su creador el Premio Nobel designado para el trabajo original en el dominio de la química – proporcionando así una nueva prueba, a añadir a las numerosas ya existentes, de la interacción íntima entre las distintas ramas de las Ciencias Naturales en los tiempos modernos.

La teoría de la desintegración mencionada anteriormente, así como los resultados experimentales en los que se basa, son sinónimos de un nuevo salto en la química, que involucra una comprensión nueva y más profunda sobre la misma base de esta ciencia. Para los químicos del siglo XIX, el átomo y el elemento representaban, cada uno en su propia esfera, el límite último de la división o desintegración química, y al mismo tiempo el punto más allá del cual no era posible la investigación experimental. Si se les preguntaba qué había más allá, no era posible obtener más que especulaciones más o menos vagas y estériles. Esta línea de demarcación, considerada insuperable durante tanto tiempo, ha sido ahora barrida a un lado a todos los efectos. Hoy en día, la estructura interna de los átomos y las leyes que la regulan pertenecen al grupo de problemas que pueden ser objeto de discusión de un modo completamente práctico y científico, gracias a la exactitud de las medidas que han sido realizadas. Los resultados obtenidos hasta ahora no sólo son de la máxima importancia en sí mismos, sino que además adquieren una significación aún mayor por las numerosas posibilidades, completamente insospechadas diez o doce años atrás, que han sido abiertas por la continuación del trabajo de investigación en esta rama de la Ciencia.

Para saber más (es/en cuando es posible):

Ciencia, Premios Nobel, Química

20 comentarios

De: Premios Nobel – Química 1908 (Ernest Rutherford)
2011-05-12 17:30:44

[...] Premios Nobel – Química 1908 (Ernest Rutherford) eltamiz.com/2011/05/12/premios-nobel-quimica-1908-ernest-...  por mezvan hace 4 segundos [...]


De: Juan Carlos Giler
2011-05-12 18:42:41

Interesante artículo.... dos preguntas...


  • Los núcleos de Helio (partículas alfa) no creo que sea lo mismo que átomos de Helio (como indicas varias veces)??? Es decir, solo los dos electrones (y los dos neutrones) ya forman el elemento (en este caso Helio)? No se necesitan los electrones (o en mi vulgar conocimiento.. esos se "unen" con las partículas beta (electrones)


  • Porque se desintegra en Helio y no en, por ejemplo... Hidrógeno... o Litio??? (que quieres decir con "eso es otra historia, y tendrá que esperar a otra ocasión") :(



De: Pedro
2011-05-12 18:45:25

Juan Carlos, las partículas alfa son, estrictamente, núcleos de helio --es decir, cationes--, pero hay por ahí electrones de sobra para formar átomos neutros en poco tiempo :)


De: josecb
2011-05-12 18:46:52

Genial el artículo, me ha gustado mucho.


De: Daniel
2011-05-13 04:56:47

Gracias por tus artículos y toda tu pasión. Gracias.

Imagino que no te has dado cuenta, pero diría que, por error, donde debería ir el discurso del Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias va algo más. Texto tuyo que, si me lo permites, diría que parece una versión previa de este mismo artículo. Te lo índico únicamente con la intención de que puedas corregirlo pronto.

Y de nuevo, muchas gracias. Sigue así siempre, por favor.


De: Pedro
2011-05-13 07:13:01

Daniel, sólo veo la frase entre corchetes sobre las radiaciones alfa, beta y gamma, pero ésa es intencional, preferí hacer eso que dejar una nota al pie. Gracias :)


De: Karlo
2011-05-13 18:13:22

A Juan Carlos Giler, por su segunda duda (la primera creo que la contestó Pedro bien): El helio, o más específicamente el helio 4, que es el que forma la radiación alfa, es un núcleo muy especial porque está mucho "más unido" (en realidad, tiene mayor energía de enlace por nucleón) que los núcleos cercanos de masas parecidas, como el litio o el hidrógeno. Por eso los átomos prefieren emitir el hidrógeno: es lo más rentable energéticamente. No obstante, hay casos en los que algunos átomos emiten protones, neutrones o núcleos de carbono, pero son siempre procesos (muchísimo) más raros que la emisión alfa. Espero haber respondido a tu pregunta.


De: Daniel
2011-05-14 06:58:08

Malinterpreté entonces todo a partir de los corchetes :P


De: josell
2011-05-15 06:50:31

Pedro, me has intrigado en saber que representa la figura izquierda del escudo.


De: Niko54
2011-05-17 05:51:22

"Para descartar la posibilidad de que el helio proveniese de la difusión a través de la pared de átomos del propio material radioactivo, reemplazaron la muestra de roca por helio puro y duro, para ver si el gas atravesaba la pared y aparecía en la parte intermedia, pero no fue así."
Que puedo decir.. ¡un grande Rutherford! Nunca se me hubiese ocurrido una solución tan ingeniosa para demostrar de manera sistemática que radiación alfa=nucleones de helio.
¡Realmente para sacarse el sombrero! Gracias Pedro por permitir que el común de los mortales pueda acceder a información tan importante, como es la historia de la ciencia, y sobre todo, de una forma tan amena.


De: kemero
2011-05-17 18:21:07

Esta serie se pasa! De las mejores Pedro, espero que para 1910, 20 ó 30 tenga su libro. La publico siempre que sale en el FB (por cierto, a veces no trae la opción de ponerle el logo del Tamiz).

Dudas:

En el grafico pasa del Uranio 238 a Torio 234 y despues a Uranio 234 nuevamente. Si el Uranio 238 emitió un nucleo de Helio, perdió 2 protones y se transformo en Torio, despues como es que vuelve a ser Uranio? absorbe un núcleo de helio??? y si lo hace, por que no vuelve a ser 238??

Capaz estoy diciendo cualquier cosa.

La segunda duda no tiene nada que ver con el artículo, así que perdón, pero que paso con el Foro?


De: Angel
2011-05-18 18:42:16

kemero: Fijate que el Th pasa Pa y este a U por decaimiento beta. Cuando un elemento radiactivo emite una particula beta, lo que en realidad esá ocurriendo en el núcleo es que un neutrón se ha dividido en un protón y un electrón (o positrón). El protón se queda en el núcleo y el electrón (o positrón) es expulsado.


De: J
2011-05-18 19:52:18


pero resultó que convertir plomo en oro era muchísimo más caro que comprar oro directamente


Bueno... al ritmo que va el oro, es cuestión de tiempo ;-)

Si alguien no la ha leído, debe leer la serie de la Fundación, de otro gran divulgador: Asimov. Allí juega tangencialmente con esta idea, cuando los comerciantes... hasta aquí puedo leer sin hacer un spoiler. Creo recordar que también en el cuento de la antigravedad y la mesa de billar y tal.


De: kemero
2011-05-19 03:12:05

Angel, gracias por la explicación, pero me surgio otra duda... el átomo queda ionizado? y como es eso de que el neutròn se divide? yo pense que la inestabilidad de los átomos radioactivos en general era por su "gran tamaño"... si no es asi, no se dividirian todos los neutrones en algún momento en todos los átomos entonces?


De: Argus
2011-05-19 11:56:24

Creo recordar que en el instituto nos hablaron de un experimento de Rutherford en el que dirigia una potente radiacion contra una delgada lamina de aluminio (o era oro?) y vio como una pequenya parte de esa radiacion rebotaba casi frontalmente. Recuerdo la frase de Rutherford: "Es como lanzar misiles contra un papel de fumar y que reboten". Era Rutherford o estoy mezclando vagos recuerdos?

Una duda: No me ha quedado clara la equivalencia entre radiacion alfa y helio. Rutherford queria demostrar que era lo mismo, sin embargo, por su experimento, la radiacion alfa atravesaba la primera capa de cristal, mientras que el helio no la atravesaba. No me queda del todo clara esa equivalencia entonces.


De: J
2011-05-19 12:36:52

Argus: la explicación que se me ocurre (que no tiene por qué ser correcta) es que el helio gaseoso simplemente está ahí, quietecito. Hombre, tenderá a expandirse, como gas que es, pero no violentamente. Sus direcciones serán caóticas, unos contra la pared, pero otros hacia dentro. Pasarán la pared "por difusión", si es que pasan. En cambio, la radiación alfa, aunque también sean núcleos de He, van a toda pastilla contra la plancha... es más fácil que la atraviesen.


De: Angel
2011-05-19 12:46:59

kemero: a ver si puedo explicarlo sin complicarlo demasiado. Empecemos con el asunto de los neutrones: un neutron aislado es una particula inestable. Fuera del núcleo atómico un neutron tiene una vida media de 15 minutos (por eso no se suelen observar neutrones sueltos por el Universo). Sin entrar en detalles, digamos que es la presencia del resto de nucleones el que da estabilidad al neutrón.

Como bien has dicho, la radiactividad esta directamente relacionado con el tamaño del núcleo. Si este tiene demasiados nucleones, o un desequilibrio fuerte entre neutrones y protones, la fuerza nuclear no puede mantenerlos unidos. ¿Qué sucede entonces en el núcleo atómico cuando hay un decaimiento beta? Pues básicamente que hay un neutron "suelto" en un nivel de energía nuclear "elevado" (el nucleo tiene niveles de energia donde se "colocan" los nucleones, análogos a los niveles de energía del átomo donde se colocan los electrones), donde la interacción de ese neutron con los demás nucleones es pequeña. Por lo tanto, ese neutrón acabará decayendo en protón más electrón. El protón se queda en el núcleo y el electrón sale disparado.


De: Angel
2011-05-19 13:02:28

Argus: sí, era Rutherford. Ese experimento fue la primera evidencia de que los átomos tienen un núcleo que contiene la mayor parte de su masa y toda la carga positiva.


De: kemero
2011-05-20 17:47:07

Angel, nuevamente gracias por la explicación, la verdad que me abre nuevas preguntas pero la original ha sido contestada con mucha claridad. Gracias :)


De: Premios Nobel – Química 1912 (Victor Grignard y Paul Sabatier) | El Tamiz
2012-09-27 17:02:21

[...] Buchner por ser capaz de producir una fermentación artificial –no celular–, y en 1908 Ernest Rutherford por su hipótesis de la desintegración radiactiva. Wilhelm Ostwald recibió el galardón de 1909 [...]


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