Breve Historia de la Radiactividad

Autores: José María López Sancho / Esteban Moreno Gómez

Se presenta, de forma breve, la historia de uno de los grandes descubrimientos científicos del siglo XIX, la Radiactividad.
Comenzando con el descubrimiento del Uranio por el profesor Klaproth, el descubrimiento de los rayos X por Röntgen y comentando los experimentos de Bequerel o J.J. Thomson conseguiremos entender mejor este fenómeno.

Klaproth

1743. Martion Heinrich Klaproth, profesor de química en la Universidad de Berlín, analizaba la pechblenda de las minas de oro de Bohemia y cree descubrir un nuevo metal que añade a los 14 conocidos. Lo llama uranio en honor de Willian Herschel, que había descubierto el planeta Urano en 1781. En realidad el polvo negro que obtuvo Klaproth era óxido de uranio.

1841. El francés Eugéne Peligot descompone el óxido de uranio de Heinrich y obtiene por primera vez el metal puro. Aplicando las modernas teorías publicadas por Dalton en 1808. Resulta que un átomo de uranio tiene una masa equivalente a 238 átomos de hidrógeno; lo que le convierte en el átomo más pesado en esa época. 1855. El alemán Heinrich Geissler inventó bombas de vacio que podrían producir presiones tan bajas como algunas milésimas de milímetro de mercurio en tubos de vidrio. Heinrich construyó, con ayuda de sus bombas, los primeros tubos de descarga, equivalentes a los que se emplean en la actualidad para anuncios luminosos en diferentes comercios. El aire a presión atmosférica es un buen aislante para conseguir que salte una chispa entre dos electrodos. Es necesario aplicar unos 1000 voltios por milímetro.

Cuando la presión del gas se disminuía al máximo, el tubo permanece oscuro y solo se observa una luminosidad misteriosa en la región opuesta al cátodo.

1858. Jolins Plucher observó que el resplandor de un tubo de Geissler se podía desviar con ayuda de un campo magnético.Como ese resplandor parecía producirse por algo que salía del cátodo, a ese algo se le llamó rayos catódicos. 1869. Wilheln Hittof, alumno de Plucher, descubrió que los misteriosos rayos catódicos no atravesaban las láminas de metal. 1879. Este efecto lo hizo famoso William Crookes cambiando la disposición de los electrones como indica la figura.

También construyó tubos en los que los rayos catódicos hacían girar una ruedecilla de paletas, demostrando que tenían masa. William había descubierto el talio en1861, entre otros descubrimientos. En 1879 escribió en un artículo titulado "Materia radiante o el cuarto estado de agregación" que los rayos catódicos constituían un nuevo estado de la materia, refiriéndose a que era diferente a los tres conocidos: sólido, líquido y gaseoso.

Röntgen

1885. Wilhem Conrado Röntgen descubrió los rayos X. Estaban estudiando las características de la luz que salía de los tubos de rayos catódicos, para lo cual había cubierto un tubo de Crooke con cartón negro, dejando solamente una pequeña abertura. Con el laboratorio apagado determinaba la posición del rayo con ayuda de un circulo de papel fluorescente pegado a un palillo. El papel estaba pintado con platiocianido de bario, una sustancia fluorescente.

La fluorescencia es una propiedad que tienen algunas substancias que consiste en emitir una luz de color o frecuencia diferente a la que reciben. Un ejemplo de este material es el que forma la capa blanca de los tubos fluorescentes. En el interior de estos tubos hay un gas (vapor de mercurio de baja presión). Los átomos de mercurio, excitados, producen luz ultravioleta, no visible. Pero al chocar los fotones ultravioletas con el material fluorescente son absorbidos, excitando los átomos del material. Al desexcitarse emite fotones de colores visibles. En uno de sus experimentos Röntgen observó que cuando aplicaba tensión al tubo de rayos catódicos no solo se iluminaba el trocito de papel que estaba enfrente de la ventana hecha en el cartón, sino también los que estaban por los alrededores, incluso debajo de la mesa. Como los rayos catódicos no se propagaban por el aire a presión atmosférica, Röntgen sacó la conclusión de que se estaban produciendo otros rayos que atravesaban no solo el cartón sino incluso la madera de la mesa. Como desconocía su naturaleza los llamó rayos X y se dedicó a estudiarlos en profundidad.

En Diciembre de 1885 publicó un trabajo titulado "Sobre una nueva clase de rayos" Röntgen descubrió que los rayos X se propagan en línea recta, que impresionan los negativos fotográficos, que no son sensibles al campo magnético y, sobre todo, que son extremadamente penetrantes, para que fueran parcialmente absorbidos por los materiales. Los huesos absorben más radiación que los tejidos blandos y eso le permitió obtener la primera radiografía de la historia, el 22 de Diciembre de 1895: era la radiografía de una mano de su esposa. A Röntgen le concedieron el primer premio Nóbel de la historia, en 1901; cedió el dinero asociado al premio a la Universidad de Würzburg. Hasta 1912 no se descubrió la verdadera naturaleza de los misteriosos rayos X; son radiaciones como las de la luz, pero de longitud de onda más corta pero esto es adelantar acontecimientos.

Bequerel

En 1852 nació Antoine Henrs Bequerel. Era nieto de Antoin César Bequerel, profesor del Museo de historia Natural de Paris. Antoine César estaba fascinado por los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia a los que dedicó mucho trabajo y esfuerzo. Cuando se jubiló, su hijo Edmond continuó con sus investigaciones empleando nuevos materiales como algunos objetos de uranio. Cuando a Edmond le llegó la edad del retiro, le sucedió en la cátedra su hijo Antoine, que había comenzado como profesor nada menos que en la École Politenique, a los 23 años.

Mantuvo la tradición familiar de trabajar materiales fluorescentes, sobre todo después del descubrimiento de los rayos X por Rötengen. En aquel momento se pensaba que los rayos X se generaban como resultado de la fluorescencia del vidrio del tubo de Crookes, por lo cual, pensó Bequerel, otros materiales podrían producir también rayos X; puede no ser muy probable, pero ciertamente, es posible y sin duda suficientemente sencillo de verificar como para poner manos a la obra. El procedimiento que siguió Bequerel era simple y eficaz: 1) Colocaba un material fluorescente sobre una placa fotográfica encerrada en un envoltorio de cartón negro, de forma que no le llegase ninguna luz. 2) Colocaba el conjunto de placa, envoltura y sustancia fluorescente en un lugar iluminado por el sol. Si el material producía rayos X, estos impresionarían la placa fotográfica que aparecería velada al nivelarla. Durante mucho tiempo, ensayó y ensayó utilizando todo tipo de compuestos fluorescentes, pero las placas no se velaban. Hasta que en Febrero de 1896 decidió utilizar la sal de uranio que había sintetizado su padre algunos años antes. En la última semana del mes pesó dos cristales fabricados por su progenitor sobre una placa fotográfica forrada con el cartón negro, y situó una moneda de plata debajo de cada cristal. Aprovechó el débil sol de Febrero para iluminar el conjunto durante varias horas y reveló la placa. En la fotografía se veía las siluetas de las dos monedas rodeadas por la mancha negra del resto de la placa, velada pensó, por los rayos X emitidos por los cristales fluorescentes. Los días 26 y 27 de Febrero preparó sus muestras para repetir el experimento. Pero durante esos días el cielo permaneció nublado y dejo las placas en el cajón. El día 1 de Marzo el día seguía oscuro y Henri, cansado de esperar, las expuso a la poca luz solar que podría atravesar las nubes y las llevó a su laboratorio fotográfico. Esperaba encontrar las siluetas de ambas monedas, pero marcadas de forma mucho más tenue debido a la poca luz recibida. Pero en cambio, se encontró con la sombra de las dos monedas mucho más contrastadas que en el experimento anterior realizado con un sol brillante. En un instante Henri Bequerel se dio cuenta de que la imagen era más fuerte porque la sal de uranio había estado tres días sobre la placa, en vez de unas horas. El sol no tenía nada que ver. La sal de uranio emitía algún tipo de rayos que impresionaba las placas fotográficas.

Los rayos emitidos por la sal de uranio eran, en realidad, emitidas por los átomos de uranio. Y cuando pasaban a través de un gas lo hacían conductor como los rayos X. El fenómeno descubierto por Antoine Henry Becquerel se conoció con el nombre de radiactividad. Le nombraron miembro de la Real Sociedad de Gran Bretaña y de las Academias de Ciencia de Berlin, Roma y Washington. También le fue concedido el Premio Nóbel en 1903. En 1908 fue nombrado Presidente de la Real Academia de ciencias de su país. En sus escritos describió su obra como "la lógica descendencia de la labor de mi padre y de mi abuelo sobre fosforescencia y sin su labor mis trabajos descubiertos habrían sido imposibles." El camino de la radiactividad estaba abierto. Cuando Becquerel realizó experimentos en 1896, los resultados fueron tan importantes como inesperados, pero no podían ser entendidos, simplemente, porque los conocimientos que se tenían al final del siglo XIX no eran suficientes. El mapa conceptual necesario para comprender el fenómeno estaba incompleto por el lado de los conocimientos básicos, conocimientos que se fueron adquiriendo a lo largo del siglo XX, como veremos. Por esa razón la radiactividad se añadió a los rayos catódicos ya los rayos X en la lista de "problemas sin resolver". Pero sigamos con nuestra historia...

En 1897 J.J. Thomson dirigió uno de los más bellos experimentos de física de todos los tiempos: descubrió el "electrón", la primera partícula elemental, y vio que tenía carga eléctrica y asimismo, masa y así determinó la relación de carga y masa. Nosotros vamos a recrear el experimento de Joseph John Thomson paso a paso, no sin citar a su ayudante de laboratorio Ebenezzer Everett, experto en soplados de vidrio y magnífico aparatista que construyó la mayoría de los aparatos que J.J. diseñaba. Y es que el profesor Thomson no se caracterizaba por su habilidad manual, de hecho, Ebenezzer solía mantenerlo, sabiamente, a una distancia prudente de los aparatos. El aparato que utilizó J.J era similar al mostrado en la figura al lado de su representación esquemática:
Cuando J.J. conectó el polo negativo del generador de 100 voltios al cátodo y el polo positivo al cilindro que hacía de ánodo, el haz de rayos catódicos produjo en la pantalla una franja iluminada en su centro. Hasta aquí nada nuevo ocurría. Los rayos catódicos, fuesen los que fuesen, salían del cátodo o polo negativo del tubo, pasaban por la rendija y pasaban a la pantalla, donde producía la luminiscencia correspondiente.

A continuación Thomson conectó el segundo generador a los extremos de las placas deflectoras. D1 y D2. Al hacerlo la imagen de la rendija se desplazó hacía la parte de la placa de deflexión unida al polo positivo. Animación (flash).

La conclusión fue inmediata: los rayos catódicos tenían carga negativa, puesto que eran atraídos por la placa positiva y repelidos por la negativa. Pero si esto era cierto, el paso de las cargas que se desplazaban desde el cátodo hasta el ánodo debía ser equivalente a una corriente eléctrica que se desplazaba por un cable. Y sabemos que, de acuerdo con los experimentos de Faraday, cuando un cable conduce una corriente eléctrica y se sitúa cerca de un imán, el cable se mueve.

¿Pasaría lo mismo con los rayos catódicos? J.J. Thomson lo averiguó rápidamente colocando un imán en la forma indicada en el esquema (en realidad colocó un electroimán, que permitía variar la intensidad del campo magnético).

El experimento

Y, efectivamente, la imagen de la rendija se desplazó hacía abajo, como corresponde al efecto de un campo magnético sobre una carga negativa en la condiciones de la figura. Manipulando los voltajes de los tres generadores, el primero unido al cátodo y ánodo el de las placas deflectoras y el que produce el campo magnético, se entendía perfectamente lo que estaba ocurriendo: 1) En la región del cátodo se producían partículas negativas de carga e y masa m a las que llamaremos electrones.  2) Los electrones repelidos por el cátodo negativo y atraídos por el ánodo positivo, se aceleran hacia la pantalla con una velocidad que depende del voltaje aplicado entre el ánodo y el cátodo. 3) Cuando los electrones, animados de una velocidad v, pasan por la región de las placas deflectoras, sufren una fuerza igual al producto del campo eléctrico por la carga E · e. Esta fuerza produce una aceleración a= F/M y es muy sencillo calcular el punto en que el electrón impacta en la pantalla, en función de e y m si se conoce v.

Como e y m son desconocidos, pero el ángulo de deflexión se puede medir, se obtiene la relación e/m. Pero J.J. Thomson no conocía la velocidad de los electrones, por eso empleó también el efecto del campo magnético sobre el electrón, que depende asimismo de la velocidad, carga y masa.
En el caso de una carga en movimiento, el electrón dentro de una región con un campo magnético B, la fuerza es perpendicular a la velocidad del electrón e igual al producto e · v · B. En la situación experimental que diseñó Thomson, el efecto del campo magnético podía anular el efecto del campo eléctrico. e · E = - e · v · B de donde obtuvo el valor de la velocidad, v= E/ B Conocida la velocidad, con cualquiera de los dos experimentos de deflexión podía obtener e/m.
En el caso del efecto del campo eléctrico, es la fuerza del campo, F actúa sobre el electrón durante el tiempo que tarda en recorrer la longitud de placas, es decir T = d/v y como la fuerza F = e · F la aceleración es F/m, durante el tiempo T adquiere una velocidad vertical  V · v= a· t = e · E· t/m, de donde se decuce R /m.
Por un procedimiento semejante se puede deducir e/m del resultado de la deflexión producida por un campo magnético.
La fuerza F = e· V · B produce una aceleración perpendicular siempre a la velocidad, de valor a = e· v· B/m Pero una aceleración perpendicular a la velocidad produce un movimiento circular uniforme, cuyo radio se calcula parcialmente, cuyo radio se calcula fácilmente igualando la fuerza magnética, que es la fuerza centrípeta, a la fuerza centrífuga. a = e·v·B = m·v2/ r ; e·B =m·v/r siendo el radio de la trayectoria: r = m·v/e· B
En la figura se ve fácilmente que la longitud de la región del campo B cumple la condición: l=r·sen(a); a = arcsen(l/r) J.J. Thomson nació en 1856 en Manchester donde su padre era editor y tenía una librería de libros antiguos: Murió en Agosto de 1940 y está enterado en la Abadía de Westminster, cerca de las tumbas de Newton y Darwin. Pierre Curie y Marie Sklodowska Se casaron el 26 de julio de 1895, un año antes del descubrimiento de la radiactividad. Por su amigo Henri Becquerel y el mismo año en que Röntgen obtuvo la primera radiografía. Pierre tenía 36 años y Marie 28. En 1897 nació su primera hija, Irene, destinada a ser igualmente importante para la ciencia, y ese mismo año Marie decidió elegir la radiactividad como tema para su tesis doctoral, descubierta por Becquerel en un laboratorio cercano al suyo. Becquerel había utilizado en sus experimentos sales de radio y el objetivo de Marie era encontrar otras sustancias que fueran igualmente radiactivas. Becquerel utilizaba el hecho de que la radiación emitida por el radio velaba las placas fotográficas, para detectar la presencia de radiación. También había descubierto que esa radiación, al igual que los rayos X, cuando atravesaban el aire lo hacían conductor, y fue precisamente esa propiedad la que ultimaron los Curie para detectar la posible actividad radiactiva de una sustancia. Los primeros aparatos que diseñaron eran sencillos de construir y de manejar. Consistían básicamente en un condensador plano formado por una placa conectada a una tensión conocida y la otra placa, perfectamente aislada, conectada a tierra a través de un electrómetro. En el laboratorio de Amaniel se encontraban algunos de estos electrómetros, que pueden verse en nuestracolección. El procedimiento para medir la actividad de una muestra era el siguiente: Se reducía a polvo la muestra y se depositaba una cantidad bien determinada sobre una de las placas del condensador, en forma de polvo. La radiación emitida por la muestra hacía conductor el aire que había entre ambas placas, produciéndose una corriente eléctrica que era medida por el electrómetro. Si una determinada sustancia producía el doble de la corriente era debido a que su actividad era dos veces más alta. Los trabajos de los Curie comenzaron en 1897, sometiendo a la prueba del electrómetro todo tipo de metales y minerales. En Abril del año siguiente encontraron actividad radiactiva en el torio un metal aislado en 1829 por J.J. Berzelins y bautizado así en honor a Thor, dios del trueno. Pero en la universidad de Manster, el profesor de Gerhardt Carl Schmidt había hecho el mismo descubrimiento un mes antes. Continuaron con sus medidas pero decidieron que debían aumentar la sensibilidad de sus aparatos . Para ello, debían disminuir el límite inferior de corriente que podían detectar hasta corrientes del orden de 10-12 Amperios.

Después del descubrimiento de la actividad radiactiva del torio y a pesar de que continuaron probando todos los elementos conocidos, no encontraron ninguno cuya radiación pudiera detectarse con sus instrumentos. Tal vez no existían más elementos radiactivos, entre los conocidos hasta entonces, o tal vez sus instrumentos no fuesen suficientemente sensibles para detectar su radiación. Y decidieron actuar en ambos frentes: buscando elementos nuevos, todavía desconocidos y aumentando la sensibilidad de sus detectores. Como hemos indicado, la forma de medir la emisión radiactiva de una muestra se basaba en los siguientes hechos: 1) La muestra emitía una radiación de la naturaleza desconocida. 2) Esa radiación cualquiera que fuese su naturaleza, provocaba en el aire un proceso de ionización que lo hacía conductor.  3) La ionización que la radiación producía en el aire era proporcional a la cantidad de radiación de la muestra. Un miligramo de sustancia producía la mitad de ionización que dos miligramos de la misma sustancia.  4) Como resultado de estas consideraciones, la medida de la conductividad del aire era proporcional a la actividad radiactiva de la muestra. Los Curie determinaban la conductividad del aire, como hemos dicho, midiendo la corriente de saturación que pasaba entre las dos placas paralelas sometidas a la radiación de la muestra. A mayor corriente mayor actividad y viceversa. Si querían detectar actividades muy bajas debían ser capaces de medir corrientes muy débiles, del oren de 10-12 A (una billonésima de amperio). Esto era imposible en aquel tiempo en que era difícil detectar corrientes menores de 10-12 Amperios. Debían inventar algún procedimiento para aumentar la sensibilidad de sus detectores. Pierre resolvió el problema, utilizando uno de sus grandes descubrimientos : la piezoelectricidad. A la edad de 21 años , en 1880, trabajando con su hermano Paul-Jacques, habían descubierto que cuando se comprimían los cristales de turmalina y de cuarzo tallados de forma apropiada, producían una diferencia de voltaje entre las caras opuestas. Igualmente cuando se les aplicaba una diferencia de potencial a esas caras, el cristal se contraía o expandía, de acuerdo con la polaridad. Basándose en el hecho de que medir una corriente es más difícil que decidir cuando existe una corriente y cuando no existe. Pierre Curie diseño el siguiente aparato:

Con este nuevo tipo de instrumentos comprobaron que la actividad de una sustancia dependía exclusivamente dl contenido de uranio y de torio. Es decir, que en la actividad no influye para nada la fórmula química, solo el número de átomos del elemento radiactivo. A continuación estudiaron cuatro minerales del uranio: pechblenda, calcolita , carnotita y autunita , de los cuales se conocía la composición química y, por lo tanto, el número de átomos de uranio que contenían. En contra de lo esperado, los cuatro presentaban una actividad superior a la que correspondía a su contenido de uranio, alguna casi cuatro veces más elevada. Era obvio lo que estaba sucediendo. En palabras de Marie Curie: “Era, pues,probable, que esos minerales podían contener una pequeña cantidad de un elemento radiactivo diferente del uranio y del torio”.

Fuente: http://museovirtual.csic.es/coleccion/amaniel/radiactividad/radio1.htm 

--------------