Hacia la Regla de Oro: Química y Radiación

Maria Salomea Skłodowska-Curie, mejor conocida como Marie Curie.
Imagen tomada de: http://imworld.aufeminin.com/dossiers/D20130221/Marie-Curie-165411_L.jpg
Hacia la Regla de Oro: Química y Radiación
Carlos Velázquez
Actualmente todos sabemos del dramático poder de las armas nucleares y de la
inmensa capacidad para producir energía de las centrales nucleares, también
sabemos que éste es un gran logro de la física. Pero como en todo gran
descubrimiento, debemos sospechar que el mérito no le corresponde a una sola
disciplina científica y que detrás de él hay muchas historias que contar, aquí
relataremos algunas de ellas.
Radiactividad natural
Bueno, comencemos las preguntas, ¿De dónde proviene la radioactividad? ¿Dónde
fue observada por vez primera? ¿Hay fuentes naturales de radioactividad? ¿Cuáles
fueron los primeros elementos radioactivos? Iremos por partes.
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El primero en observar lo que llevaría al descubrimiento de la radiactividad fue
Wilhelm Conrad Röntgen, un físico alemán, nacido en Lennep en 1845. Realizó su
educación en varios países de Europa, pero finalmente regresó al Instituto de
Física de Wursburgo en su Alemania natal. En el año de 1895 Röntgen
investigaba qué pasaba al aplicar una gran diferencia de voltaje en tubos al
vacío. Los tubos tenían una terminal metálica en la que había carga negativa por
exceso de electrones, llamada ánodo, y otra en la que había carga positiva por
carencia de electrones, llamada cátodo, y por ello se formaba un poderoso
campo eléctrico. Notó que en el cátodo se generaban rayos invisibles, que hacían
que unas sales de platino-cianuro de bario, que estaban en su escritorio por
casualidad, se iluminaran.
Con esto Röntgen generó los que después se
llamarían rayos X. (Por cierto, si quieres leer una historia divertida acerca de otro
descubridor de rayos invisibles lee “Hasta con los ojos cerrados”, aquí en
Cienciorama).
Le debemos a Röntgen el descubrimiento de los Rayos X. En la primera ilustración
podemos ver el aspecto de uno de los primeros aparatos de Rayos X.
Imágenes tomadas de:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4a/WilhelmR%C3%B6ntgen.JPG
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http://www.med-etc.com/med/ziv-u-korr/medizinkartell/04-d/006-roentgenapparatstrahlenlampe-hand-photoplatte.jpg
De una manera muy sucinta, lo que pasaba es que el campo eléctrico producido
era tan fuerte que arrancaba electrones de la punta metálica cargada
negativamente y éstos, al estrellarse contra la parte positiva, producían los rayos
X. Esta forma de producción de rayos X no es propiamente un fenómeno
radiactivo, pero
fue un paso en dirección a la observación de efectos físicos de
más alta energía. A la iluminación que se desprendía de la sal de platino -cianuro de bario -- al ser irradiada por los rayos X, se le conoce como
fluorescencia. Este mismo fenómeno ocurre en otros compuestos que al
iluminarse con luz ultravioleta reemiten luz pero en frecuencias visibles.
Los rayos X causaron sensación en el mundo de la física porque se podían usar
junto con el equipo
fotográfico normal de aquella época para producir
fotografías de los huesos, y muchos científicos replicaron el aparato de Röentgen
para hacer investigaciones. Sin embargo, los más grandes descubrimientos suelen
tener rutas algo inesperadas y el siguiente paso se daría un año después. Henri
Becquerel era uno más de los entusiastas del nuevo descubrimiento, pero pensó
que podía obtener resultados más interesantes estudiando materiales
fosforescentes sin ayuda del aparato de Röetgen. La fosforescencia es un
fenómeno parecido a la fluorescencia, la diferencia entre un material fluorescente
y uno fosforescente es que cuando iluminamos uno fluorescente, éste reemite luz
inmediatamente, mientras que un material fosforescente puede tardar más tiempo
para empezar a reemitir, pero también durará más tiempo iluminando.
Becquerel pensaba que algunos materiales reemitirían los famosos rayos X de
Röetgen después de exponerlos al sol. Así que reunió muestras de muchos
materiales que se sabía que eran fosforescentes y los comenzó a analizar. Su
método era ponerlos al sol y esperar a que emitieran, para después ponerlos
sobre una placa fotográfica y ver si producían el mismo efecto que los rayos de
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Röetgen. Es curioso notar que fue esta labor de recolección la que finalmente lo
llevaría a un descubrimiento sorprendente. Entre otros minerales, Becquerel
consiguió unas sales de uranio (potasio uranil sulfato K2UO2 (SO4)2). El uranio en
esa época era sólo un elemento más, con la particularidad de ser el último de la
tabla periódica y el de mayor peso molecular. Becquerel sometió al uranio al
mismo método que sus demás compuestos, o sea, lo puso al sol. Sin embargo,
como el tiempo era nublado, decidió que no valía la pena hacer el experimento y
dejó la muestra dentro de un cajón de su escritorio. Consideraba que con poca
luz el fenómeno de fosforescencia no se realizaría plenamente. La placa
fotográfica quedó junto a la sal, separada por una cobertura. El experimento se
retrasó muchos días, y cuando Becquerel retomó las sales y la placa, ¡notó que
esta última estaba velada a pesar de que no había recibido la luz del sol! Era
como si por ahí cerca hubiera una fuente de rayos X que él no hubiera
detectado.
Después de esto, buscó la causa de este hecho inesperado y finalmente
descubrió que la sal de uranio era la causante de este comportamiento, y por lo
tanto pensó que este compuesto emitía los dichosos rayos X, o algo parecido a
éstos, sin necesidad de ponerlo al sol. Esto era algo muy curioso, como si la sal
misma --y ahora sabemos que específicamente es el uranio-- se comportara como
un tubo de rayos de Röetgen.
En realidad, y Becquerel no tardó mucho en notarlo, el uranio no emite rayos X,
sino otro tipo de rayos (ver "Hacia la Regla de Oro 2: El experimento de la Hoja
de Oro"), pero en ese momento los rayos X eran lo más parecido que existía
para comparar y hacerse una idea. Por el momento estos rayos se conocieron
como rayos Becquerel.
En su momento se pensó que estos dos fenómenos deberían estar relacionados,
ya que producían efectos semejantes (velaban las placas fotográficas), pero ahora
sabemos que la producción de rayos X no es un fenómeno radioactivo y que la
emisión de los rayos del uranio sí lo es.
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En efecto, aunque hay que pensarlo dos veces, la explicación es sencilla: en el
caso del tubo de Röetgen los rayos se producen sin la participación del núcleo
atómico, ya que lo que hacemos es arrancar electrones y estrellarlos
violentamente contra otros electrones. En el caso del uranio, lo que tenemos es
que algunos núcleos de uranio se desintegran, convirtiéndose en núcleos con
diferente número de neutrones y protones, liberando energía que se transporta en
forma de rayos.
¡Ta-tan! ésta sí es la clave de lo que llamamos radioactividad: emisión de algún
tipo de partícula o radiación electromagnética debido a un cambio en las
propiedades del núcleo atómico. En ese momento Becquerel no tenía idea de que
había descubierto la radioactividad, sólo se dio cuenta de que hay fuentes
naturales de radiación parecida a los rayos X. Para establecer firmemente la
naturaleza de este fenómeno tenían que pasar todavía un par de años, cuando
nuevos personajes aparecerían en escena...
Aspecto de la placa fotográfica velada obtenida por Becquerel. La forma de cruz (un poco
difusa en la mancha de abajo) se debe a que entre el mineral con uranio y la placa
había una cruz de metal. Becquerel descubrió esta propiedad del uranio mientras hacía
observaciones con minerales fosforescentes.
Imágenes tomadas de:
- http://es.wikipedia.org/wiki/Henri_Becquerel#mediaviewer/File:Becquerel_plate.jpg
- http://sobrecolores.blogspot.mx/2012/07/fosforescencia-y-fluorescencia.html
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Amor, bicicletas y radioactividad
El 26 de julio, día del asalto al cuartel Moncada, pero de 1895, contrajeron
nupcias un ciudadano francés y una emigrante polaca. En su boda los parientes
les regalaron algo de dinero con el que compraron un par de bicicletas con las
que recorrieron Francia. El hecho no tendría mayor trascendencia para nuestra
historia si no fuera porque este matrimonio revolucionaría el campo de la
radioactividad, al punto de que acuñaron el término radioactividad. Ellos eran
Maria Salomea Skłodowska-Curie, mejor conocida como Marie Curie, y Pierre
Curie.
Los esposos Pierre y Marie Curie, mostrando dos de sus más destacadas facetas.
Imágenes tomadas de:
http://www.bonzasheila.com/stories/images/mariepierrecurie1.jpg
http://www.todayifoundout.com/wp-content/uploads/2013/09/marie-curie.jpg
Marie tuvo una de las historias más apasionantes en el ámbito de la física. Nació
en 1867 en una Polonia que nominalmente había dejado de existir y cuyos
territorios habían sido repartidos entre los países que la circundaban: Rusia, el
imperio austrohúngaro y Prusia (la moderna Alemania). Marie nació en un círculo
donde se defendía la identidad polaca y se deseaba la independencia de Polonia.
Estudió en la llamada Universidad Voladora (Uniwersytet Latający) de Varsovia,
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que era un proyecto educativo clandestino que trataba de dar educación a
algunos habitantes polacos fuera del marco de la educación rusa.
Después de esta primera etapa de su educación, Marie se trasladó a París en
1891, donde dos años después consiguió licenciarse en física y al siguiente año
en matemáticas. Un año después se casó con Pierre, y el siguiente Marie y él
decidieron que el tema de investigación doctoral de ella sería los rayos X y las
propiedades de los compuestos descritos por Becquerel.
El mineral prodigioso
En esta época la minería, la química y la física trabajaban conjuntamente en el
nuevo campo que sería conocido como radiactividad. Los Curie decidieron
emprender sus trabajos con un mineral que contiene uranio, y que después
mostró que tenía mucho más que eso: la pechblenda. El trabajo duró varios años
y fue altamente fructífero.
Los Curie trabajaron varios años aislando elementos radioactivos a partir del mineral
conocido como pechblenda. Imagen tomada de:
http://agrega.educacion.es/galeriaimg/d1/es_20071227_1_5017810/es_20071227_1_5017810_captured.jpg
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La pechblenda es un material sumamente curioso, ya que en las profundidades
de las minas se puede distinguir por las pequeñas trazas amarillas que
desprenden luz --causadas por la radiactividad de sus componentes, como luego
se supo-- y que usualmente era considerado como desecho, pues se encontraba
en minas asociadas a otros minerales. Lo primero que notaron los Curie es que
la pechblenda completa emitía más rayos X que todo el uranio que se extraía de
ella, por lo que sospecharon que otro elemento debía ser el causante del resto
de la radiación. Marie continuó con su trabajo de separación de elementos.
Durante sus trabajos, los Curie aislaron torio, un elemento conocido, y mostraron
que también emitía radiación. Los siguientes escalones en su investigación
implicaron el aislamiento de dos elementos completamente nuevos; el primero de
ellos, descubierto en 1898, fue nombrado polonio en honor a la tierra natal de
Marie Curie. Los Curie pretendían dar impulso al reconocimiento de la nación
polaca mediante este nombre, y es el primer elemento químico que ha recibido
su nombre por razones políticas,
Polonia volvería a existir como estado nacional
20 años después, en 1918 al término de la Primera Guerra Mundial. Ese mismo
año los Curie descubrieron el radio, un nuevo elemento, un millón de veces más
radiactivo que una misma cantidad de moléculas de uranio.
Fue por estos mismos años cuando Marie Curie acuñó el nombre de
radioactividad para describir el nuevo fenómeno; el nombre hace referencia al
hecho de que los rayos X --y las partículas, como se descubriría más adelante-surgen de los elementos en cuestión y siguen trayectorias radiales, de modo que
pensamos en el emisor como si estuviera en el centro de una esfera.
Para redondear la historia diremos que en 1903 Marie defendió su tesis doctoral
”Investigación sobre las sustancias radiactivas”, y además de su grado obtuvo una
mencion cum laude
--destacada. Marie fue la segunda mujer en el mundo en
obtener un doctorado en física después de la alemana Elsa Neumann.
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Avances y pendientes
En este punto vale la pena volvernos a plantear preguntas: ¿entendían Pierre y
Marie
la radiación de la misma manera en que la entendemos hoy? La verdad
es que no. Los Curie sabían que se encontraban ante una nueva propiedad,
equivalente en algunos sentidos a los rayos que Röetgen había generado hacía
algunos años, pero que también entrañaba cosas completamente nuevas. Había
elementos que emitían rayos X de manera natural, pero también otras cosas, y
en ese momento no había manera de entender cómo pasaba ya que ni siquiera
había una teoría consistente acerca de la forma de los átomos, e incluso había
quien dudaba de su existencia misma.
Al descubrimitento de los elementos radioactivos siguió un entusiasmo que tuvo algunas
consecuencias negativas. Hubo muchos productos a los que se incorporó pequeñas
cantidades de radio, como relojes, y estos terminaron afectando la salud de sus usuarios.
Imagen tomada de: - http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/88/Radium_Dial.jpg
Los Curie formaban parte de una cadena de investigadores que poco a poco se
fueron acercando al descubrimiento del núcleo, las partículas elementales y las
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reacciones nucleares, pero para que esto pasara primero tendrían que darse
otros descubrimientos dramáticos y teorías que muchas veces parecían
descabelladas, entre ellas se encontraban las ideas de cuantización de Plank y la
teoría de la relatividad de Einstein. Más adelante nos encontraremos con otro
físico que se enredó en toda esta maraña de fenómenos atómicos, Enrico Fermi,
gestor de la famosa Regla de Oro. Por ahora es todo, les recuerdo que deben
mantener los ojos bien abiertos y hacer preguntas impertinentes, hasta entonces.
Bibliografía

Marilyn Bailey Ogilvie, “Marie Curie, una biografía“, descargado de:
http://www.librosmaravillosos.com/mariecurie/pdf/Biografia%20de%20Marie%20Curie
%20-%20Marilyn%20Bailey%20Ogilvie.pdf

María del Carmen Binda, “Marie Curie, una mujer pionera en su tiempo”,
Revista
Argentina de Radiología, volumen 73, número 3 (2009), 265-270.

Laura Vargas Parada, “Marie Curie: la dama del Radio”,
Revista Digital
Universitaria, octubre 2011.,volumen 12, número 10.
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