James Chadwick y el Neutrón

Universidad de Manchester – 1907

—Usted tendrá la oportunidad de tener un futuro brillante aquí, ¿conoce a Rutherford?

—Sí… sí, claro que lo conozco, es un gran científico.

—En el segundo año podrá disfrutar de algunas de sus clases magistrales y, si se aplica lo suficiente en sus estudios, podrá formar parte de sus experimentos. En esta universidad tenemos uno de los mejores laboratorios del país y tendrá todas las oportunidades que necesita. Señor Chadwick, aquí le espera un futuro brillante, espero poder verle por los pasillos en unos días.

—Pero… yo he venido a estudiar matemáticas —musitó el tímido Chadwick, aunque él era el único que permanecía en la habitación, dado que el profesor ya se había despedido con un cálido apretón de manos. James recogió su abrigo mientras pensaba en lo que le había dicho el profesor—. Quizás estoy equivocado, tendría grandes posibilidades aquí en Manchester estudiando física y siempre podría volver a las matemáticas.

A los 16 años de edad, Chadwick estaba dispuesto a iniciar su carrera universitaria como un brillante estudiante de matemática aplicada, pero el destino en forma de un profesor despistado lo llevó al mundo de la física. En Manchester, Chadwick tuvo sus primeros encuentros con Rutherford y conoció a Hans Geiger. También se interesó por los experimentos que Geiger y Marsden estaban llevando a cabo y que desembocaron en el descubrimiento del núcleo atómico. Una vez finalizada la carrera, Chadwick tenía una recomendación del propio Ernest Rutherford bajo el brazo y la intención de investigar sobre radiactividad. Su destino fue Berlín, donde lo esperaba Hans Geiger.

chadwick_postcard

Siempre se pasaban con el peine cuando hacían la foto oficial de la entrega del Nobel, pero la verdad es que a Chadwick lo sacan con planta de actor de cine negro.

Europa se encontraba en una situación convulsa y Chadwick fue llamado como oficial en la reserva del ejercito británico, pero decidió quedarse en Berlín. La Gran Guerra estalló y James no tuvo tiempo de salir de Alemania. La autoridades alemanas lo detuvieron acusándolo de espionaje y acabó junto a otras cinco personas en una cuadra. Fueron cuatro años en los que el frío y el hambre debilitaron su salud.

El final de la Primera Guerra Mundial significó la liberación de Chadwick y su regreso a Inglaterra. Rutherford había ocupado el puesto de Thomson en el laboratorio Cavendish y decidió contar con James para su nuevo equipo. Fue una época en la que se sucedieron importantes experimentos, llegando a realizar los primeros procesos de fusión de partículas provocados por el hombre. Pero no todo eran alegrías, Rutherford estaba convencido de la existencia de una partícula neutra que formaba parte del núcleo: el neutrón.

Bajo ciertas condiciones puede ser posible una combinación entre un electrón y un protón, mucho más cercanos que en un átomo de hidrógeno, formando una especie de doblete neutral. Este átomo tendría propiedades sorprendentes. Su campo externo sería prácticamente cero, excepto muy cerca del núcleo, y por tanto podría moverse libremente a través de la materia. Su presencia probablemente será difícil de detectar con el espectroscopio, y puede que sea imposible mantenerlo en un contenedor sellado… La existencia de estos átomos parece necesaria para explicar la formación de elementos pesados.

Extracto de Bakerian Lecture de Rutherford para la Royal Society en 1920

Como podéis ver, el neutrón era un concepto que ya rondaba la cabeza de Ernst Rutherford desde hacía muchos años, pero se resistía a todos los experimentos. Su falta de carga eléctrica hacía inservible la cámara de niebla y, a pesar de los innumerables intentos —algunos de ellos bastante locos y desesperados—, no había forma de encontrarlo.

Puede resultar extraño en los tiempos en los que vivimos ver a Rutherford describiendo el neutrón como la unión de un protón y un electrón. Sin embargo, hay que tener en cuenta que en la época en la que se realizaban estos experimentos se consideraba que los bloques constituyentes de la materia eran:

- el electrón

- el protón (un átomo de hidrógeno desprovisto de su electrón)

- la partícula alfa (un átomo de helio desprovisto de sus dos electrones)

- el fotón

Al ser el fotón una partícula neutra pero sin masa, lo lógico era pensar que el neutrón debía estar formado por la combinación de un protón y un electrón, de forma que tuviera masa y careciera de carga. Tampoco iba tan desencaminado el neozelandés, ya que pasados bastantes años se descubrió que el neutrón estaba formado por dos quarks down con una carga -1/3 y un quark up con una carga eléctrica +2/3.

La pista que completó el puzzle

Cavendish 1931

Ern levantó la vista del artículo. James estaba exultante.

—¡Son neutrones, Ern! ¡Son neutrones! La radiación gamma no puede producir esos efectos.

—Tenemos que repetir el experimento, James, lo antes posible.

—Vamos a encontrarlo, Ern, vamos a encontrarlo.

La pista que necesitaba Chadwick llegó de la mano del matrimonio Joliet-Curie. El experimento consistía en el bombardeo de un disco de berilio mediante la radiación alfa procedente de una fuente de polonio. En una de las pruebas colocaron una capa de cera de parafina delante de la cámara de ionización y el número de protones detectado en ella aumentó drásticamente. La explicación que daba el matrimonio Joliot-Curie en su artículo era que los protones eran producto de la acción de la radiación gamma sobre la cera de parafina, que al golpear con los átomos de hidrógeno los liberaba del compuesto original mediante un mecanismo similar el efecto Compton, pero en esta ocasión producido por un choque fotón-protón.

No obstante, esta explicación no cuadraba; la radiación gamma no podía ser suficiente para extraer el hidrógeno de la parafina. Chadwick intuía que eran los elusivos neutrones los que estaban golpeando la capa de cera de parafina y extrayendo el hidrógeno. Curiosamente ya se había hecho un experimento similar en Cavendish, pero la fuente de polonio no era tan potente como la usada en el experimento de Joliot-Curie. Rápidamente Chadwick empezó a trabajar en una réplica de este experimento y, durante una serie de días frenéticos y prácticamente sin descanso, James hizo todas las pruebas y configuraciones posibles con el experimento hasta conseguir la certeza de haber encontrado el neutrón.

Chadwick-experimento

Diagrama del experimento tal como lo presentó Chadwick en su artículo sobre el descubrimiento del neutrón. Ahora sé que dibujo tan mal como Chadwick, solo me queda ser tan buen físico como él (juas).

El experimento consistía de dos elementos: por un lado la fuente y por otro el detector. La fuente, como hemos dicho, se trataba de un disco con polonio que se enfrentaba a un disco de berilio que era más grande que el primero. El detector era una cámara de ionización. La parte variable del experimento era la forma de conectar ambos dispositivos. Además de colocarlos separados por una capa de cera parafina, Chadwick y sus colegas utilizaron también distintos tipos de metales y gases con el fin de ver las distintas respuestas que producían lo que suponían que serían neutrones al golpear las capas intermedias. Otra configuración del experimento que usaron fue sustituir la cámara de ionización pro una cámara de niebla, de forma que podían observar los caminos seguidos por los protones y calcular su velocidad.

Pero, ¿qué es lo que estaba sucediendo exactamente?

esquema_chadwick_neutron

En este esquema pueden verse los distintos componentes del experimento y las radiaciones y partículas que se producían:

A. Disco que contenía el polonio.

B. Disco en el que se situaba el berilio, su tamaño era más grande que el del polonio. Había dos razones: al ser más grande podía capturar más radiación alfa proveniente del disco y además era mucho más barato.

C. Capa de material situada entre el detector y la fuente. Normalmente se usaba cera de parafina, pero se probó con distintos materiales. Esta capa se aumentaba o se disminuía de tamaño para ver cómo variaban los resultados en el detector.

Detector. El detector normalmente era una cámara de ionización, pero también se usaron cámaras de niebla para visualizar la trayectoria de los protones.

Y lo que ocurría era lo siguiente:

1. El polonio emite radiación alfa, consistente en átomos de helio desprovistos de sus electrones.

2. Los átomos de helio se adentran en el disco de berilio y algunos de ellos chocan con un núcleo de berilio. El choque provoca una reacción que transforma el núcleo de berilio en carbono y desprende un neutrón (la letra K indica energía cinética):

 Be9 + He4 + K α = C12+ n1 + K de C12 + K de n1

3. Los neutrones despedidos por el berilio llegan a la capa de parafina y unos pocos chocan contra los átomos de hidrógeno presentes, haciendo que estos sean despedidos, el resto atraviesan la capa de parafina y continúan su camino.

Las distintas configuraciones usadas en el experimento empezaron a dar las pistas que necesitaba Chadwick:

- La velocidad con los que los protones eran despedidos de los distintos materiales era imposible obtenerla a partir de radiación gamma.

- El grosor de la capa de material que se situaba entre los dispositivos experimentales no hacía variar drásticamente los resultados, los neutrones solo interaccionaban con núcleos atómicos cuando prácticamente se producía una colisión directa. La falta de carga del neutrón hacía que esta fuera la única interacción posible.

Chadwick pudo asegurar que las reacciones que estaban ocurriendo en el experimento no se debían a la radiación gamma, sino a un nuevo tipo de partícula con una masa cercana a la del protón y sin carga eléctrica. Solo faltaba confirmar la masa de esa nueva partícula. Para ello el disco de Berilio fue sustituido por uno que contenía boro.

¿Por qué cambiar el berilio por boro? Ya se conocía el peso de un átomo de boro, mientras que no se conocía el del berilio. Aunque se producía un número de protones mucho menor cuando se usaba boro, tenían el dato que les faltaba para cercar la masa de la nueva partícula.

Masa de B11 + masa de He4 + K de α = Masa de N14 + masa de n1 + K de N14 + K de n1.

Esta igualdad debía producirse para que se cumpliera la ley de la conservación de la energía: la masa de un átomo de boro, más la masa de una párticula alfa, más la energía cinética de esta última tienen que ser iguales a la masa del nitrógeno producido, más la masa del neutrón y la energía cinética de ambos.

Los resultados confirmaron las sospechas: el neutrón tenía una masa similar al protón y una carga neutra.

—Por favor, dadme cloroformo y dejadme dormir un día entero.

James Chadwick a sus compañeros de laboratorio después de presentar los resultados finales

Curiosidades de la ciencia

En 1935, James Chadwick recibió el Premio Nobel de Física por el descubrimiento del neutrón.  El mismo año, el  matrimonio Joliot-Curie recibió el Premio Nobel de Química por su investigación y descubrimiento de nuevos elementos radiactivos.

Aunque Chadwick quiso que Rutherford apareciera en los artículos sobre el descubrimiento del neutrón, este se negó ya que consideró que el mérito debía ser para James. Este comportamiento no era ni mucho menos novedoso, en su momento tampoco dejó que Geiger y Marsden le incluyeran en el artículo que describió el experimento que a la postre llevó al descubrimiento del núcleo atómico.

Volando solo

Una vez descubierto el neutrón, la experimentación con partículas alfa estaba llegando a su límite. Eran necesarias mayores energías que las producidas por la radiación alfa para seguir desentrañando los misterios del núcleo. Rutherford no estaba demasiado de acuerdo con la nueva moda de los aceleradores de partículas debido a su alto coste, pero a regañadientes los aceptó y Cockcroft y Walton empezaron a trabajar en un acelerador lineal en Cavendish. Chadwick decidió que era el momento de dirigir su propio laboratorio y aceptó una oferta de la Universidad de Liverpool.

Por desgracia, este cambio trajo también un distanciamiento con Rutherford, ya que James mantuvo contacto con Crockcroft para que le ayudara en el diseño de su nuevo acelerador. Lamentablemente, Rutherford murió antes de que pudieran arreglar su disputa, algo que Chadwick siempre lamentó.

Esta entrada participa en la XL edición del Carnaval de la Fisica, alojado en esta edición por Cuantos y Cuerdas.

Artículos relacionados en El zombi de Schrödinger

Descubriendo el átomo: El experimento de Thomson. Descripción del experimento con el que J.J. Thomson descubrió la existencia del electrón.

Descubriendo el átomo: Rutherford, la radiactividad y el descubrimiento del núcleo atómico. Una pequeña biografía de Rutherford con especial atención al descubrimiento del núcleo atómico.

El alquimista. Uno de los experimentos más espectaculares de Rutherford, en el que descubrió la posibilidad de transformar elementos utilizando radiación alfa. Además incluye una breve descripción de la cámara de niebla.

Más información

Great Physicists From Galileo to Hawking. George Gamow

The existence of the neutron. Artículo de James Chadwick en el que describe el descubrimiento del neutrón.

Cambridge physics: James Chadwick. Un rápido recorrido por la vida de Chadwick.

Bakerian Lecture. Nuclear Constitution of Atoms (July 1, 1920). Discurso de Ernest Rutherford para la Royal Society en el que describía la posibilidad de la existencia del neutrón.

Cámara de ionización. Descripción de la cámara de ionización en Wikipedia.

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Publicado el 10 marzo, 2013 en Descubriendo el átomo, Historia de la ciencia y etiquetado en , , , , , , , , , , . Guarda el enlace permanente. 13 comentarios.

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