De la física atómica a la física nuclear: aplicaciones prácticas de la ciencia
Una de las primeras discusiones que la ciencia debió librar en el campo de la Física fue respecto a las ideas escépticas sobre la existencia de partículas diminutas en tanto que se carecía de comprobación experimental. A finales del siglo XIX se realizaron valiosos descubrimientos: en 1897 Joseph J. Thomson descubrió el electrón, que se asoció a la estructura del átomo; Henri Becquerel, en 1896, reveló cómo algunas sales de uranio emitían una radiación desconocida. En este periodo también se descubrió que los átomos emiten o absorben luz, y que gracias a la frecuencia de ésta se puede identificar su espectro, que es particular para cada sustancia, lo cual ha llevado a descubrir nuevos elementos químicos. Lo importante de esto es que se puso en evidencia la estructura interna de los átomos.
En las primeras décadas del siglo XX, Albert Einstein señaló que las partículas en suspensión en un líquido se mueven aleatoriamente por los choques con los átomos o moléculas del líquido que las contiene; Jean Perrin, por su lado, midió el tamaño de los átomos y el número de partículas en una cantidad de sustancia. Años después, Pierre y Marie Curie demostraron en distintas sustancias la radiación, por lo cual denominaron al fenómeno radiactividad, señalando que ésta era emitida por el átomo. Por su parte, Ernest Rutherford estableció que el átomo está constituido por un núcleo con carga eléctrica positiva, 10 000 veces más pequeño que áquel, rodeado de electrones de carga negativa, lo que hace del átomo una partícula neutra, con ello proponía un modelo atómico. El avance de la investigación científica permitió descubrir los protones (con carga positiva) y los neutrones.
Hacia 1930 se había demostrado que los átomos poseían estructuras complejas y que sus propiedades reflejaban diferencias en éstas. Se estaba en los albores del desarrollo de la energía nuclear. Asimismo, pudo comprobarse la transmutación de los elementos, por ejemplo, el uranio se transforma en radio y éste en plomo en periodos de tiempo tales como 5000 y 1590 años, respectivamente; aunque también se conoció experimentalmente que algunos elementos se desintegraban en horas o en segundos. Ya antes se conocía la existencia de la radiación alfa, beta y gama, esta última de efecto penetrante como los rayos X.
Ernest Rutherford propuso un modelo donde el átomo contiene un núcleo, en éste se concentra la carga positiva y la mayor parte de masa, y en torno a él giran protones y electrones.
Cuando el uranio se transforma en radio provoca tres partículas alfa y dos beta, la emisión de éstas sucede a velocidades extremas. La transmutación ocurría en la naturaleza, pero inquietaba saber si esto podría realizarse de forma artificial. La mayoría de los elementos químicos son estables, y es en ellos que se trató de provocar su separación para así llegar a constituir otros elementos. Ya en 1919, Ernest Rutherford bombardeó átomos de nitrógeno con partículas alfa logrando la expulsión de átomos de hidrógeno, aunque la escala obtenida fue pequeñísima (1 de 300 000 átomos) el resultado fue muy significativo. Impregnar de una mayor velocidad ahora a los protones, más pequeños que otras partículas y potencialmente acelerados en un campo eléctrico de alta tensión, permitiría mayor probabilidad de que penetrasen entre los electrones orbitales de los átomos. Siguiendo esta orientación, en 1932, J.D. Cockroft y E.T.S. Walton, al bombardear un átomo de litio, obtuvieron dos de helio, lo cual fue mayormente relevante, además se constató que algo de masa había desaparecido en el proceso de colisión y que la energía producida fue igual a la predicha en la ecuación de Albert Einstein en 1905: E=mc2.
“La ecuación E = mc2 dice que la energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado (…) Einstein fue el primero en afirmar que esta equivalencia era una regla general, aplicable a todas las masas y no sólo a casos especiales, que la energía puede “transportar” inercia, y que la masa puede “convertirse” en energía” (Tomé, 2010).
Saber que la luz viaja a 300 000 km por segundo y que requiere sólo una décima parte de ese tiempo para dar la vuelta a la tierra, permitió deducir que en una cantidad muy pequeña de masa se encuentra una cantidad enorme de energía. El desarrollo de la ciencia y la tecnología permitió crear ese potencial energético, con fines militares.
Los desarrollos previos y las nuevas investigaciones de Lorentz y Einstein pusieron en entredicho dos principios imperantes en la mayor parte del siglo XIX: 1) por más cambios que se provoquen a un sistema cerrado no se destruye nada de masa, aunque su forma pueda cambiar, por ejemplo, el combustible sólido a gas; 2) la energía es indestructible, por ejemplo, la energía eléctrica se transforma en luz y calor. Los experimentos de estos científicos demostraron que la masa y la energía eran convertibles entre sí.
Antes de que la energía nuclear fuera considerada una posibilidad práctica se requería una mayor comprensión de los procesos atómicos. Parte del interés estuvo en crear máquinas que permitieran la aceleración de las partículas a través de campos eléctricos, con la idea de incrementar su poder destructivo con el impacto. En 1930, Lawrence ideó el primer acelerador de resonancia magnética, el cual produjo protones de 800 000 eV de energía (voltios contenidos en un electrón o protón cuando es acelerado), éste fue muy costoso y requirió del financiamiento gubernamental. Años después, en 1939 comenzó a desarrollar un acelerador que producía partículas alfa de 200 MeV (mega voltios contenidos en un protón o electrón), es decir, con una capacidad de aceleración tal que se hacía posible la fisión (tiene lugar en un núcleo dividiendo al átomo en dos o más fragmentos de tamaño aproximadamente igual, acompañados de algunos neutrones y de gran cantidad de energía).
En Europa, Enrico Fermi descubrió que si se bombardeaba con neutrones el uranio, éste se volvía radioactivo. Pero Otto Frisch y Lise Meitner, judíos refugiados de los nazis, reinterpretaron los resultados de Fermi diciendo, en 1939, que el uranio se había dividido en dos núcleos más pequeños y la fisión había liberado gran cantidad de energía. En ese mismo año, la pareja Jean Frédéric Joliot e Irène Joliot-Curie, demostraron que en la fisión del uranio se liberaban neutrones secundarios y en más cantidad que en el bombardeo original, eran los neutrones los causantes de la fisión de más núcleos de uranio; con esto se planteaba la posibilidad de generar una reacción en cadena sobre la masa de uranio cuya consecuencia sería una descomunal liberación de energía. Casi a la par, Niels Bohr y J. A. Wheeler demostraron que en el uranio de peso atómico 235 era más fácil llevar a cabo la fisión por neutrones lentos; esto se publicó el 1 de septiembre de 1939, dos días antes de estallido de la Segunda Guerra Mundial.
Los descubrimientos en física nuclear fueron publicados, por lo que estaban a la mano de todos los científicos y gobiernos. Pero el mayor alcance de tales hallazgos: la bomba atómica, fue logrado por Estado Unidos (EU) en el transcurso de la Segunda Guerra Mundial. Alemania había perseguido y expulsado a mentes prodigiosas en el ámbito de la ciencia de origen judío. Rusia, al igual que Alemania, apostaba por una guerra rápida y los servicios de inteligencia militar mostraban que este país no sería un peligro en dicho aspecto; además, como aliado de EU en la guerra no habría que temer en el corto plazo.
El primer paso para el desarrollo de la bomba atómica lo dio Gran Bretaña como resultado de un informe que elaboró un grupo de científicos en 1940, el cual concluyó que sería posible crearla en 3 o 4 años, con 10 kg de uranio de peso atómico 235. Estados Unidos inició lo que posteriormente se conoció como Proyecto Manhattan, con el que se concretaría la construcción de la bomba atómica, cuyo impulso mayor se dio cuando Japón invadió Pearl Harbor (diciembre de 1941); este país se fortaleció con la llegada de científicos de origen europeo y judío, movilizó los recursos monetarios e industriales necesarios para alcanzar tal empresa una vez que el presidente Roosevelt fue advertido por Albert Einstein sobre las intenciones y riesgos de que Alemania desarrollara primero la bomba. El 16 julio de 1945 se hizo la primera prueba de explosión atómica en Alamogordo, Nuevo México, equivalente a 20 000 toneladas de TNT (compuesto químico explosivo). Finalmente, el 6 de agosto de ese año se lanzó la primera bomba atómica sobre Hiroshima, en Japón, utilizando uranio, y tres días después en Nagasaki, pero ésta estaba compuesta de plutonio; el país oriental terminaría rindiéndose el 14 de agosto del mismo año.
Para saber más
Sobre el impacto de la bomba atómica lanzada en Hiroshima, revisa el video de la BBC, Hiroshima: Sobreviviente recuerda la bomba atómica 70 años después, en éste una mujer nos cuenta cómo vivió este suceso cuando era niña.
Hiroshima: Sobreviviente recuerda la bomba atómica 70 años después