La Radiactividad

Antoine Henri Becquerel

El físico francés Antoine Henri Becquerel recibió el Premio Nobel de Física en 1903. Becquerel descubrió la radiactividad del uranio.

Radiactividad, desintegración espontánea de núcleos atómicos mediante la emisión de partículas subatómicas llamadas partículas alfa y partículas beta, y de radiaciones electromagnéticas denominadas rayos X y rayos gamma. El fenómeno fue descubierto en 1896 por el físico francés Antoine Henri Becquerel al observar que las sales de uranio podían ennegrecer una placa fotográfica aunque estuvieran separadas de la misma por una lámina de vidrio o un papel negro. También comprobó que los rayos que producían el oscurecimiento podían descargar un electroscopio, lo que indicaba que poseían carga eléctrica. En 1898, los químicos franceses Marie y Pierre Curie dedujeron que la radiactividad es un fenómeno asociado a los átomos e independiente de su estado físico o químico. También llegaron a la conclusión de que la pechblenda, un mineral de uranio, tenía que contener otros elementos radiactivos ya que presentaba una radiactividad más intensa que las sales de uranio empleadas por Becquerel. El matrimonio Curie llevó a cabo una serie de tratamientos químicos de la pechblenda que condujeron al descubrimiento de dos nuevos elementos radiactivos, el polonio y el radio. Marie Curie también descubrió que el torio es radiactivo. En 1899, el químico francés André Louis Debierne descubrió otro elemento radiactivo, el actinio. Ese mismo año, los físicos británicos Ernest Rutherford y Frederick Soddy descubrieron el gas radiactivo radón, observado en asociación con el torio, el actinio y el radio.

Pronto se reconoció que la radiactividad era una fuente de energía más potente que ninguna de las conocidas. Los Curie midieron el calor asociado con la desintegración del radio y establecieron que 1 gramo de radio desprende aproximadamente unos 420 julios (100 calorías) de energía cada hora. Este efecto de calentamiento continúa hora tras hora y año tras año, mientras que la combustión completa de un gramo de carbón produce un total de 34.000 julios (unas 8.000 calorías) de energía. Tras estos primeros descubrimientos, la radiactividad atrajo la atención de científicos de todo el mundo. En las décadas siguientes se investigaron a fondo muchos aspectos del fenómeno.

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TIPOS DE RADIACIÓN

Partículas alfa

Una partícula alfa está formada por dos protones y dos neutrones que actúan como una única partícula. Son núcleos de átomos de helio. Cuando un núcleo radiactivo inestable emite una partícula alfa, éste se convierte en un núcleo de un elemento distinto.

Rutherford descubrió que las emisiones radiactivas contienen al menos dos componentes: partículas alfa, que sólo penetran unas milésimas de centímetro en el aluminio, y partículas beta, que son casi 100 veces más penetrantes. En experimentos posteriores se sometieron las emisiones radiactivas a campos eléctricos y magnéticos, y estas pruebas pusieron de manifiesto la presencia de un tercer componente, los rayos gamma, que resultaron ser mucho más penetrantes que las partículas beta. En un campo eléctrico, la trayectoria de las partículas beta se desvía mucho hacia el polo positivo, mientras que la de las partículas alfa lo hace en menor medida hacia el polo negativo; los rayos gamma no son desviados en absoluto. Esto indica que las partículas beta tienen carga negativa, las partículas alfa tienen carga positiva (se desvían menos porque son más pesadas que las partículas beta) y los rayos gamma son eléctricamente neutros.

Desintegración beta

Hay dos tipos de desintegración beta. En la que se muestra a la izquierda, un neutrón se convierte en un protón emitiendo un antineutrino y una partícula beta cargada negativamente. En la de la derecha, un protón se convierte en un neutrón emitiendo un neutrino y una partícula beta positivamente cargada. Las partículas beta positivas se llaman positrones, y las negativas electrones. Después de la desintegración, el núcleo del átomo contiene un protón más o menos, por lo que constituye un elemento nuevo, con número atómico distinto.

El descubrimiento de que la desintegración del radio produce radón demostró de forma fehaciente que la desintegración radiactiva está acompañada de un cambio en la naturaleza química del elemento que se desintegra. Los experimentos sobre la desviación de partículas alfa en un campo eléctrico demostraron que la relación entre la carga eléctrica y la masa de dichas partículas es aproximadamente la mitad que la del ion hidrógeno. Los físicos supusieron que las partículas podían ser iones helio con carga doble (átomos de helio a los que les faltaban dos electrones). El ion helio tiene una masa unas cuatro veces mayor que el de hidrógeno, lo que supondría que su relación carga-masa sería efectivamente la mitad que la del ion hidrógeno. Esta suposición fue demostrada por Rutherford cuando hizo que una sustancia que emitía partículas alfa se desintegrara cerca de un recipiente de vidrio de paredes finas en el que se había hecho el vacío. Las partículas alfa podían atravesar el vidrio y quedaban atrapadas en el recipiente; al cabo de unos días pudo demostrarse la presencia de helio elemental utilizando un espectroscopio. Más tarde se demostró que las partículas beta eran electrones, mientras que los rayos gamma eran radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza que los rayos X pero con una energía considerablemente mayor.

2.1

La hipótesis nuclear

Ernest Rutherford

El físico británico Ernest Rutherford, que obtuvo el Premio Nobel de Química en 1908, fue un pionero de la física nuclear por sus investigaciones experimentales y su desarrollo de la teoría nuclear de la estructura atómica. Rutherford afirmó que un átomo está constituido en gran medida por espacio vacío, con un núcleo con carga positiva en el centro, en torno al cual orbitan los electrones, cargados negativamente. Bombardeando gas nitrógeno con partículas alfa (partículas nucleares emitidas en procesos radiactivos), Rutherford logró transformar un átomo de nitrógeno en un átomo de oxígeno y otro de hidrógeno. Este experimento fue un primer estímulo para el desarrollo de la energía nuclear, que se libera en cantidades enormes por la desintegración nuclear.

En la época en que se descubrió la radiactividad, los físicos creían que el átomo era el bloque de materia último e indivisible. Después se comprobó que las partículas alfa y beta son unidades discretas de materia, y que la radiactividad es un proceso en el que los átomos se transforman (mediante la emisión de una de estas dos partículas) en nuevos tipos de átomos con propiedades químicas nuevas. Esto llevó al reconocimiento de que los propios átomos deben tener una estructura interna, y que no son las partículas últimas y fundamentales de la naturaleza.

En 1911, Rutherford demostró la existencia de un núcleo en el interior del átomo mediante experimentos en los que se desviaban partículas alfa con láminas delgadas de metal. Desde entonces, la hipótesis nuclear ha evolucionado hasta convertirse en una teoría muy elaborada de la estructura atómica, que permite explicar todo el fenómeno de la radiactividad. En resumen, se ha comprobado que el átomo está formado por un núcleo central muy denso, rodeado por una nube de electrones. El núcleo, a su vez, está compuesto de protones, cuyo número es igual al de electrones (en un átomo no ionizado), y de neutrones. Estos últimos son eléctricamente neutros y su masa es aproximadamente igual a la de los protones. Una partícula alfa (un núcleo de helio con carga doble) está formada por dos protones y dos neutrones, por lo que sólo puede ser emitida por el núcleo de un átomo. Cuando un núcleo pierde una partícula alfa se forma un nuevo núcleo, más ligero que el original en cuatro unidades de masa (las masas del neutrón y el protón son de una unidad aproximadamente). Cuando un átomo del isótopo de uranio con número másico 238 emite una partícula alfa, se convierte en un átomo de otro elemento, con número másico 234. (El número másico de un núcleo es el número total de neutrones y protones que contiene; es aproximadamente igual a su masa expresada en unidades de masa atómica). Cada uno de los dos protones de la partícula alfa tiene una carga eléctrica positiva de valor unidad. El número de cargas positivas del núcleo, equilibrado por el mismo número de electrones negativos en las órbitas exteriores al núcleo, determina la naturaleza química del átomo. Como la carga del uranio 238 disminuye en dos unidades como resultado de la emisión alfa, el número atómico del átomo resultante es menor en dos unidades al original, que era de 92. El nuevo átomo tiene un número atómico de 90, y es un isótopo del elemento torio. Véase Elemento químico; Física nuclear.

El torio 234 emite partículas beta, es decir, electrones. La emisión beta se produce a través de la transformación de un neutrón en un protón, lo que implica un aumento de la carga nuclear (o número atómico) en una unidad. La masa de un electrón es despreciable, por lo que el isótopo producido por la desintegración del torio 234 tiene un número másico de 234 y un número atómico de 91; se trata de un isótopo del protactinio.

2.2

Radiación gamma

Las emisiones alfa y beta suelen ir asociadas con la emisión gamma. Los rayos gamma no poseen carga ni masa; por tanto, la emisión de rayos gamma por parte de un núcleo no conlleva cambios en su estructura, sino simplemente la pérdida de una determinada cantidad de energía radiante. Con la emisión de estos rayos, el núcleo compensa el estado inestable que sigue a los procesos alfa y beta. La partícula alfa o beta primaria y su rayo gamma asociado se emiten casi simultáneamente. Sin embargo, se conocen algunos casos de emisión alfa o beta pura, es decir, procesos alfa o beta no acompañados de rayos gamma; también se conocen algunos isótopos que emiten rayos gamma de forma pura. Esta emisión gamma pura tiene lugar cuando un isótopo existe en dos formas diferentes, los llamados isómeros nucleares, con el mismo número atómico y número másico pero distintas energías. La emisión de rayos gamma acompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma de menor energía. Un ejemplo de esta isomería es el isótopo protactinio 234, que existe en dos estados de energía diferentes, y en el que la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro.

Los núcleos emiten la radiación alfa, beta y gamma a velocidades enormes. Las partículas alfa resultan frenadas y detenidas al pasar por la materia, sobre todo debido a su interacción con los electrones de dicha materia. Casi todas las partículas alfa emitidas por una misma sustancia salen de los núcleos con una velocidad prácticamente igual; por ejemplo, la mayoría de las emitidas por el polonio 210 viajan 3,8 cm por el aire antes de quedar detenidas completamente, mientras que las emitidas por el polonio 212 avanzan 8,5 cm. La medida de la distancia recorrida por las partículas alfa se emplea para identificar isótopos. Las partículas beta se emiten a velocidades mucho mayores que las partículas alfa, por lo que penetran bastante más en la materia, aunque el mecanismo de frenado es esencialmente similar. Sin embargo, a diferencia de las partículas alfa, las partículas beta son emitidas a muchas velocidades diferentes, y sus emisores se distinguen entre sí por las velocidades máxima y media características de sus partículas beta. La distribución de las energías de las partículas beta (y por tanto de sus velocidades) exige la hipótesis de la existencia de una partícula sin carga ni masa denominada neutrino; todas las desintegraciones beta están acompañadas de una emisión de neutrinos. La distancia recorrida por los rayos gamma es varias veces mayor que la de las partículas beta, y en algunos casos estos rayos pueden atravesar varios centímetros de plomo. Cuando las partículas alfa y beta atraviesan la materia originan la formación de numerosos iones; esta ionización es especialmente fácil de observar cuando la materia es gaseosa. Los rayos gamma no tienen carga, por lo que no causan tanta ionización. Las partículas beta producen entre t y z de la ionización generada por las partículas alfa en cada centímetro de su trayectoria en aire. Los rayos gamma producen aproximadamente t de la ionización de las partículas beta. El contador de Geiger-Müller y otras cámaras de ionización (véase Detectores de partículas) se basan en estos principios y se emplean para detectar las cantidades de radiación alfa, beta y gamma y, por tanto, la tasa absoluta de desintegración o actividad de las sustancias radiactivas. Una de las unidades de actividad radiactiva, el curio, se basa en la tasa de desintegración del radio 226, que corresponde a 37.000 millones de desintegraciones por segundo por cada gramo de radio. Véase Efectos biológicos de la radiación.

Existen formas de desintegración radiactiva diferentes de las tres que se han mencionado. Algunos isótopos pueden emitir positrones, que son idénticos a los electrones pero de carga opuesta. Esta emisión suele clasificarse también como desintegración beta, y se denomina emisión beta más (β⁺) o positrón para distinguirla de la emisión de electrones negativos, más común. Se cree que la emisión de positrones se lleva a cabo mediante la conversión de un protón del núcleo en un neutrón, lo que provoca el descenso del número atómico en una unidad. Otra forma de desintegración, conocida como captura de electrón K, consiste en la captura de un electrón por parte del núcleo, seguida de la transformación de un protón en un neutrón. El resultado global también es la reducción del número atómico en una unidad. Este proceso sólo es observable porque la desaparición del electrón de su órbita provoca la emisión de rayos X. Algunos isótopos, en particular el uranio 235 y varios isótopos de los elementos transuránicos, pueden desintegrarse mediante un proceso de fisión espontánea en el que el núcleo se divide en dos fragmentos (véase Energía nuclear). A mediados de la década de 1980, se observó una forma de desintegración única en la que los isótopos del radio con números másicos 222, 223 y 224 emiten núcleos de carbono 14 en lugar de desintegrarse en la forma normal emitiendo partículas alfa.

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PERIODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN

La desintegración de algunas sustancias, como el uranio 238 o el torio 232, parece continuar indefinidamente sin que disminuya de forma detectable la tasa de desintegración por unidad de masa del isótopo (tasa de desintegración específica). Otras sustancias radiactivas muestran una marcada reducción de la tasa de desintegración específica a lo largo del tiempo. Un ejemplo es el isótopo torio 234 (llamado originalmente uranio X), que una vez separado del uranio reduce su tasa de desintegración específica a la mitad en 25 días. Cada sustancia radiactiva tiene un periodo de semidesintegración; en algunos isótopos es tan prolongado que los métodos actuales no permiten observar la disminución de la tasa de desintegración específica a lo largo del periodo de estudio. El torio 232, por ejemplo, tiene un periodo de semidesintegración de 14.000 millones de años.

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SERIES DE DESINTEGRACIÓN RADIACTIVA

Cuando el uranio 238 se desintegra mediante emisión alfa, se forma torio 234; éste es un emisor beta y se desintegra para formar protactinio 234, que a su vez, es un emisor beta que da lugar a un nuevo isótopo del uranio, el uranio 234. Este isótopo se desintegra mediante emisión alfa para formar torio 230, que también se desintegra mediante emisión alfa y produce el isótopo radio 226. Esta serie de desintegración radiactiva, denominada serie uranio-radio, continúa de forma similar con otras cinco emisiones alfa y otras cuatro emisiones beta hasta llegar al producto final, un isótopo no radiactivo (estable) del plomo (el elemento 82) con número másico 206. En esta serie están representados todos los elementos de la tabla periódica situados entre el uranio y el plomo, y cada isótopo puede distinguirse por su periodo de semidesintegración característico. Todos los miembros de esta serie tienen un rasgo común: si se resta 2 a sus números másicos se obtienen números exactamente divisibles por 4, es decir, sus números másicos pueden expresarse mediante la sencilla fórmula 4n + 2, donde n es un número entero. Otras series radiactivas naturales son la serie del torio, llamada serie 4n porque los números másicos de todos sus miembros son exactamente divisibles por cuatro, y la serie del actinio o serie 4n + 3. El elemento original de la serie del torio es el isótopo torio 232, y su producto final es el isótopo estable plomo 208. La serie del actinio empieza con el uranio 235 (llamado originalmente actinouranio por los investigadores) y acaba en el plomo 207. En los últimos años se ha descubierto y estudiado en profundidad una cuarta serie, la serie 4n + 1, en la que todos son elementos radiactivos artificiales. Su miembro inicial es un isótopo del elemento artificial curio, el curio 241. Contiene el isótopo más duradero del elemento neptunio, y su producto final es el bismuto 209.

Una aplicación interesante del conocimiento de los elementos radiactivos es su uso en la determinación de la edad de la Tierra. Un método para determinar la edad de una roca se basa en el hecho de que, en muchos minerales de uranio y torio (que se están desintegrando desde su formación), las partículas alfa han quedado atrapadas (en forma de átomos de helio) en el interior de la roca. Determinando con precisión las cantidades relativas de helio, uranio y torio que hay en la roca, puede calcularse el tiempo que llevan ocurriendo los procesos de desintegración (es decir, la edad de la roca). Otro método se basa en la determinación de la relación que existe en la roca entre las cantidades de uranio 238 y plomo 206, o de torio 232 y plomo 208 (o sea, las relaciones entre la concentración de los miembros inicial y final de las series de desintegración). Estos y otros métodos arrojan valores de la edad de la Tierra que oscilan en torno a unos 4.600 millones de años. Se han obtenido valores similares en meteoritos que han caído a la superficie terrestre y en muestras lunares traídas por el Apolo 11 en julio de 1969, lo que indica que todo el Sistema Solar tiene probablemente una edad similar a la Tierra.

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RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL

Irène y Jean Frédéric Joliot-Curie

Irène y Jean Frédéric Joliot-Curie, una de las más célebres parejas de la historia de la física, en el laboratorio de la Universidad de París, donde desarrollaron la mayor parte de su actividad investigadora. En 1933 los dos científicos descubrieron que los elementos radiactivos se pueden preparar artificialmente a partir de elementos estables.

Todos los isótopos naturales situados por encima del bismuto en la tabla periódica son radiactivos; además, existen isótopos naturales radiactivos del bismuto, el talio, el vanadio, el indio, el neodimio, el gadolinio, el hafnio, el platino, el plomo, el renio, el lutecio, el rubidio, el potasio, el hidrógeno, el carbono, el lantano y el samario. En 1919, Rutherford provocó la primera reacción nuclear inducida artificialmente al bombardear gas nitrógeno corriente (nitrógeno 14) con partículas alfa; comprobó que los núcleos de nitrógeno capturaban estas partículas y emitían protones muy rápidamente, con lo que formaban un isótopo estable del oxígeno, el oxígeno 17. Esta reacción puede escribirse en notación simbólica como ¨N + ¸He → ©O + §Hdonde, por convenio, se escriben los números atómicos de los núcleos implicados como subíndices y a la izquierda de sus símbolos químicos, y sus números másicos como superíndices. En la reacción anterior, la partícula alfa se expresa como un núcleo de helio, y el protón como un núcleo de hidrógeno.

Hasta 1933 no se demostró que estas reacciones nucleares podían llevar en ocasiones a la formación de nuevos núcleos radiactivos. Los químicos franceses Irène y Frédéric Joliot-Curie produjeron aquel año la primera sustancia radiactiva bombardeando aluminio con partículas alfa. Los núcleos de aluminio capturaban estas partículas y emitían neutrones, con lo que se formaba un isótopo de fósforo que se desintegraba por emisión de positrones, con un periodo de semidesintegración muy corto. Los Joliot-Curie también produjeron un isótopo de nitrógeno a partir de boro, y uno de aluminio a partir de magnesio. Desde entonces se han descubierto muchísimas reacciones nucleares, y se han bombardeado los núcleos de todos los elementos de la tabla periódica con distintas partículas, entre ellas partículas alfa, protones, neutrones y deuterones (núcleos de deuterio, el isótopo de hidrógeno de número másico 2). Como resultado de esta investigación intensiva se conocen en la actualidad más de 400 elementos radiactivos artificiales. Esta investigación se ha visto favorecida por el desarrollo de aceleradores de partículas que comunican velocidades enormes a las partículas empleadas en el bombardeo, con lo que en muchos casos aumenta la probabilidad de que sean capturadas por los núcleos utilizados como objetivo.

El estudio de las reacciones nucleares y la búsqueda de nuevos isótopos radiactivos artificiales, sobre todo entre los elementos más pesados, llevó al descubrimiento de la fisión nuclear y al posterior desarrollo de la bomba atómica (véase Energía nuclear; Armas nucleares). También se descubrieron varios elementos nuevos que no existen en la naturaleza. El desarrollo de reactores nucleares hizo posible la producción a gran escala de isótopos radiactivos de casi todos los elementos de la tabla periódica, y la disponibilidad de estos isótopos supone una ayuda incalculable para la investigación química y biomédica (véase Isótopo trazador). Entre los isótopos radiactivos producidos artificialmente tiene gran importancia el carbono 14, con un periodo de semidesintegración de 5.730 ± 40 años. La disponibilidad de esta sustancia ha permitido investigar con mayor profundidad numerosos aspectos de procesos vitales, como la fotosíntesis.

En la atmósfera terrestre existe una cantidad muy pequeña de carbono 14, y todos los organismos vivos asimilan trazas de este isótopo durante su vida. Después de la muerte, esta asimilación se interrumpe, y el carbono radiactivo, que se desintegra continuamente, deja de tener una concentración constante. Las medidas del contenido de carbono 14 permiten calcular la edad de objetos de interés histórico o arqueológico, como huesos o momias. Véase Datación.

En el análisis de activación de neutrones se coloca una muestra de una sustancia en un reactor nuclear para hacerla radiactiva. Detectando los tipos de radiactividad asociados con los radioisótopos correspondientes es posible encontrar impurezas que no pueden ser detectadas por otros medios. Otras aplicaciones de los isótopos radiactivos se dan en la terapia médica (véase Radiología), la radiografía industrial, y ciertos dispositivos específicos como fuentes de luz fosforescente, eliminadores estáticos, calibradores de espesor o pilas nucleares.

Radiación electromagnética

Radiación electromagnética, ondas producidas por la oscilación o la aceleración de una carga eléctrica. Las ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos y magnéticos. La radiación electromagnética se puede ordenar en un espectro que se extiende desde ondas de frecuencias muy elevadas (longitudes de onda pequeñas) hasta frecuencias muy bajas (longitudes de onda altas). La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. Por orden decreciente de frecuencias (o creciente de longitudes de onda), el espectro electromagnético está compuesto por rayos gamma, rayos X duros y blandos, radiación ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos, microondas y ondas de radio. Los rayos gamma y los rayos X duros tienen una longitud de onda de entre 0,005 y 0,5 nanómetros (un nanómetro, o nm, es una millonésima de milímetro). Los rayos X blandos se solapan con la radiación ultravioleta en longitudes de onda próximas a los 50 nm. La región ultravioleta, a su vez, da paso a la luz visible, que va aproximadamente desde 400 hasta 800 nm. Los rayos infrarrojos o ‘radiación de calor’ (véase Transferencia de calor) se solapan con las frecuencias de radio de microondas, entre los 100.000 y 400.000 nm. Desde esta longitud de onda hasta unos 15.000 m, el espectro está ocupado por las diferentes ondas de radio; más allá de la zona de radio, el espectro entra en las bajas frecuencias, cuyas longitudes de onda llegan a medirse en decenas de miles de kilómetros.

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PROPIEDADES

Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a una velocidad c = 299.792 km/s. Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda (λ) y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión λ·f = c, son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características.

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TEORÍA

Naturaleza de la luz

El físico británico James Clerk Maxwell estableció la teoría de las ondas electromagnéticas en una serie de artículos publicados en la década de 1860. Maxwell analizó matemáticamente la teoría de los campos electromagnéticos y afirmó que la luz visible era una onda electromagnética.

Los físicos sabían desde principios del siglo XIX que la luz se propaga como una onda transversal (una onda en la que las vibraciones son perpendiculares a la dirección de avance del frente de ondas). Sin embargo, suponían que las ondas de luz requerían algún medio material para transmitirse, por lo que postulaban la existencia de una sustancia difusa, llamada éter, que constituía el medio no observable. La teoría de Maxwell hacía innecesaria esa suposición, pero el concepto de éter no se abandonó inmediatamente, porque encajaba con el concepto newtoniano de un marco absoluto de referencia espaciotemporal. Un famoso experimento realizado por el físico estadounidense Albert Abraham Michelson y el químico de la misma nacionalidad Edward Williams Morley a finales del siglo XIX socavó el concepto del éter, y fue muy importante en el desarrollo de la teoría de la relatividad. De este trabajo concluyó que la velocidad de la radiación electromagnética en el vacío es una cantidad invariante, que no depende de la velocidad de la fuente de radiación o del observador.

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CUANTOS DE RADIACIÓN

No obstante, a principios del siglo XX los físicos se dieron cuenta de que la teoría ondulatoria no explicaba todas las propiedades de la radiación. En 1900, el físico alemán Max Planck demostró que la emisión y absorción de radiación se produce en unidades finitas de energía denominadas ‘cuantos’. En 1904, Albert Einstein consiguió explicar algunos resultados experimentales sorprendentes en relación con el efecto fotoeléctrico externo postulando que la radiación electromagnética puede comportarse como un chorro de partículas.

Hay otros fenómenos de la interacción entre radiación y materia que sólo la teoría cuántica explica. Así, los físicos modernos se vieron obligados a reconocer que la radiación electromagnética se comporta unas veces como partículas y otras como ondas. El concepto paralelo que implica que la materia también puede presentar características ondulatorias además de corpusculares fue desarrollado en 1925 por el físico francés Louis de Broglie.

La Presión

Presión, en mecánica, fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. La presión suele medirse en atmósferas (atm); en el Sistema Internacional de unidades (SI), la presión se expresa en newtons por metro cuadrado; un newton por metro cuadrado es un pascal (Pa). La atmósfera se define como 101.325 Pa, y equivale a 760 mm de mercurio en un barómetro convencional.

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MANÓMETROS

Manómetro

Este manómetro se utiliza para medir la tensión arterial (la presión que la sangre ejerce sobre las paredes de las arterias); forma parte de un instrumento llamado esfigmomanómetro, que consta también de un manguito inflable conectado a una pera que permite insuflar aire en su interior.

La mayoría de los medidores de presión, o manómetros, miden la diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica local. Para pequeñas diferencias de presión se emplea un manómetro que consiste en un tubo en forma de U con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y el otro extremo abierto a la atmósfera. El tubo contiene un líquido, como agua, aceite o mercurio, y la diferencia entre los niveles del líquido en ambas ramas indica la diferencia entre la presión del recipiente y la presión atmosférica local. Para diferencias de presión mayores se utiliza el manómetro de Bourdon, llamado así en honor al inventor francés Eugène Bourdon. Este manómetro está formado por un tubo hueco de sección ovalada curvado en forma de gancho. Los manómetros empleados para registrar fluctuaciones rápidas de presión suelen utilizar sensores piezoeléctricos o electrostáticos que proporcionan una respuesta instantánea.

Como la mayoría de los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, hay que sumar ésta última al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Una lectura negativa del manómetro corresponde a un vacío parcial.

Las presiones bajas en un gas (hasta unos 10^-6 mm de mercurio de presión absoluta) pueden medirse con el llamado dispositivo de McLeod, que toma un volumen conocido del gas cuya presión se desea medir, lo comprime a temperatura constante hasta un volumen mucho menor y mide su presión directamente con un manómetro. La presión desconocida puede calcularse a partir de la ley de Boyle-Mariotte (véase Gas). Para presiones aún más bajas se emplean distintos métodos basados en la radiación, la ionización o los efectos moleculares (véase Tecnología de vacío).

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RANGO DE PRESIONES

Las presiones pueden variar entre 10^-8 y 10^-2 mm de mercurio de presión absoluta en aplicaciones de alto vacío, hasta miles de atmósferas en prensas y controles hidráulicos. Con fines experimentales se han obtenido presiones del orden de millones de atmósferas, y la fabricación de diamantes artificiales exige presiones de unas 70.000 atmósferas, además de temperaturas próximas a los 3.000 °C.

En la atmósfera, el peso cada vez menor de la columna de aire a medida que aumenta la altitud hace que disminuya la presión atmosférica local. Así, la presión baja desde su valor de 101.325 Pa al nivel del mar hasta unos 2.350 Pa a 10.700 m (35.000 pies, una altitud de vuelo típica de un reactor).

Por 'presión parcial' se entiende la presión efectiva que ejerce un componente gaseoso determinado en una mezcla de gases. La presión atmosférica total es la suma de las presiones parciales de sus componentes (oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y gases nobles).

Las Partículas elementales

Partículas elementales, en un principio, unidades de materia consideradas fundamentales; en la actualidad, las partículas subatómicas en general. La física de partículas —el estudio de las partículas elementales y sus interacciones— también se llama física de altas energías porque la energía necesaria para estudiar distancias extremadamente pequeñas es muy elevada, como consecuencia del principio de incertidumbre. Originalmente se aplicó el término “partícula elemental” a estos constituyentes de la materia porque se creían indivisibles. Hoy se sabe que muchas de estas partículas son sumamente complejas, pero se las sigue llamando partículas elementales.

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EL AUGE DE LA FÍSICA DE PARTÍCULAS

La física de partículas es la última etapa en el estudio de componentes de la materia cada vez más pequeños. Antes del siglo XX, los físicos estudiaban las propiedades de la materia macroscópica, a gran escala. Sin embargo, a finales del siglo XIX su atención se centró en la física de átomos y moléculas. Los átomos y las moléculas tienen diámetros del orden de 10^-10 m, y el estudio de sus estructuras provocó grandes avances de la teoría cuántica entre 1925 y 1930. A principios de la década de 1930, los científicos empezaron a investigar la estructura de los núcleos atómicos, que tienen diámetros de entre 10^-15 y 10^-14 metros. Los conocimientos sobre la estructura nuclear avanzaron hasta el punto de hacer posible el uso de la energía nuclear, tanto en las centrales nucleares como en las armas nucleares. En los años que siguieron a la II Guerra Mundial, los físicos se dieron cuenta de la necesidad de estudiar más en profundidad las partículas elementales para comprender la estructura fundamental de los núcleos atómicos.

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CLASIFICACIÓN

En la actualidad se conocen experimentalmente varios cientos de partículas elementales. Pueden dividirse en distintas categorías generales. Los hadrones y leptones se definen según los tipos de fuerza que actúan sobre ellos (ver más adelante). Las fuerzas se transmiten mediante otro tipo de partículas llamadas portadoras.

Los protones y neutrones son los componentes básicos de los núcleos atómicos, que en combinación con los electrones forman los átomos. Los fotones son las unidades fundamentales de la radiación electromagnética, que incluye las ondas de radio, la luz visible y los rayos X. El neutrón es inestable como partícula aislada, y se desintegra para dar lugar a un protón, un electrón y un antineutrino electrónico. Este proceso se simboliza de la forma siguiente: n → p + e + _eLos neutrones tienen una vida media de 887 segundos. Sin embargo, cuando se combinan con protones para formar determinados núcleos atómicos, como el oxígeno 16 o el hierro 56, los neutrones se estabilizan. La mayoría de las partículas elementales conocidas han sido descubiertas después de 1945, algunas en rayos cósmicos y el resto en experimentos con aceleradores de alta energía (véase Aceleradores de partículas). Se ha postulado la existencia de muchas otras partículas, como el gravitón, que se cree que transmite la fuerza gravitatoria.

En 1930, el físico británico Paul A. M. Dirac predijo, por motivos teóricos, que a cada tipo de partícula elemental le corresponde otro tipo conocido como antipartícula de la primera. La antipartícula del electrón fue descubierta en 1932 por el físico estadounidense Carl D. Anderson, que la llamó positrón. El antiprotón fue descubierto en 1955 por los físicos estadounidenses Owen Chamberlain y Emilio Segre. En la actualidad se sabe que la predicción de Dirac es válida para todas las partículas elementales, aunque algunas, como el fotón, son sus propias antipartículas. Los físicos suelen utilizar una barra horizontal para indicar las antipartículas. Así, _e es la antipartícula de v_e.

Las partículas también pueden clasificarse según su espín, o momento angular intrínseco, en bosones y fermiones. El espín de los bosones es un múltiplo entero de una constante, h; el de los fermiones es un múltiplo semientero de dicha constante, como, por ejemplo, (3/2) h.

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FUERZAS FUNDAMENTALES

Las partículas elementales ejercen fuerzas sobre las demás partículas y son continuamente creadas y aniquiladas. En realidad, las fuerzas y los procesos de creación y aniquilación son fenómenos relacionados, y se denominan colectivamente interacciones o fuerzas fundamentales. Se conocen cuatro tipos de interacción (aunque se han postulado más):

La interacción nuclear fuerte es la más intensa, y es la responsable de la vinculación de protones y neutrones para formar núcleos. Le sigue en intensidad la interacción electromagnética, que une los electrones a los núcleos en átomos y moléculas. Desde el punto de vista práctico, esta unión reviste una gran importancia porque todas las reacciones químicas conllevan transformaciones de esta unión electromagnética de los electrones y los núcleos. La llamada interacción débil, o fuerza nuclear débil, es mucho menos intensa. Rige la desintegración radiactiva de los núcleos atómicos, que fue observada por primera vez (1896-1898) por los físicos y químicos franceses Antoine H. Becquerel, Pierre y Marie Curie. La interacción gravitatoria es importante a gran escala, aunque es la más débil de las interacciones entre partículas elementales.

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LEYES DE CONSERVACIÓN

La dinámica de las interacciones de las partículas elementales se rige por ecuaciones de movimiento que son generalizaciones de las tres leyes fundamentales de la dinámica de Newton (véase Mecánica). En la mecánica newtoniana, la energía, el momento y el momento angular no se crean ni se destruyen: son magnitudes que se conservan. Aunque la energía existe en muchas formas que pueden transformarse unas en otras, la energía total no cambia. En las interacciones entre partículas elementales siguen estando vigentes estas leyes de conservación, pero se han descubierto leyes de conservación adicionales de gran importancia en la estructura y las interacciones de los núcleos atómicos y las partículas elementales.

5.1

Simetría y números cuánticos

Hasta comienzos del siglo XX, los principios de simetría se aplicaban en física casi exclusivamente a problemas de mecánica de fluidos y cristalografía. Después de 1925, con el éxito cada vez mayor de la teoría cuántica en la descripción del átomo y los procesos atómicos, los físicos descubrieron que las consideraciones de simetría implicaban números cuánticos (que describen los estados atómicos) y reglas de selección (que rigen las transiciones entre estados atómicos). Como los números cuánticos y las reglas de selección son necesarios para describir los fenómenos atómicos y subatómicos, las consideraciones de simetría resultan esenciales en la física de las partículas elementales.

5.2

Paridad (P)

La mayoría de los principios de simetría afirman que un fenómeno determinado es invariante (no cambia) cuando se transforman ciertas coordenadas espaciales de un modo determinado. El principio de simetría de reflexión espacial, o conservación de la paridad (P), afirma que las leyes de la naturaleza son invariantes cuando las tres coordenadas espaciales x, y, z de todas las partículas se reflejan (es decir, cuando se cambian de signo; esta operación también se denomina paridad). Por ejemplo, supongamos que una reacción (colisión o interacción) entre dos partículas A y B con momentos p_A y p_B tiene una determinada probabilidad de producir otras dos partículas C y D con momentos p_C y p_D. Llamemos R a esta reacción: A + B → C + D          (R)Si las partículas A y B con momentos -p_A y -p_B producen las partículas C y D con momentos -p_C y -p_D con la misma probabilidad que R, significa que la reacción es invariante bajo paridad (P).

5.3

Simetría de conjugación de carga (C)

Para ilustrar el principio de simetría de conjugación de carga emplearemos la misma reacción R. Si se sustituyen las partículas A, B, C y D por sus antipartículas Ā, ,  y , R se convierte en la siguiente reacción (que puede o no tener lugar en la realidad): Ā +  →  +           C(R)Llamemos a esta reacción hipotética C(R): es la reacción conjugada de R. Si C(R) tiene lugar y se produce con la misma probabilidad que R, la reacción es invariante bajo conjugación de carga (C).

5.4

Simetría de inversión temporal (T)

El principio de simetría de inversión temporal, o reversibilidad del tiempo, se define de forma similar. El principio afirma que si una reacción R es invariante bajo T, la probabilidad de la reacción inversa C + D → A + B          T(R)es igual a la probabilidad de R.

5.5

Simetría e intensidad de las interacciones

Se ha demostrado que los cuatro tipos de interacción presentan clases de simetría muy diferentes. Antes de 1957, se creía que la simetría de reflexión espacial (o conservación de la paridad) se daba en todas las interacciones. En 1956, los físicos estadounidenses de origen chino Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang indicaron que en realidad no se había comprobado la conservación de la paridad en la interacción débil, y sugirieron varios experimentos para hacerlo. Uno de ellos fue realizado al año siguiente por la física estadounidense de origen chino Chien-Shiung Wu y sus colaboradores: descubrieron que la paridad no se conservaba en esa interacción. La consecuencia fue el descubrimiento de que las partículas emitidas en la interacción débil tienden a mostrar “quiralidad”, una relación determinada entre su espín y su sentido de movimiento. En particular, los neutrinos v_e y v_µ, que sólo están implicados en las interacciones débil y gravitatoria, siempre tienen un espín levógiro; es decir, el espín de la partícula tiene sentido opuesto a su movimiento. Los físicos estadounidenses James W. Cronin y Val L. Fitch y sus colaboradores descubrieron en 1964 que la interacción débil no es simétrica bajo inversión temporal.

5.6

Simetría y quarks

Murray Gell-Mann

El físico estadounidense Murray Gell-Mann fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1969 por sus investigaciones sobre las interacciones de las partículas elementales. En 1963, independientemente del físico estadounidense George Zweig, propuso el concepto de quark.

La clasificación de las partículas elementales se basa en sus números cuánticos, por lo que está muy relacionada con las ideas sobre simetría. Basándose en estas consideraciones, los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron independientemente en 1963 que los bariones y los mesones están formados por componentes más pequeños, que Gell-Mann llamó quarks. Sugirieron tres tipos de quark, cada uno con su correspondiente antiquark. Se han acumulado pruebas indirectas muy convincentes del modelo de quark para los bariones y mesones, sobre todo después de que, en 1974, los físicos estadounidenses Samuel C. C. Ting y Burton Richter descubrieran las partículas Ji-Psí. Actualmente se acepta de forma generalizada la existencia de seis tipos de quark.

6

TEORÍA DE CAMPO DE LAS INTERACCIONES

Hasta mediados del siglo XIX se creía que las interacciones o fuerzas fundamentales actuaban a distancia. El científico británico Michael Faraday lanzó la idea de que las interacciones se transmiten de un cuerpo a otro a través de un campo. El físico británico James Clerk Maxwell dio forma matemática a las ideas de Faraday, con lo que estableció la primera teoría de campo, que incluye las ecuaciones de Maxwell para las interacciones electromagnéticas. En 1916, Albert Einstein publicó su teoría de la interacción gravitatoria, que se convirtió en la segunda teoría de campo. Hoy se cree que las otras dos interacciones, nuclear fuerte y débil, también pueden ser descritas por teorías de campo.

Con el desarrollo de la mecánica cuántica, en las décadas de 1930 y 1940 surgieron ciertas dificultades en relación con las teorías de campo, dificultades relacionadas con los campos extremadamente intensos que deben existir en las inmediaciones de una partícula; se denominaron dificultades de divergencia. Estos problemas fueron eliminados en parte por un método llamado renormalización, desarrollado en los años 1947-1949 por el físico japonés Shin’ichirō Tomonaga, los estadounidenses Julian S. Schwinger y Richard Feynman y el físico estadounidense de origen británico Freeman Dyson. Los métodos de renormalización mostraron que las dificultades de divergencia pueden aislarse y eliminarse de forma sistemática. Este proyecto logró grandes éxitos prácticos, pero la base de la teoría de campo sigue siendo poco satisfactoria.

6.1

Unificación de las teorías de campo

Sheldon Lee Glashow

El físico estadounidense Sheldon Lee Glashow fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1979 por el desarrollo de una teoría que unificaba las interacciones electromagnética y nuclear débil.

Los cuatro tipos de interacción son muy distintos entre sí. El esfuerzo para unificarlos en un único todo conceptual fue iniciado por Albert Einstein antes de 1920. En 1979, los físicos estadounidenses Sheldon Glashow y Steven Weinberg y el físico paquistaní Abdus Salam compartieron el Premio Nobel de Física por su trabajo en un modelo que unificaba con éxito las teorías de las interacciones electromagnética y débil. Esto se logró empleando una teoría matemática conocida como simetría de gauge que fue desarrollada por el matemático alemán Hermann Weyl, el antes citado Yang y el físico estadounidense Robert Laurence Mills, así como los conceptos de simetría rota desarrollados por el físico estadounidense de origen japonés Yoichiro Nambu, el físico británico Peter W. Higgs y otros (véase Campo de Higgs). Una contribución muy importante a estos avances se debió al físico holandés Gerardus ‘t Hooft, que impulsó el proyecto de renormalización para estas teorías. El panorama conceptual que ha surgido de estos esfuerzos se denomina modelo estándar. De acuerdo con este modelo, los hadrones están formados por parejas o tríos de quarks, e interaccionan intercambiando partículas portadoras de la interacción fuerte, llamadas gluones. Los leptones son una familia distinta de partículas entre las que figuran los electrones y los neutrinos, e interaccionan a través de la fuerza nuclear débil, transmitida por las llamadas partículas W y Z.

6.2

Perspectivas de futuro

Ahora se sabe que las propiedades de todas las interacciones vienen dictadas por distintas formas de simetría de gauge (véase Simetría). Esta idea la utilizó por primera vez Einstein en la búsqueda de una teoría de la gravitación que fuera simétrica con respecto a transformaciones de coordenadas, búsqueda que culminó en la teoría de la relatividad general en 1916. El uso de estas ideas será con toda seguridad una característica importante en la física de partículas de los próximos años. Ya se ha intentado —con las teorías de la supersimetría y la supergravedad— una ampliación cualitativa del concepto de simetría de gauge para tratar de unificar todas las interacciones. No cabe duda de que estos avances continuarán.

El objetivo último es comprender la estructura fundamental de la materia a partir de unos principios de simetría unificados. Desgraciadamente, no es probable que se alcance esta meta en un futuro cercano, ya que existen muchas dificultades de tipo teórico y experimental. En el aspecto teórico, las complejidades matemáticas de la teoría cuántica de gauge son muy grandes. En el aspecto experimental, el estudio de la estructura de partículas elementales de dimensiones cada vez más pequeñas exige aceleradores y detectores de partículas cada vez mayores. Los recursos humanos y financieros necesarios para seguir avanzando son tan tremendos que el ritmo del avance decrecerá inevitablemente.