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Descubrimiento del neutrón

James Chadwick en la Conferencia Solvay de 1933. Chadwick había descubierto el neutrón el año anterior mientras trabajaba en el Laboratorio Cavendish .

El descubrimiento del neutrón y sus propiedades fue fundamental para los extraordinarios avances de la física atómica en la primera mitad del siglo XX. A principios de siglo, Ernest Rutherford desarrolló un modelo rudimentario del átomo, [1] : 188  [2] basado en el experimento de la lámina de oro de Hans Geiger y Ernest Marsden . En este modelo, los átomos tenían su masa y carga eléctrica positiva concentradas en un núcleo muy pequeño . [3] En 1920, se habían descubierto los isótopos de los elementos químicos , se había determinado que las masas atómicas eran (aproximadamente) múltiplos enteros de la masa del átomo de hidrógeno , [4] y se había identificado el número atómico como la carga del núcleo. [5] : §1.1.2  A lo largo de la década de 1920, se consideró que el núcleo estaba compuesto de combinaciones de protones y electrones , las dos partículas elementales conocidas en ese momento, pero ese modelo presentaba varias contradicciones experimentales y teóricas. [1] : 298 

La naturaleza esencial del núcleo atómico quedó establecida con el descubrimiento del neutrón por James Chadwick en 1932 [6] y la determinación de que era una nueva partícula elemental, distinta del protón. [7] [8] : 55 

El neutrón sin carga se explotó inmediatamente como un nuevo medio para investigar la estructura nuclear, lo que llevó a descubrimientos como la creación de nuevos elementos radiactivos mediante la irradiación de neutrones (1934) y la fisión de átomos de uranio por neutrones (1938). [9] El descubrimiento de la fisión condujo a la creación de energía nuclear y armas nucleares a fines de la Segunda Guerra Mundial. Se supuso que tanto el protón como el neutrón eran partículas elementales hasta la década de 1960, cuando se determinó que eran partículas compuestas formadas a partir de quarks . [10]

Descubrimiento de la radiactividad

A principios del siglo XX, el intenso debate sobre la existencia de los átomos aún no se había resuelto. Filósofos como Ernst Mach y Wilhelm Ostwald negaban que los átomos fueran reales, considerándolos una construcción matemática conveniente, mientras que científicos como Arnold Sommerfeld y Ludwig Boltzmann veían que las teorías físicas exigían la existencia de átomos. [9] : 13–14 

La radiactividad fue descubierta en 1896 por el científico francés Henri Becquerel , mientras trabajaba con materiales fosforescentes . En 1898, Ernest Rutherford en el Laboratorio Cavendish distinguió dos tipos de radiactividad, los rayos alfa y los rayos beta , que se diferenciaban en su capacidad de penetrar o viajar dentro de objetos o gases ordinarios. Dos años después, Paul Villard descubrió los rayos gamma , que poseían un poder de penetración aún mayor. [1] : 8–9  Estas radiaciones pronto se identificaron con partículas conocidas: Walter Kaufmann demostró que los rayos beta eran electrones en 1902; Rutherford y Thomas Royds demostraron que los rayos alfa eran iones de helio en 1907; y Rutherford y Edward Andrade demostraron que los rayos gamma eran radiación electromagnética, es decir, una forma de luz , en 1914. [1] : 61–62, 87  Estas radiaciones también se habían identificado como emanantes de átomos, por lo que proporcionaban pistas sobre los procesos que ocurrían dentro de los átomos. Por el contrario, las radiaciones también fueron reconocidas como herramientas que podrían ser explotadas en experimentos de dispersión para sondear el interior de los átomos. [11] : 112–115 

Experimento con lámina de oro y descubrimiento del núcleo atómico

Un esquema del núcleo de un átomo que indica
β−
Radiación, emisión de un electrón rápido desde el núcleo (se omite el antineutrino que lo acompaña). En el modelo de Rutherford para el núcleo, una esfera roja era un protón con carga positiva y una esfera azul era un protón fuertemente unido a un electrón, sin carga neta.
El recuadro muestra la desintegración beta de un neutrón libre tal como se entiende hoy en día; en este proceso se crean un electrón y un antineutrino.

En la Universidad de Manchester, entre 1908 y 1913, Rutherford dirigió a Hans Geiger y Ernest Marsden en una serie de experimentos para determinar qué sucede cuando las partículas alfa se dispersan desde una lámina de metal. Ahora llamado el experimento de la lámina de oro de Rutherford , o el experimento de Geiger-Marsden, estas mediciones permitieron el extraordinario descubrimiento de que, aunque la mayoría de las partículas alfa que pasaban a través de una fina lámina de oro experimentaban poca desviación, unas pocas se dispersaban en un ángulo alto. La dispersión indicaba que algunas de las partículas alfa rebotaban desde un componente pequeño, pero denso, dentro de los átomos. Basándose en estas mediciones, en 1911 Rutherford se dio cuenta de que el átomo consistía en un núcleo pequeño y masivo con carga positiva rodeado de una nube mucho más grande de electrones con carga negativa . La masa atómica concentrada era necesaria para proporcionar la desviación observada de las partículas alfa, y Rutherford desarrolló un modelo matemático que explicaba la dispersión. [12] : 188  [2]

Aunque el modelo de Rutherford fue en gran medida ignorado en ese momento, [12] cuando Niels Bohr se unió al grupo de Rutherford desarrolló el modelo de Bohr para los electrones que orbitan el núcleo en 1913 [13] y esto eventualmente condujo a un modelo atómico basado en la mecánica cuántica a mediados de la década de 1920.

Descubrimiento de isótopos

Simultáneamente con el trabajo de Rutherford, Geiger y Marsden, el radioquímico Frederick Soddy de la Universidad de Glasgow estaba estudiando problemas relacionados con la química en materiales radiactivos. Soddy había trabajado con Rutherford sobre radiactividad en la Universidad McGill . [14] Para 1910, se habían identificado alrededor de 40 elementos radiactivos diferentes, denominados radioelementos , entre el uranio y el plomo, aunque la tabla periódica solo permitía 11 elementos. Soddy y Kazimierz Fajans descubrieron de forma independiente en 1913 que un elemento que experimenta desintegración alfa producirá un elemento dos lugares a la izquierda en el sistema periódico y un elemento que experimenta desintegración beta producirá un elemento un lugar a la derecha en el sistema periódico. Además, aquellos radioelementos que residen en los mismos lugares en el sistema periódico son químicamente idénticos. Soddy llamó a estos elementos químicamente idénticos isótopos . [15] : 3–5  [16] Por su estudio de la radiactividad y el descubrimiento de los isótopos, Soddy recibió el Premio Nobel de Química en 1921. [17]

Réplica del tercer espectrómetro de masas de Aston

Basándose en el trabajo de JJ Thomson sobre la desviación de átomos con carga positiva por campos eléctricos y magnéticos, Francis Aston construyó el primer espectrógrafo de masas en el Laboratorio Cavendish en 1919. Fue capaz entonces de separar los dos isótopos del neón ,20
Nordeste
y22
Nordeste
. Aston descubrió la regla de los números enteros , que establece que las masas de todas las partículas tienen relaciones de números enteros con el oxígeno-16 , [18] que él tomó como una masa de exactamente 16. [4] (Hoy la regla de los números enteros se expresa en múltiplos de una unidad de masa atómica (uma) relativa al carbono-12 . [19] ). Significativamente, la única excepción a esta regla fue el propio hidrógeno, que tenía un valor de masa de 1,008. El exceso de masa era pequeño, pero estaba muy fuera de los límites de la incertidumbre experimental.

Como la equivalencia masa-energía de Einstein ya se conocía desde 1905, Aston y otros científicos se dieron cuenta rápidamente de que la discrepancia de masas se debía a la energía de enlace de los átomos. Cuando los contenidos de varios átomos de hidrógeno están unidos en un solo átomo, la energía de ese átomo debe ser menor que la suma de las energías de los átomos de hidrógeno por separado y, por lo tanto, la masa de ese átomo es menor que la suma de las masas de los átomos de hidrógeno. [4] El trabajo de Aston sobre los isótopos le valió el Premio Nobel de Química en 1922 por el descubrimiento de isótopos en un gran número de elementos no radiactivos y por su enunciación de la regla de los números enteros. [20] Tras destacar el reciente descubrimiento de Aston de la energía de enlace nuclear, en 1920 Arthur Eddington sugirió que las estrellas pueden obtener su energía fusionando hidrógeno (protones) en helio y que los elementos más pesados ​​pueden formarse en las estrellas. [21]

Número atómico y ley de Moseley

Rutherford y otros habían notado la disparidad entre la masa de un átomo, calculada en unidades de masa atómica, y la carga aproximada requerida en el núcleo para que el modelo de Rutherford funcionara. La carga requerida del núcleo atómico era usualmente aproximadamente la mitad de su masa atómica. [22] : 82  Antonius van den Broek audazmente planteó la hipótesis de que la carga requerida, denotada por Z , no era la mitad del peso atómico de los elementos, sino que era exactamente igual a la posición ordinal del elemento en la tabla periódica . [1] : 228  En ese momento, no se sabía que las posiciones de los elementos en la tabla periódica tuvieran algún significado físico. Sin embargo, si los elementos se ordenaban en función del aumento de la masa atómica, se exhibía periodicidad en las propiedades químicas. Sin embargo, las excepciones a esta periodicidad eran evidentes, como el cobalto y el níquel. [a] [23] : 180 

En la Universidad de Manchester en 1913 Henry Moseley discutió el nuevo modelo de Bohr del átomo con el visitante Bohr. [22] El modelo explicaba el espectro de emisión electromagnética del átomo de hidrógeno, y Moseley y Bohr se preguntaron si los espectros de emisión electromagnética de elementos más pesados ​​como el cobalto y el níquel seguirían su ordenación por peso, o por su posición en la tabla periódica. [24] : 346  En 1913-1914 Moseley probó la cuestión experimentalmente utilizando técnicas de difracción de rayos X. Encontró que la línea de longitud de onda corta más intensa en el espectro de rayos X de un elemento particular, conocida como la línea K-alfa , estaba relacionada con la posición del elemento en la tabla periódica, es decir, su número atómico, Z . De hecho, Moseley introdujo esta nomenclatura. [5] : §1.1.2  Moseley encontró que las frecuencias de la radiación estaban relacionadas de manera simple con el número atómico de los elementos para una gran cantidad de elementos. [25] [5] : 5  [23] : 181 

En menos de un año se observó que la ecuación para la relación, ahora llamada ley de Moseley , podía explicarse en términos del modelo de Bohr de 1913, con supuestos adicionales razonables sobre la estructura atómica en otros elementos. [26] : 87  El resultado de Moseley, según el relato posterior de Bohr, no solo estableció el número atómico como una cantidad experimental medible, sino que le dio un significado físico como la carga positiva en el núcleo atómico. Los elementos podían ordenarse en el sistema periódico en orden de número atómico, en lugar de peso atómico. [27] : 127  El resultado unió la organización de la tabla periódica, el modelo de Bohr para el átomo, [28] : 56  y el modelo de Rutherford para la dispersión alfa de los núcleos. Fue citado por Rutherford, Bohr y otros como un avance crítico en la comprensión de la naturaleza del núcleo atómico. [29]

La investigación posterior en física atómica se vio interrumpida por el estallido de la Primera Guerra Mundial . Moseley murió en 1915 en la batalla de Galípoli , [30] [23] : 182  mientras que el estudiante de Rutherford, James Chadwick, fue internado en Alemania durante la guerra, 1914-1918. [31] En Berlín, el trabajo de investigación de Lise Meitner y Otto Hahn sobre la determinación de las cadenas de desintegración radiactiva del radio y el uranio mediante una separación química precisa se interrumpió. [9] : §4  Meitner pasó gran parte de la guerra trabajando como radióloga y técnica médica de rayos X cerca del frente austríaco, mientras que Hahn, un químico , trabajó en la investigación de la guerra con gases venenosos . [9] : 61–62, 68 

Núcleo de Rutherford

Ernesto Rutherford

En 1920, Rutherford dio una conferencia Bakerian en la Royal Society titulada "La constitución nuclear de los átomos", un resumen de experimentos recientes sobre núcleos atómicos y conclusiones sobre la estructura de los núcleos atómicos. [32] [8] : 23  [5] : 5  En 1920, la existencia de electrones dentro del núcleo atómico se asumió ampliamente. Se suponía que el núcleo consistía en núcleos de hidrógeno en número igual a la masa atómica. Pero como cada núcleo de hidrógeno tenía carga +1, el núcleo necesitaba un número menor de "electrones internos", cada uno de carga −1 para dar al núcleo su carga total correcta. La masa de los protones es aproximadamente 1800 veces mayor que la de los electrones, por lo que la masa de los electrones es incidental en este cálculo. [1] : 230–231  Este modelo era coherente con la dispersión de partículas alfa de los núcleos pesados, así como con la carga y la masa de los numerosos isótopos que se habían identificado. Había otras motivaciones para el modelo protón-electrón. Como señaló Rutherford en su momento, "Tenemos fuertes razones para creer que los núcleos de los átomos contienen electrones, así como cuerpos con carga positiva...", [32] : 376–377  a saber, se sabía que la radiación beta eran electrones emitidos desde el núcleo. [8] : 21  [5] : 5–6 

En esa conferencia, Rutherford conjeturó la existencia de nuevas partículas. Se sabía que la partícula alfa era muy estable y se suponía que conservaba su identidad dentro del núcleo. Se suponía que la partícula alfa estaba formada por cuatro protones y dos electrones estrechamente ligados, lo que le daba una carga de +2 y una masa de 4. En un artículo de 1919, [33] Rutherford había informado del aparente descubrimiento de una nueva partícula doblemente cargada de masa 3, denominada X++, que se interpretó como formada por tres protones y un electrón estrechamente ligado. Este resultado sugirió a Rutherford la probable existencia de dos nuevas partículas: una de dos protones con un electrón estrechamente ligado y otra de un protón y un electrón estrechamente ligado. Más tarde se determinó que la partícula X++ tenía una masa de 4 y que era simplemente una partícula alfa de baja energía. [8] : 25  Sin embargo, Rutherford había conjeturado la existencia del deuterón, una partícula de carga +1 de masa 2, y del neutrón, una partícula neutra de masa 1. [32] : 396  El primero es el núcleo del deuterio , descubierto en 1931 por Harold Urey . [34] La masa de la partícula neutra hipotética sería poco diferente de la del protón. Rutherford determinó que una partícula de carga cero de este tipo sería difícil de detectar con las técnicas disponibles. [32] : 396 

En la época de la conferencia de Rutherford, aparecieron otras publicaciones con sugerencias similares de un compuesto protón-electrón en el núcleo, y en 1921 William Harkins , un químico estadounidense, nombró a la partícula sin carga neutrón . [35] [36] [37] [5] : 6  Casi al mismo tiempo se adoptó la palabra protón para el núcleo del hidrógeno. [38] Neutrón aparentemente se construyó a partir de la raíz latina para neutro y la terminación griega -on (por imitación de electrón y protón ). [39] [40] Sin embargo, se pueden encontrar referencias a la palabra neutrón en conexión con el átomo en la literatura ya en 1899. [1] : 398  [35]

Rutherford y Chadwick comenzaron inmediatamente un programa experimental en el Laboratorio Cavendish en Cambridge para buscar el neutrón. [8] : 27  [1] : 398  Los experimentos continuaron durante la década de 1920 sin éxito. [6]

La conjetura de Rutherford y el hipotético «neutrón» no fueron ampliamente aceptados. En su monografía de 1931 sobre la Constitución de los núcleos atómicos y la radiactividad , George Gamow , entonces en el Instituto de Física Teórica de Copenhague, no mencionó el neutrón. [41] En el momento de sus mediciones de 1932 en París que conducirían al descubrimiento del neutrón, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot desconocían la conjetura. [42]

Problemas de la hipótesis de los electrones nucleares

A lo largo de la década de 1920, los físicos asumieron que el núcleo atómico estaba compuesto de protones y "electrones nucleares". [8] : 29–32  [43] Bajo esta hipótesis, el núcleo de nitrógeno-14 ( 14 N) estaría compuesto de 14 protones y 7 electrones, de modo que tendría una carga neta de +7 unidades de carga elemental y una masa de 14 unidades de masa atómica. Este núcleo también estaría orbitado por otros 7 electrones, denominados "electrones externos" por Rutherford, [32] : 375  para completar el átomo de 14 N. Sin embargo, los problemas con la hipótesis pronto se hicieron evidentes.

Ralph Kronig señaló en 1926 que la estructura hiperfina observada en los espectros atómicos era incompatible con la hipótesis protón-electrón. Esta estructura es causada por la influencia del núcleo en la dinámica de los electrones en órbita. Los momentos magnéticos de los supuestos "electrones nucleares" deberían producir desdoblamientos hiperfinos de las líneas espectrales similares al efecto Zeeman , pero no se observaron tales efectos. [44] : 199  Parecía que el momento magnético del electrón desaparecía cuando estaba dentro del núcleo. [1] : 299 

Durante una visita a la Universidad de Utrecht en 1928, Kronig se enteró de un aspecto sorprendente del espectro rotacional del N 2 + . La medición de precisión realizada por Leonard Ornstein , el director del Laboratorio de Física de Utrecht, mostró que el espín del núcleo de nitrógeno debe ser igual a uno. Sin embargo, si el núcleo de nitrógeno-14 ( 14 N) estaba compuesto por 14 protones y 7 electrones, un número impar de partículas de espín 1/2, entonces el espín nuclear resultante debería ser semientero. Por lo tanto, Kronig sugirió que tal vez "los protones y los electrones no conservan su identidad en la medida en que lo hacen fuera del núcleo". [1] : 299–301  [45] : 117 

Las observaciones de los niveles de energía rotacional de las moléculas diatómicas utilizando la espectroscopia Raman por Franco Rasetti en 1929 fueron inconsistentes con las estadísticas esperadas de la hipótesis protón-electrón. Rasetti obtuvo espectros de banda para las moléculas de H 2 y N 2 . Mientras que las líneas para ambas moléculas diatómicas mostraron alternancia en intensidad entre luz y oscuridad, el patrón de alternancia para H 2 es opuesto al del N 2 . Después de analizar cuidadosamente estos resultados experimentales, los físicos alemanes Walter Heitler y Gerhard Herzberg demostraron que los núcleos de hidrógeno obedecen las estadísticas de Fermi y los núcleos de nitrógeno obedecen las estadísticas de Bose. Sin embargo, un resultado entonces inédito de Eugene Wigner mostró que un sistema compuesto con un número impar de partículas de espín 1/2 debe obedecer las estadísticas de Fermi; un sistema con un número par de partículas de espín 1/2 obedece las estadísticas de Bose. Si el núcleo de nitrógeno tenía 21 partículas, debería obedecer las estadísticas de Fermi, contrariamente a la realidad. Así, Heitler y Herzberg concluyeron: "el electrón en el núcleo... pierde su capacidad de determinar las estadísticas del núcleo". [45] : 117–118 

La paradoja de Klein , [46] descubierta por Oskar Klein en 1928, planteó más objeciones mecanocuánticas a la noción de un electrón confinado dentro de un núcleo. Derivada de la ecuación de Dirac , esta paradoja clara y precisa sugería que un electrón que se acerca a una barrera de alto potencial tiene una alta probabilidad de atravesar la barrera [41] mediante un proceso de creación de pares . Aparentemente, un electrón no podía estar confinado dentro de un núcleo mediante ningún pozo de potencial. El significado de esta paradoja fue intensamente debatido en su momento. [44] : 199–200 

Hacia 1930 se reconoció generalmente que era difícil conciliar el modelo protón-electrón para los núcleos con la relación de incertidumbre de Heisenberg de la mecánica cuántica. [44] : 199  [1] : 299  Esta relación, Δ x ⋅Δ p ≥ 1 ⁄ 2 ħ , implica que un electrón confinado a una región del tamaño de un núcleo atómico normalmente tiene una energía cinética de aproximadamente 40 MeV, [1] : 299  [b] que es mayor que la energía observada de las partículas beta emitidas desde el núcleo. [1] Dicha energía también es mucho mayor que la energía de enlace de los nucleones, [47] : 89  que Aston y otros habían demostrado que era menor a 9 MeV por nucleón. [48] : 511 

En 1927, Charles Ellis y W. Wooster, del Laboratorio Cavendish, midieron las energías de los electrones de la desintegración β. Descubrieron que la distribución de energías de cualquier núcleo radiactivo en particular era amplia y continua, un resultado que contrastaba notablemente con los distintos valores de energía observados en la desintegración alfa y gamma. Además, la distribución continua de energía parecía indicar que la energía no se conservaba mediante este proceso de "electrones nucleares". De hecho, en 1929 Bohr propuso modificar la ley de conservación de la energía para tener en cuenta la distribución continua de la energía. La propuesta obtuvo el apoyo de Werner Heisenberg. Tales consideraciones eran aparentemente razonables, ya que las leyes de la mecánica cuántica habían anulado recientemente las leyes de la mecánica clásica.

Si bien todas estas consideraciones no "probaban" que no pudiera existir un electrón en el núcleo, eran confusas y difíciles de interpretar para los físicos . Se inventaron muchas teorías para explicar cómo los argumentos anteriores podían ser erróneos. [49] : 4–5  En su monografía de 1931, Gamow resumió todas estas contradicciones, marcando las afirmaciones sobre los electrones en el núcleo con símbolos de advertencia. [43] : 23 

Descubrimiento del neutrón

En 1930, Walther Bothe y su colaborador Herbert Becker en Giessen , Alemania, descubrieron que si las partículas alfa energéticas emitidas por el polonio caían sobre ciertos elementos ligeros, específicamente el berilio (9
4Ser
), boro (11
5B
), o litio (7
3Li
), se produjo una radiación inusualmente penetrante. [50] El berilio produjo la radiación más intensa. El polonio es altamente radiactivo, produce radiación alfa energética y se usó comúnmente para experimentos de dispersión en ese momento. [41] : 99–110  La radiación alfa puede verse influenciada por un campo eléctrico, porque está compuesta de partículas cargadas. Sin embargo, la radiación penetrante observada no fue influenciada por un campo eléctrico, por lo que se pensó que era radiación gamma . La radiación fue más penetrante que cualquier rayo gamma conocido, y los detalles de los resultados experimentales fueron difíciles de interpretar. [51] [52] [41]

Diagrama esquemático del experimento utilizado para descubrir el neutrón en 1932. A la izquierda, se utilizó una fuente de polonio para irradiar berilio con partículas alfa, lo que indujo una radiación sin carga. Cuando esta radiación golpeó la cera de parafina, se expulsaron protones. Los protones se observaron utilizando una pequeña cámara de ionización. Adaptado de Chadwick (1932). [6]

Dos años después, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot demostraron en París que si esta radiación desconocida caía sobre cera de parafina o cualquier otro compuesto que contuviera hidrógeno , expulsaba protones de energía muy alta (5 MeV). [53] Esta observación no era en sí misma incoherente con la supuesta naturaleza de rayos gamma de la nueva radiación, pero esa interpretación ( dispersión Compton ) tenía un problema lógico. A partir de consideraciones de energía y momento, un rayo gamma tendría que tener una energía imposiblemente alta (50 MeV) para dispersar un protón masivo. [5] : §1.3.1  En Roma, el joven físico Ettore Majorana declaró que la forma en que la nueva radiación interactuaba con los protones requería una partícula neutra tan pesada como un protón, pero se negó a publicar su resultado a pesar del estímulo de Enrico Fermi . [54]

Al enterarse de los resultados de París, Rutherford y James Chadwick en el Laboratorio Cavendish tampoco creyeron en la hipótesis de los rayos gamma, ya que no conservaba la energía . [55] Con la ayuda de Norman Feather , [56] Chadwick realizó rápidamente una serie de experimentos que demostraban que la hipótesis de los rayos gamma era insostenible. El año anterior, Chadwick, JER Constable y EC Pollard ya habían realizado experimentos sobre la desintegración de elementos ligeros utilizando la radiación alfa del polonio. [57] También habían desarrollado métodos más precisos y eficientes para detectar, contar y registrar los protones expulsados. Chadwick repitió la creación de la radiación utilizando berilio para absorber las partículas alfa: 9 Be + 4 He (α) → 12 C + 1 n. Después del experimento de París, apuntó la radiación a la cera de parafina, un hidrocarburo con alto contenido de hidrógeno, ofreciendo así un objetivo denso en protones. Al igual que en el experimento de París, la radiación dispersó enérgicamente algunos de los protones. Chadwick midió el alcance de estos protones y también midió cómo la nueva radiación impactaba en los átomos de varios gases. [58] Las mediciones de la energía de retroceso mostraron que la masa de las partículas de radiación debía ser similar a la masa del protón: la nueva radiación no podía consistir en rayos gamma. Las partículas sin carga con aproximadamente la misma masa que el protón coincidían con las propiedades que Rutherford describió en 1920 y que luego se habían llamado neutrones. [59] [6] [60] [61] Chadwick ganó el Premio Nobel de Física en 1935 por este descubrimiento. [62]

El año 1932 fue posteriormente denominado el " annus mirabilis " de la física nuclear en el Laboratorio Cavendish, [58] con los descubrimientos del neutrón, la desintegración nuclear artificial mediante el acelerador de partículas Cockcroft-Walton y el positrón .

Modelo protón-neutrón del núcleo

Modelos que representan los niveles de energía del núcleo y de los electrones en átomos de hidrógeno, helio, litio y neón. En realidad, el diámetro del núcleo es aproximadamente 100.000 veces menor que el diámetro del átomo.

Dados los problemas del modelo protón-electrón , [43] [63] se aceptó rápidamente que el núcleo atómico está compuesto de protones y neutrones, aunque la naturaleza precisa del neutrón inicialmente no estaba clara. A los pocos meses del descubrimiento del neutrón, Werner Heisenberg [64] [65] [66] [61] y Dmitri Ivanenko [67] propusieron modelos protón-neutrón para el núcleo. [68] Los artículos fundamentales de Heisenberg abordaron la descripción de protones y neutrones en el núcleo a través de la mecánica cuántica. Si bien la teoría de Heisenberg para protones y neutrones en el núcleo fue un "paso importante hacia la comprensión del núcleo como un sistema mecánico cuántico", [69] aún asumía la presencia de electrones nucleares. En particular, Heisenberg asumió que el neutrón era un compuesto protón-electrón, para el cual no hay una explicación mecánica cuántica. Heisenberg no tenía explicación de cómo los electrones livianos podían estar ligados dentro del núcleo. Heisenberg introdujo la primera teoría de las fuerzas de intercambio nuclear que unen a los nucleones. Consideró que los protones y los neutrones eran estados cuánticos diferentes de la misma partícula, es decir, nucleones que se diferenciaban por el valor de sus números cuánticos de isospín nuclear .

El modelo protón-neutrón explicó el enigma del dinitrógeno. Cuando se propuso que el 14 N constaba de 3 pares de protones y neutrones, con un neutrón y un protón desapareados adicionales que aportaban cada uno un espín de 1 ⁄ 2  ħ en la misma dirección para un espín total de 1 ħ, el modelo se volvió viable. [70] [71] [72] Pronto, los neutrones se utilizaron para explicar de forma natural las diferencias de espín en muchos nucleidos diferentes de la misma manera.

Si bien el modelo protón-neutrón para el núcleo resolvió muchos problemas, destacó el problema de explicar los orígenes de la radiación beta. Ninguna teoría existente podía explicar cómo los electrones, o positrones, [73] podían emanar del núcleo. [74] En 1934, Enrico Fermi publicó su artículo clásico que describe el proceso de desintegración beta , en el que el neutrón se desintegra en un protón creando un electrón y un neutrino (aún no descubierto) . [75] El artículo empleó la analogía de que los fotones , o la radiación electromagnética, se creaban y destruían de manera similar en los procesos atómicos. Ivanenko había sugerido una analogía similar en 1932. [70] [76] La teoría de Fermi requiere que el neutrón sea una partícula de espín 1 ⁄ 2. La teoría preservó el principio de conservación de la energía, que había sido puesto en tela de juicio por la distribución continua de energía de las partículas beta. La teoría básica para la desintegración beta propuesta por Fermi fue la primera en mostrar cómo se podían crear y destruir partículas. Estableció una teoría general y básica para la interacción de partículas mediante fuerzas débiles o fuertes. [75] Si bien este influyente artículo ha resistido la prueba del tiempo, las ideas que contenía eran tan nuevas que cuando se envió por primera vez a la revista Nature en 1933, fue rechazado por ser demasiado especulativo. [69]

Naturaleza del neutrón

Séptima Conferencia Solvay, 1933.

La cuestión de si el neutrón era una partícula compuesta de un protón y un electrón persistió durante algunos años después de su descubrimiento. [77] [78] En 1932, Harrie Massey exploró un modelo para un neutrón compuesto para explicar su gran poder de penetración a través de la materia y su neutralidad eléctrica, [79] por ejemplo. La cuestión era un legado de la visión predominante de la década de 1920 de que las únicas partículas elementales eran el protón y el electrón.

La naturaleza del neutrón fue un tema principal de discusión en la 7.ª Conferencia Solvay celebrada en octubre de 1933, a la que asistieron Heisenberg, Niels Bohr , Lise Meitner , Ernest Lawrence , Fermi, Chadwick y otros. [69] [80] Como lo planteó Chadwick en su Conferencia Bakeriana de 1933, la cuestión principal era la masa del neutrón en relación con el protón. Si la masa del neutrón era menor que las masas combinadas de un protón y un electrón (1,0078  Da ), entonces el neutrón podría ser un compuesto de protón-electrón debido al defecto de masa de la energía de enlace nuclear . Si es mayor que las masas combinadas, entonces el neutrón es elemental como el protón. [60] La pregunta era difícil de responder porque la masa del electrón es solo el 0,05% de la del protón, por lo que se requerían mediciones excepcionalmente precisas.

La dificultad de realizar la medición queda ilustrada por los amplios valores de la masa del neutrón obtenidos entre 1932 y 1934. El valor aceptado hoy es1.008 66  Da . En el artículo de 1932 de Chadwick que informaba sobre el descubrimiento, estimó que la masa del neutrón estaba entre1.005  Da y1.008  Da . [55] Al bombardear el boro con partículas alfa, Frédéric e Irène Joliot-Curie obtuvieron un alto valor de1.012  Da , mientras que el equipo de Ernest Lawrence en la Universidad de California midió el pequeño valor1.0006  Da utilizando su nuevo ciclotrón . [81]

En 1935, Chadwick y su estudiante de doctorado Maurice Goldhaber resolvieron el problema informando de la primera medición precisa de la masa del neutrón. Utilizaron los rayos gamma de 2,6 MeV del talio -208 ( 208 Tl) (conocido entonces como torio C" ) para fotodesintegrar el deuterón. [82]

En esta reacción, el protón y el neutrón resultantes tienen aproximadamente la misma energía cinética, ya que sus masas son aproximadamente iguales. La energía cinética del protón resultante se pudo medir (0,24 MeV) y, por lo tanto, se pudo determinar la energía de enlace del deuterón (2,6 MeV − 2(0,24 MeV) = 2,1 MeV, o0,0023  Da ). La masa del neutrón podría entonces determinarse mediante el simple balance de masa.

donde m d,p,n se refieren a la masa del deuterón, protón o neutrón, y "be" es la energía de enlace. Se conocían las masas del deuterón y del protón; Chadwick y Goldhaber utilizaron valores de 2,0142 Da y 1,0081 Da, respectivamente. Encontraron que la masa del neutrón era ligeramente mayor que la masa del protón.1.0084  Da o1,0090  Da , dependiendo del valor preciso utilizado para la masa del deuterón. [7] La ​​masa del neutrón era demasiado grande para ser un compuesto protón-electrón, y por lo tanto el neutrón fue identificado como una partícula elemental. [55] Chadwick y Goldhaber predijeron que un neutrón libre podría desintegrarse en un protón, un electrón y un neutrino ( desintegración beta ).

La física de neutrones en la década de 1930

Poco después del descubrimiento del neutrón, la evidencia indirecta sugirió que el neutrón tenía un valor inesperado distinto de cero para su momento magnético. Los intentos de medir el momento magnético del neutrón se originaron con el descubrimiento de Otto Stern en 1933 en Hamburgo de que el protón tenía un momento magnético anómalamente grande. [83] [84] Para 1934, los grupos dirigidos por Stern, ahora en Pittsburgh , y II Rabi en Nueva York habían deducido independientemente que el momento magnético del neutrón era negativo e inesperadamente grande midiendo los momentos magnéticos del protón y el deuterón . [78] [85] [86] [87] [88] Los valores para el momento magnético del neutrón también fueron determinados por Robert Bacher [89] (1933) en Ann Arbor e IY Tamm y SA Altshuler [78] [90] (1934) en la Unión Soviética a partir de estudios de la estructura hiperfina de los espectros atómicos. A finales de la década de 1930, el grupo de Rabi había deducido valores precisos para el momento magnético del neutrón utilizando mediciones que empleaban técnicas de resonancia magnética nuclear recientemente desarrolladas . [88] El gran valor del momento magnético del protón y el valor negativo inferido para el momento magnético del neutrón fueron inesperados y plantearon muchas preguntas. [78]

Fermi y sus estudiantes (los chicos de Via Panisperna ) en el patio del Instituto de Física de la Universidad de Roma en Via Panisperna, alrededor de 1934. De izquierda a derecha: Oscar D'Agostino , Emilio Segrè , Edoardo Amaldi , Franco Rasetti y Fermi.

El descubrimiento del neutrón proporcionó inmediatamente a los científicos una nueva herramienta para investigar las propiedades de los núcleos atómicos. Las partículas alfa se habían utilizado durante las décadas anteriores en experimentos de dispersión, pero dichas partículas, que son núcleos de helio, tienen una carga +2. Esta carga hace que sea difícil para las partículas alfa superar la fuerza repulsiva de Coulomb e interactuar directamente con los núcleos de los átomos. Como los neutrones no tienen carga eléctrica, no tienen que superar esta fuerza para interactuar con los núcleos. Casi coincidiendo con su descubrimiento, los neutrones fueron utilizados por Norman Feather , colega y protegido de Chadwick, en experimentos de dispersión con nitrógeno. [91] Feather pudo demostrar que los neutrones que interactuaban con los núcleos de nitrógeno se dispersaban en protones o inducían al nitrógeno a desintegrarse para formar boro con la emisión de una partícula alfa. Por lo tanto, Feather fue el primero en demostrar que los neutrones producen desintegraciones nucleares.

En Roma , Enrico Fermi y su equipo bombardearon elementos más pesados ​​con neutrones y descubrieron que los productos eran radiactivos. En 1934 habían utilizado neutrones para inducir radiactividad en 22 elementos diferentes, muchos de ellos de alto número atómico. Al notar que otros experimentos con neutrones en su laboratorio parecían funcionar mejor en una mesa de madera que en una de mármol, Fermi sospechó que los protones de la madera estaban ralentizando los neutrones y, por lo tanto, aumentando la posibilidad de que el neutrón interactuara con los núcleos. Por lo tanto, Fermi pasó neutrones a través de cera de parafina para frenarlos y descubrió que la radiactividad de algunos elementos bombardeados aumentaba en un factor de decenas a cientos. [92] La sección transversal para la interacción con los núcleos es mucho mayor para los neutrones lentos que para los neutrones rápidos. En 1938 Fermi recibió el Premio Nobel de Física "por sus demostraciones de la existencia de nuevos elementos radiactivos producidos por la irradiación de neutrones, y por su descubrimiento relacionado de las reacciones nucleares provocadas por neutrones lentos" . [93] [94] Más tarde, Fermi le contó a Chandrasekhar que originalmente estaba planeando poner un trozo de plomo allí, pero una sensación intuitiva inexplicable lo hizo poner una parafina en el lugar. [95] [96]

Lise Meitner y Otto Hahn en su laboratorio en 1913. [9]
Fisión nuclear causada por la absorción de un neutrón por el uranio-235 . El nucleido pesado se fragmenta en componentes más ligeros y neutrones adicionales.

En Berlín , la colaboración de Lise Meitner y Otto Hahn , junto con su asistente Fritz Strassmann , impulsó la investigación iniciada por Fermi y su equipo cuando bombardearon uranio con neutrones. Entre 1934 y 1938, Hahn, Meitner y Strassmann encontraron una gran cantidad de productos de transmutación radiactivos de estos experimentos, todos los cuales consideraron transuránicos . [97] Los nucleidos transuránicos son aquellos que tienen un número atómico mayor que el uranio (92), formados por absorción de neutrones; tales nucleidos no se producen de forma natural. En julio de 1938, Meitner se vio obligada a escapar de la persecución antisemita en la Alemania nazi después del Anschluss , y pudo asegurar un nuevo puesto en Suecia. El experimento decisivo del 16 y 17 de diciembre de 1938 (utilizando un proceso químico llamado " fraccionamiento radio-bario-mesotorio ") produjo resultados desconcertantes: lo que habían entendido como tres isótopos del radio se comportaban en realidad como bario . [9] El radio (número atómico 88) y el bario (número atómico 56) pertenecen al mismo grupo químico . En enero de 1939, Hahn había llegado a la conclusión de que lo que habían pensado que eran nucleidos transuránicos eran en realidad nucleidos mucho más ligeros, como el bario, el lantano , el cerio y los platinoides ligeros . Meitner y su sobrino Otto Frisch interpretaron de inmediato y correctamente estas observaciones como resultado de la fisión nuclear , un término acuñado por Frisch. [98]

Hahn y sus colaboradores habían detectado la división de los núcleos de uranio, que se volvían inestables por la absorción de neutrones, en elementos más ligeros. Meitner y Frisch también demostraron que la fisión de cada átomo de uranio liberaría unos 200 MeV de energía. El descubrimiento de la fisión electrizó a la comunidad mundial de físicos atómicos y al público. [9] En su segunda publicación sobre la fisión nuclear, Hahn y Strassmann predijeron la existencia y liberación de neutrones adicionales durante el proceso de fisión. [99] Frédéric Joliot y su equipo demostraron que este fenómeno era una reacción en cadena en marzo de 1939. En 1945 Hahn recibió el Premio Nobel de Química de 1944 "por su descubrimiento de la fisión de núcleos atómicos pesados". [100] [101]

Después de 1939

La primera bomba atómica explotó en la prueba Trinity del Proyecto Manhattan , en 1945.

El descubrimiento de la fisión nuclear a finales de 1938 marcó un cambio en los centros de investigación nuclear de Europa a los Estados Unidos. Un gran número de científicos migraban a los Estados Unidos para escapar de los problemas y el antisemitismo en Europa y la guerra inminente [102] : 407–410  (Ver Científicos judíos y el Proyecto Manhattan ). Los nuevos centros de investigación nuclear eran las universidades de los Estados Unidos, en particular la Universidad de Columbia en Nueva York y la Universidad de Chicago , donde se había reubicado Enrico Fermi, [103] [104] y una instalación de investigación secreta en Los Álamos , Nuevo México , establecida en 1942, el nuevo hogar del Proyecto Manhattan . [105] Este proyecto en tiempos de guerra se centró en la construcción de armas nucleares , explotando la enorme energía liberada por la fisión de uranio o plutonio a través de reacciones en cadena basadas en neutrones.

Los descubrimientos del neutrón y el positrón en 1932 fueron el comienzo de los descubrimientos de muchas partículas nuevas. Los muones se descubrieron en 1936. Los piones y kaones se descubrieron en 1947, mientras que las partículas lambda se descubrieron en 1950. A lo largo de las décadas de 1950 y 1960, se descubrió una gran cantidad de partículas llamadas hadrones . Un esquema de clasificación para organizar todas estas partículas, propuesto independientemente por Murray Gell-Mann [106] y George Zweig [107] [108] en 1964, se conoció como el modelo de quarks . Según este modelo, partículas como el protón y el neutrón no eran elementales, sino que estaban compuestas de varias configuraciones de un pequeño número de otras partículas verdaderamente elementales llamadas partones o quarks . El modelo de quarks recibió verificación experimental a partir de fines de la década de 1960 y finalmente proporcionó una explicación para el momento magnético anómalo del neutrón. [109] [10]

Vídeos

Notas explicativas

  1. ^ El número atómico y la masa atómica del cobalto son respectivamente 27 y 58,97, para el níquel son respectivamente 28 y 58,68.
  2. ^ En un núcleo de radio r del orden de 5×10 −13 cm, el principio de incertidumbre exigiría que un electrón tuviera un momento p del orden de h / r . Tal momento implica que el electrón tiene una energía cinética (relativista) de unos 40 MeV. [47] : 89 

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