Radiactividad artificial
Las primeras reacciones nucleares llevadas a cabo con éxito produjeron isótopos que ya se sabía existían en la naturaleza. Pero no siempre tenía que ser así. Supongamos que se consiguiera una combinación de neutrón-protón no existente en la naturaleza, tal como un siglo antes se habían producido moléculas orgánicas que tampoco se daban en la naturaleza (véase pág. 102). Este fenómeno se consiguió de hecho en 1934, por el equipo de físicos franceses, marido y mujer, Frédéric Joliot-Curie (1900-58) e Irene Joliot-Curie (1897-1956), esta última hija de los Curie (pág. 217), famosos por sus trabajos sobre el radio.
Los Joliot-Curie estaban bombardeando aluminio con partículas alfa. Después de interrumpir el bombardeo descubrieron que el aluminio continuaba irradiando partículas por sí mismo. Descubrieron que habían empezado con aluminio-27 (13 protones más 14 neutrones), y terminaron con fósforo-30 (15 protones más 15 neutrones).
Pero el fósforo, tal como se presenta en la naturaleza, está constituido por una sola variedad atómica, el fósforo-31(15 protones más 16 neutrones). Así, pues, el fósforo-30 era un isótopo artificial, que no se presentaba en la naturaleza. La razón por la que no se hallaba en ésta era evidente; era radiactivo, con una vida media de solamente catorce días. Su radiactividad era la fuente de la continua radiación de partículas que los Joliot-Curie habían observado.
Los Joliot-Curie habían producido el primer caso de
radiactividad artificial.
Desde 1934 se han formado miles de isótopos no existentes en la naturaleza, y todos ellos son radiactivos. Cada elemento posee uno o más isótopos radiactivos. Incluso el hidrógeno tiene uno, el hidrógeno-3 (llamado también
tritio)
con una vida media de doce años.
Un isótopo de carbono radiactivo poco común, el carbono-14, fue descubierto en 1940 por el químico americano-canadiense Martin D. Kamen (n. 1913). Parte de este isótopo se forma por bombardeo de los rayos cósmicos sobre el nitrógeno en la atmósfera. Esto significa que estamos continuamente respirando algo de carbono-14, e incorporándolo a nuestros tejidos, igual que todas las formas de vida. Una vez que la forma viva muere, la incorporación cesa y el carbono-14 ya presente se transmuta lentamente.
El carbono-14 tiene una vida media de unos cinco mil años, de modo que las cantidades significativas que subsistan en un material (madera, textiles) se remontan a los tiempos prehistóricos. El químico americano Willard Frank Libby (1908-80) ideó una técnica para hallar la edad de los restos arqueológicos por su contenido en carbono-14, del mismo modo que la edad de la corteza terrestre puede obtenerse a partir de sus contenidos en uranio y plomo (véase págs. 237-38). Así, la química ha pasado a tener una aplicación directa para los historiadores y arqueólogos.
Los compuestos químicos pueden sintetizarse con isótopos poco corrientes, incorporados en lugar de los ordinarios. Éstos podrían ser, por ejemplo, los raros isótopos estables (hidrógeno-2 en lugar del hidrógeno-1, carbono-13 en lugar del carbono-12, nitrógeno-15 en lugar del nitrógeno-14, y oxígeno-18 en lugar del oxígeno-16). Si los animales ingieren tales
compuestos marcados
y a continuación se sacrifican y se analizan sus tejidos, los compuestos en los que se encuentren los isótopos proporcionarán una información significativa. Resulta así posible deducir mecanismos de reacción dentro del tejido vivo, que de otro modo pasarían inadvertidos. Un innovador en este tipo de trabajo fue el bioquímico germano-americano Rudolf Schoenheimer (1898-1941), quien realizó importantes investigaciones sobre grasas y proteínas utilizando hidrógeno-2 y nitrógeno-15 en los años posteriores a 1935. El uso de los isótopos radiactivos hace posible reconstruir las reacciones aún más exactamente, pero hasta después de la Segunda Guerra Mundial no se llegó a disponer de dichos isótopos en cantidad. Un ejemplo de lo que puede realizarse con los isótopos fue el trabajo del bioquímico americano Melvin Calvin (n. 1911). Utilizó el carbono-14 durante los años cincuenta para seguir la pista a muchas de las reacciones implicadas en el proceso de la fotosíntesis. Y lo llevó a cabo con un detalle que sólo veinte años antes se habría juzgado completamente imposible.
No sólo se formaron isótopos artificiales, sino también elementos artificiales. En 1937, Lawrence, el inventor del ciclotrón, había bombardeado una muestra de molibdeno (número atómico 42) con deuterones (núcleos de hidrógeno-2) enviando la muestra bombardeada a Segré, a Roma. (Más adelante Segré volvería a los Estados Unidos, y en su nueva residencia descubriría el anti-protón).
Segré, en un intenso estudio, halló que la muestra contenía restos de una nueva sustancia radiactiva, que resultó consistir en átomos del elemento cuyo número atómico era 43. Por entonces, aquel elemento no había sido descubierto en la naturaleza (a pesar de algunas falsas alarmas) y por eso se llamó
tecnecio
, de una palabra griega que significa «artificial».
Posteriormente se llenaron los tres huecos restantes de la tabla periódica (véase pág. 224). En 1939 y 1940 se descubrieron los elementos número 87
(francio) y
número 85
(astato), y en
1947 se rellenó el último hueco, el correspondiente al elemento número 61
(promecio).
Todos estos elementos son radiactivos.
El astato y el francío se forman a partir del uranio sólo en mínimas cantidades, y su escasez explica por qué no se habían descubierto antes. El tecnecio y el promecio se forman en cantidades aún más pequeñas, y su rareza reside en el hecho de que son los únicos elementos de número atómico inferior a 84 que no poseen ningún isótopo estable.
Elementos transuránidos
Las primeras partículas utilizadas para bombardear los núcleos atómicos estaban cargadas positivamente: el protón, el deuterón y la partícula alfa. Tales partículas cargadas positivamente son rechazadas por los núcleos atómicos cargados positivamente, ya que las cargas eléctricas del mismo signo se repelen entre sí. Hace falta mucha energía para obligar a las partículas rápidas a vencer la repulsión y chocar con los núcleos, y por eso las reacciones nucleares eran bastante difíciles de conseguir.
El descubrimiento del neutrón (véase pág. 219) abrió nuevas posibilidades. Como los neutrones no poseían carga, los núcleos atómicos no los repelerían. Un neutrón podía chocar fácilmente con un núcleo atómico, sin resistencia, si el neutrón acertaba a moverse en la dirección correcta.
El primero que investigó en detalle el bombardeo con neutrones fue el físico italiano Enrico Fermi (1901-1954). Comenzó su trabajo casi inmediatamente después de enterarse del descubrimiento del neutrón. Halló que un haz de neutrones era particularmente eficaz para iniciar reacciones nucleares, si primero se hacía pasar a través de agua o parafina. Los átomos ligeros de estos compuestos absorbían parte de la energía de los neutrones en cada colisión, y lo hacían sin absorber a los propios neutrones. De este modo, los neutrones eran frenados hasta que se movían sólo con la velocidad normal de las moléculas a la temperatura ambiente. Tales
neutrones térmicos
permanecían en las proximidades de un núcleo determinado durante una fracción de segundo más larga, y eran absorbidos con más probabilidad que los neutrones rápidos.
Cuando un neutrón es absorbido por un núcleo atómico, dicho núcleo no se convierte necesariamente en un nuevo elemento. Puede convertirse simplemente en un isótopo más pesado. Así, si el oxígeno-16 ganase un neutrón (con un número de masa de 1), pasaría a oxígeno-17. Sin embargo, al ganar un neutrón un elemento puede convertirse en un isótopo radiactivo. En ese caso, se descompondrá emitiendo por lo general una partícula beta, lo que según la regla de Soddy sianificaría que habría pasado a ser un elemento situado un puesto más alto en la tabla periódica. Así, si el oxígeno-18 ganase un neutrón, pasaría a oxígeno-19 radiactivo. Este isótopo emitiría una partícula beta y se convertiría en flúor-19 estable. De este modo, el oxígeno se habría convertido en otro elemento (un número atómico mayor) por bombardeo neutróníco.
En 1934 se le ocurrió a Fermi bombardear el uranio con neutrones, para ver si podía producir átomos más pesados que el uranio
(elementos transuránidos).
En aquella época el uranio tenía el mayor número atómico de la tabla periódica, pero ello podía significar simplemente que los elementos de número atómico mayor tuviesen vidas medias demasiado cortas para haber sobrevivido al largo pasado histórico de la Tierra.
Al principio, Fermi creyó realmente que había sintetizado el elemento número 93, pero los resultados que obtuvo eran confusos y condujeron a algo mucho más espectacular, como se describirá en breve. Estos otros hallazgos distrajeron la atención, durante algunos años, de la posible formación de elementos transuránidos.
Sin embargo, en 1940, el físico americano Edwin Mattison McMillan (n. 1907) y su colaborador el químico Philip Hauge Abelson (n. 1913), en su trabajo sobre el bombardeo neutrónico del uranio, detectaron de hecho un nuevo tipo de átomo. Al ser estudiado, resultó corresponder al de número atómico 93, y lo denominaron
neptunio.
Incluso el isótopo del neptunio de más larga vida, el neptunio-237, tenía una vida media ligeramente superior a dos millones de años, no lo bastante larga como para permitirle sobrevivir a través de la larga historia de la Tierra. El neptunio-237 era el antecesor de una cuarta serie radiactiva.
A McMillan se le unió entonces el físico americano Glenn Theodore Seaborg (n. 1912), y juntos formaron e identificaron
el plutonio
, elemento número 94, en 1941. Bajo la dirección de Seaborg, un grupo de científicos de la Universidad de California, durante los siguientes diez años, aisló una media docena de nuevos elementos:
americio
(número 95),
curio
(número 96),
berkelio
(número 97),
californio
(número 98),
einstenio
(número 99)
y fermio
(número 100).
No parecía haber razones para suponer que ningún número atómico representase un máximo absoluto. Sin embargo, cada elemento era más difícil de formar que el anterior, y se producía en cantidades más pequeñas. Y lo que es más, las vidas medias se hacían tan cortas que lo que se formaba se desvanecía cada vez más rápidamente. No obstante, en 1955 se formó el
mendelevio
(número 101); en 1957, el
nobelio
(número 102), y en 1961 el
laurencio
(número 103). En 1964 los físicos rusos publicaron la obtención del elemento número 104 en cantidades muy pequeñas.
Seaborg y su grupo descubrieron que los elementos transuránidos eran tan semejantes entre sí como las tierras raras (véanse págs. 147-48), y por la misma razón. Nuevos electrones se añaden a una capa electrónica interna, dejando a la capa electrónica más externa con un contenido constante de tres electrones. Los dos grupos de elementos semejantes se diferencian denominando al más antiguo, que comienza con el lantano (número atómico 57), el de los
lantánidos
, mientras que el más moderno, que comienza con el actinio (número atómico 89), es el de los
actínidos.
Con el descubrimiento del laurencio se habían formado todos los actínidos. Se espera que el elemento número 104 tenga propiedades bastante diferentes a las de los actínidos.
Bombas nucleares
Pero ¿qué fue del trabajo original de Fermi sobre el bombardeo del uranio con neutrones? Su sospecha de que se había formado el elemento número 93 no pudo confirmarse entonces, ya que todos los físicos que trabajaban para aislarlo fracasaron.
Entre los que se habían unido a la investigación se hallaban Hahn y Meitner, los descubridores del protactinio veinte años antes (véase pág. 221). Trataron el uranio bombardeado con bario, lo que al precipitar originó determinada fracción de un material fuertemente radiactivo. Esta reacción les hizo suponer que uno de los productos del bombardeo era radio. El radio es químicamente muy semejante al bario, y era de esperar que acompañase al bario en cualquier manipulación química. Sin embargo no se pudo obtener radio de las fracciones que contenían bario.
Hacia 1938, Hahn comenzó a preguntarse si no sería un isótopo radiactivo del propio bario el que se había formado a partir del uranio en el curso del bombardeo neutrónico. Ese bario radiactivo se fusionaría con el bario ordinario, y
los dos compuestos no podrían separarse después mediante las técnicas químicas ordinarias. No obstante, tal combinación parecía imposible. Todas las reacciones nucleares conocidas hasta 1938 habían implicado cambios de sólo 1 o 2 unidades en el número atómico. Cambiar el uranio en bario significaba un descenso, en el número atómico, ¡de 36! Sería como pensar que el átomo de uranio se hubiese partido aproximadamente por la mitad
(fisión del uranio).
Hahn se resistía incluso a especular con tal posibilidad, por lo menos en público.
En 1938, la Alemania nazi invadió y se anexionó Austria. Lise Meitner, austríaca, se vio obligada a exiliarse debido a su origen judío. Desde su lugar de exilio en Suecia, los peligros que había pasado debieron hacer que los relacionados con el riesgo de cometer un error científico pareciesen realmente pequeños, y publicó la teoría de Hahn de que los átomos de uranio, al ser bombardeados con neutrones, sufrían una fisión.
Este artículo creó una gran excitación debido a las horribles posibilidades que suscitaba. Si un átomo de uranio, al absorber un neutrón, se rompe en dos átomos más pequeños, éstos necesitarán menos neutrones que los que existían originalmente en el átomo de uranio
[36]
. Estos neutrones superfluos serían emitidos, y al ser absorbidos por otros átomos de uranio, éstos también sufrirían una escisión, y emitirían todavía más neutrones.
Cada átomo de uranio escindido provocaría la escisión de varios más, en una
reacción nuclear en cadena
, con un resultado semejante al de la reacción química en cadena del hidrógeno y el cloro (véase pág. 166). Pero como las reacciones nucleares implicaban intercambios energéticos mucho mayores que las reacciones químicas, los resultados de una reacción nuclear en cadena serían mucho más formidables. Partiendo de unos cuantos neutrones, con una insignificante inversión de energía, podrían liberarse reservas colosales de energía.