James Chadwick - Apuntes de Electromedicina Xavier Pardell

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James Chadwick


James Chadwick nació en Cheshire, Inglaterra, el 20 de Octubre de 1891. Tras graduarse en Física en la Universidad de Manchester (1911) permaneció dos años trabajando con el Profesor Rutherford en su Laboratorio de Manchester, investigando en problemas acerca de la radioactividad. En 1913 obtenía su segundo título universitario y le era concedida una beca para proseguir su formación en Berlín. Allí tuvo la ocasión de trabajar en el Physikalisch Technische Reichsanstalt, junto al Profesor H. Geiger, pionero alemán en física nuclear, que había trabajado con Rutherford desde 1906 hasta 1912 en Manchester. Geiger y Rutherford estudiaron las partículas alfa, y demostraron que éstas tenían dos unidades de carga. Esta doble presencia en los primeros trabajos de Chadwick sería esencial en su carrera científica.

En 1914 estallaba la Primera Guerra Mundial. Después de permanecer recluido cuatro años en un establo durante la contienda, Chadwick regresó a Inglaterra en 1919. Por entonces, Rutherford había llevado a cabo ya la primera transformación nuclear artificial, bombardeando átomos de nitrógenos con partículas alfa, logrando así la emisión de un protón. Una vez en Cambridge, Chadwick se unió al eminente Rutherford para trabajar junto a él en la transmutación de otros elementos ligeros mediante el bombardeo con partículas alfa, así como para continuar los estudios sobre las propiedades y la estructura del núcleo atómico. Se convertía así en su principal colaborador a lo largo de los siguientes 16 años.

Sería 1932 el año clave en los trabajos de Chadwick, al realizar un descubrimiento fundamental en el dominio de la ciencia nuclear: la existencia de los neutrones. El físico británico reinterpretó los experimentos del matrimonio Joliot-Curie, encontrando evidencias de la existencia del neutrón, que ya había sido prevista por Rutherford 12 años antes. Así, Chadwick descubrió que en la colisión entre partículas alfa y átomos de berilio se obtenían unas partículas neutras, de masa aproximadamente igual a la del protón, que fueron denominadas neutrones. Al número total de protones y neutrones se le denominó número de masa (A). Tres años después recibía el Premio Nobel de Física de 1935 por su descubrimiento.

Las constantes fricciones con Rutherford, por la oposición de éste a la construcción de un ciclotrón, dispositivo empleado para acelerar partículas subatómicas en una trayectoria curva mediante campos eléctricos y magnéticos sincronizados, dieron lugar a la separación de ambos científicos. En 1935 Chadwick marcha a Liverpool, donde ocupa la Cátedra de Física y consigue el primer ciclotrón. Su departamento se convertiría en uno de los centros más avanzados de física atómica.
Cuando estalla la Segunda Guerra Mundial, apoya la construcción de la bomba atómica antes de que el enemigo se adelantara a hacerlo. La construcción tenía lugar en EE.UU, donde trabajó desde 1943 hasta 1946. Chadwick impulsó el proceso de construcción hasta comprobar su efectividad y cerciorarse de que la colaboración procedía por cauces pacíficos. Terminada la contienda se convertía en consejero gubernamental en el Reino Unido para asuntos relacionados con las armas nucleares.
Sus implicaciones en la vida política le proporcionaron, al parecer, varios sinsabores al final de su vida. Moría en 1974.

El neutrón, pieza clave

En una primera mitad de siglo marcada por el desarrollo la física de partículas, el descubrimiento del neutrón resultó ser una pieza clave para comprender la estructura del átomo.

En 1911, Rutherford demostraba la existencia de un núcleo en el interior del átomo, considerado hasta entonces de estructura uniforme, mediante experimentos en los que se desviaban partículas alfa con láminas delgadas de metal. A partir de ese momento, la hipótesis nuclear ha evolucionado hasta convertirse en una teoría muy elaborada de la estructura atómica, que permite explicar 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 con carga negativa. Los núcleos atómicos, a su vez, están formados por protones cargados positivamente y los ya citados neutrones sin carga, cuya existencia era probada por James Chadwick. El número de protones de un núcleo es su número atómico, que define al elemento químico. Sin embargo, un mismo elemento puede tener varios isótopos, cuyos núcleos tienen un número distinto de neutrones. La proporción entre protones y neutrones de un núcleo condiciona la estabilidad del elemento.

El conocimiento de la estructura nuclear permitió una mayor comprensión de los fenómenos de la radiactividad y el desarrollo de la radiactividad artificial.
En 1919, Rutherford había provocado la primera reacción nuclear inducida artificialmente al bombardear gas nitrógeno corriente (nitrógeno 14) con partículas alfa. Comprobaba así 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. Pero hasta 1933, un año después del descubrimiento del neutrón, 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. Se había descubierto la radiactividad inducida artificialmente. 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. Como resultado de esta investigación intensiva se conocen en la actualidad más de 400 elementos radiactivos artificiales, que han demostrado ser indispensables para la investigación, la medicina y la industria. Esta investigación se ha visto favorecida por el desarrollo de aceleradores de partículas como el ciclotrón que utilizaría Chadwick, que comunican velocidades enormes a las partículas empleadas en el bombardeo aumentando la probabilidad de que sean capturadas por los núcleos utilizados como objetivo.

Una vía abierta para la ciencia y las armas

El neutrón abrió una vía que facilitó a los científicos el conocimiento del núcleo atómico. Con su hallazgo Chadwick preparaba el camino hacia la fisión del uranio 35 y la creación de la bomba atómica. Hans Bethe, el físico estadounidense destacado por sus trabajos sobre la energía estelar, se refería al descubrimiento de Chadwick como el 'comienzo histórico de la física nuclear'.
En efecto, 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. Pero no ha sido el desarrollo de armas nucleares el único beneficio obtenido a raíz del descubrimiento de los neutrones. La radiografía de neutrones, una de las aplicaciones cada vez más interesantes de estas partículas, se empleó por primera vez en Europa en la década de 1930. A partir de 1950 se ha utilizado notablemente para estudiar el combustible nuclear y otros componentes de los reactores. Más recientemente, se ha empleado para estudiar aparatos explosivos y componentes de vehículos espaciales. En la actualidad, el uso de haces de neutrones está generalizado en las ciencias físicas y biológicas, así como en las aplicaciones tecnológicas. Además, el análisis de activación de neutrones es una herramienta importante en campos tan diversos como la paleontología, la arqueología o la historia del arte.

El descubrimiento del neutrón abría también paso al desarrollo de la energía nuclear de fisión. El proceso de fisión iniciado por la absorción de un neutrón en el uranio 235 libera un promedio de 2,5 neutrones en los núcleos fisionados. Estos neutrones provocan rápidamente la fisión de varios núcleos más, con lo que liberan nuevos neutrones adicionales iniciando una reacción en cadena que lleva a la liberación continuada de energía nuclear. El desarrollo de reactores nucleares de fisión hizo posible la producción a gran escala de isótopos radiactivos de casi todos los elementos de la tabla periódica. Muchos de ellos tienen un gran valor en la investigación química y biomédica, como el carbono 14. El uso de isótopos en la investigación química permite a los científicos rastrear el recorrido de ciertas moléculas en procesos activos y en organismos vivos, como el oxígeno en el proceso de fotosíntesis.

En la actualidad la investigación y el desarrollo tecnológico en torno a la energía nuclear continúan siendo un objetivo clave en las políticas energéticas de las principales potencias internacionales. Los estudios sobre instalaciones nucleares nuevas, combustibles avanzados, seguridad, impacto medioambiental,... son algunos de los aspectos que más preocupan en una perspectiva de desarrollo sostenible dominante en nuestros días.
 
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