Contenido
- ¿Cómo descubrió Chadwick el neutrón?
- La importancia de la teoría atómica de Chadwick
- Contribución de James Chadwicks a la bomba atómica
- Neutrones, radiactividad y más allá
Los científicos de hoy imaginan que los átomos están compuestos de núcleos pequeños, pesados y cargados positivamente rodeados de nubes de electrones extremadamente livianos y cargados negativamente. Este modelo data de la década de 1920, pero tiene su origen en la antigua Grecia. El filósofo Demócrito propuso la existencia de átomos alrededor del año 400 a.C. Nadie realmente tomó la idea con fervor hasta que el físico inglés John Dalton introdujo su teoría atómica a principios del siglo XIX. El modelo de Dalton estaba incompleto, pero persistió básicamente sin cambios durante la mayor parte del siglo XIX.
Una serie de investigaciones sobre el modelo atómico se produjo a fines del siglo XIX y hasta bien entrado el siglo XX, y culminó con el modelo del átomo de Schrodinger, conocido como el modelo de la nube. Poco después de que el físico Erwin Schrodinger lo introdujera en 1926, James Chadwick, otro físico inglés, agregó una pieza crucial a la imagen. Chadwick es responsable de descubrir la existencia del neutrón, la partícula neutra que comparte el núcleo con el protón cargado positivamente.
El descubrimiento de Chadwicks forzó una revisión del modelo de nubes, y los científicos a veces se refieren a la versión revisada como el modelo atómico James Chadwick. El descubrimiento le valió a Chadwick el Premio Nobel de física de 1935 e hizo posible el desarrollo de la bomba atómica. Chadwick participó en el proyecto súper secreto de Manhattan, que culminó con el despliegue de bombas nucleares en Hiroshima y Nagasaki. La bomba contribuyó a la rendición de Japón (muchos historiadores creen que Japón se habría rendido de todos modos) y al final de la Segunda Guerra Mundial. Chadwick murió en 1974.
¿Cómo descubrió Chadwick el neutrón?
J.J. Thompson descubrió el electrón utilizando tubos de rayos catódicos en la década de 1890, y el físico británico Ernest Rutherford, el llamado padre de la física nuclear, descubrió el protón en 1919. Rutherford especuló que los electrones y los protones podrían combinarse para producir una partícula neutra con aproximadamente el mismo masa como un protón, y los científicos creían que tal partícula existía por varias razones. Por ejemplo, se sabía que el núcleo de helio tenía un número atómico de 2 pero un número de masa de 4, lo que significaba que contenía algún tipo de masa misteriosa neutral. Sin embargo, nadie había observado un neutrón ni había demostrado que existiera.
Chadwick estaba particularmente interesado en un experimento realizado por Frédéric e Irène Joliot-Curie, quienes habían bombardeado una muestra de berilio con radiación alfa. Observaron que el bombardeo produjo una radiación desconocida, y cuando permitieron que golpeara una muestra de cera de parafina, observaron que los protones de alta energía se arrojaban del material.
Insatisfecho con la explicación de que la radiación estaba hecha de fotones de alta energía, Chadwick duplicó el experimento y concluyó que la radiación tenía que estar compuesta de partículas pesadas sin carga. Al bombardear otros materiales, incluidos helio, nitrógeno y litio, Chadwick pudo determinar que la masa de cada partícula era un poco más que la de un protón.
Chadwick publicó su artículo "La existencia de un neutrón" en mayo de 1932. Para 1934, otros investigadores habían determinado que el neutrón era en realidad una partícula elemental y no una combinación de protones y electrones.
La importancia de la teoría atómica de Chadwick
La concepción moderna del átomo conserva la mayoría de las características del modelo planetario establecido por Rutherford, pero con importantes modificaciones introducidas por Chadwick y el físico danés Neils Bohr.
Fue Bohr quien incorporó el concepto de órbitas discretas a las que estaban confinados los electrones. Él basó esto en principios cuánticos que eran nuevos en ese momento pero que se han establecido como realidades científicas. Según el modelo de Bohr, los electrones ocupan órbitas discretas, y cuando se mueven a otra órbita, emiten o absorben no en cantidades continuas, sino en haces de energía, llamados cuantos.
Al incorporar el trabajo de Bohr y Chadwick, la imagen moderna del átomo se ve así: La mayor parte del átomo es un espacio vacío. Los electrones cargados negativamente orbitan un núcleo pequeño pero pesado compuesto de protones y neutrones. Debido a que la teoría cuántica, que se basa en el principio de incertidumbre, considera a los electrones como ondas y partículas, no pueden ubicarse definitivamente. Solo puede hablar sobre la probabilidad de que un electrón esté en una posición particular, por lo que los electrones forman una nube de probabilidad alrededor del núcleo.
La cantidad de neutrones en el núcleo suele ser la misma que la cantidad de protones, pero puede ser diferente. Los átomos de un elemento que tienen un número diferente de neutrones se llaman isótopos de ese elemento. La mayoría de los elementos tienen uno o más isótopos, y algunos tienen varios. El estaño, por ejemplo, tiene 10 isótopos estables y al menos el doble de inestables, lo que le da una masa atómica promedio significativamente diferente al doble de su número atómico. Si el descubrimiento del neutrón por James Chadwicks nunca hubiera ocurrido, sería imposible explicar la existencia de isótopos.
Contribución de James Chadwicks a la bomba atómica
El descubrimiento de Chadwicks del neutrón condujo directamente al desarrollo de la bomba atómica. Como los neutrones no tienen carga, pueden penetrar más profundamente en los núcleos de los átomos objetivo que los protones. El bombardeo de neutrones de núcleos atómicos se convirtió en un método importante para obtener información sobre las características de los núcleos.
Sin embargo, a los científicos no les llevó mucho tiempo descubrir que bombardear uranio 235 súper pesado con neutrones era una forma de separar los núcleos y liberar una enorme cantidad de energía. La fisión del uranio produce más neutrones de alta energía que rompen otros átomos de uranio, y el resultado es una reacción en cadena incontrolable. Una vez que esto se sabía, solo se trataba de desarrollar una forma de iniciar la reacción de fisión a pedido en una carcasa entregable. Fat Man y Little Boy, las bombas que destruyeron Hiroshima y Nagasaki, fueron el resultado del esfuerzo de guerra secreto conocido como el Proyecto Manhattan que se realizó para hacer precisamente eso.
Neutrones, radiactividad y más allá
La teoría atómica de Chadwick también permite comprender la radiactividad. Algunos minerales naturales, así como los artificiales, emiten radiación espontáneamente, y la razón tiene que ver con el número relativo de protones y neutrones en el núcleo. Un núcleo es más estable cuando tiene un número igual, y se vuelve inestable cuando tiene más de uno que otro. En un esfuerzo por recuperar la estabilidad, un núcleo inestable arroja energía en forma de radiación alfa, beta o gamma. La radiación alfa se compone de partículas pesadas, cada una de las cuales consta de dos protones y dos neutrones. La radiación beta consiste en electrones y radiación gamma de fotones.
Como parte del estudio de los núcleos y la radioactividad, los científicos han diseccionado más protones y neutrones para descubrir que están compuestos de partículas más pequeñas llamadas quarks. La fuerza que mantiene unidos protones y neutrones en el núcleo se llama fuerza fuerte, y la que mantiene unidos a los quarks se conoce como fuerza de color. La fuerza fuerte es un subproducto de la fuerza del color, que depende del intercambio de gluones, que son otro tipo de partícula elemental.
La comprensión hecha posible por el modelo atómico de James Chadwick ha llevado al mundo a la era nuclear, pero la puerta a un mundo mucho más misterioso e intrincado está abierta de par en par. Por ejemplo, los científicos pueden algún día probar que todo el universo, incluidos los núcleos atómicos y los quarks de los que están hechos, está compuesto de cadenas infinitesimales de energía vibratoria. Lo que descubran, lo harán sobre los hombros de pioneros como Chadwick.