Núcleos atómicos y radiactividad (Introducción)

Todos conocemos la palabra “radiactividad”. Lo que evoca en nosotros no se limita a su definición física, sino que comporta cierta carga de misterio; rezuma poder; parece conjurar lo innombrable. Engendra emoción, pánico, comportamiento irracional. Suena, en el repertorio de los horrores posibles, como debió sonar en la Edad Media la palabra “peste”. El emblema de la radiactividad, esa especie de trébol trifolio negro sobre fondo amarillo con que se señalan las materias radiactivas —y por tanto el peligro— suma a la palabra la potencia del símbolo especializado; es la expresión de una barrera, de una interdicción.

Buen número de investigadores concuerda en que la radiactividad constituye un fenómeno misterioso. Ante todo porque se trata de un fenómeno complejo, en el que participa una gran variedad de procesos difíciles de entender, complejidad y misterio que están presentes desde su descubrimiento a finales del siglo xix. Quedaban todavía en aquella época investigadores respetables que creían en fantasmas o en ectoplasmas. Por si fuera poco, los sucesivos descubrimientos de radiaciones misteriosas —ondas de radio, rayos X, rayos catódicos, etc.— conferían vigor a la idea de que la naturaleza producía “emanaciones” capaces de actuar a distancia y que los órganos de los sentidos no podían percibir. Algunos de estos fenómenos extraños parecían guardar mutua relación: los polos eléctricos positivo y negativo de los tubos de descarga en el vacío desempeñaban papeles diferentes en la creación de fenómenos luminosos. La luz, el magnetismo, la electricidad, el vacío, los variables comportamientos de la materia sometida a estas diversas radiaciones, constituían otras tantas piezas de un rompecabezas inmenso. El descubrimiento de la radiactividad, debido a Henri Becquerel en 1896, reforzaba el enigma, porque en esta ocasión la radiación se producía sin instrumentos: parecía ser “natural” y no producto del ingenio humano.

Para la identificación de los “portadores” de estas diversas radiaciones era imprescindible un espíritu sintético. La importancia de las cargas eléctricas era evidente, pues ciertas radiaciones eran desviadas por los imanes; otras ionizaban el aire y descargaban los electroscopios de panes de oro. Tal era el caso de los rayos uránicos de Becquerel, pero también el de los rayos X de Röntgen. La fuente de las radiaciones era, obviamente, la materia. Habría de ser, por tanto, un modelo de la materia el que proporcionase una explicación. Los esfuerzos por comprender las radiaciones cuajaron en un modelo del átomo: una estructura planetaria equilibrada entre la carga positiva, residente en un núcleo pesado, y una nube de cargas eléctricas negativas portadas por electrones. Se había demostrado también que la emisión luminosa era resultado de oscilaciones de los átomos entre dos estados de diferente energía. Poco a poco fue abriéndose paso la distinción entre las emisiones de ondas electromagnéticas, afines a la luz visible, como son los rayos X, y la emisión de flujos de partículas, como sucede con los electrones de los rayos catódicos. La radiactividad consiste en emisiones de ambos tipos; se manifiesta ora por la emisión de partículas, como las partículas a (núcleos de helio) o los electrones, ora por los rayos g, ondas electromagnéticas de gran energía.

Los químicos se beneficiaron de este anhelo de comprensión de la materia. La teoría atómica facilitó la exploración de una clasificación periódica todavía insegura, pero, sobre todo, hizo que pudiera disponerse de los conceptos y los métodos llegados de la física como complemento de los criterios de clasificación tradicionales —las propiedades químicas—. No fue escaso el número de elementos que se descubrieron en esta época merced a la espectroscopía: las nuevas “rayas” luminosas —las líneas espectrales— revelaron elementos desconocidos; la intensidad de las líneas indicaba los progresos que se iban realizando en las separaciones y las purificaciones. El fenómeno de la radiactividad desempeñó este mismo papel en la preparación del polonio, primero, y del radio, después, por Marie Curie, quien medía, en lugar del espectro, el efecto de la intensidad radiactiva sobre la ionización del aire, que podía determinar con una gran precisión gracias al cuarzo piezoeléctrico de Pierre Curie, su marido. Curiosamente, y a pesar de los éxitos de los que fueron testigos presenciales, un buen número de químicos franceses se empeñaron en poner en duda la realidad del átomo hasta entrados los años treinta; así, la Sorbona continuó refiriéndose precavidamente durante mucho tiempo a la “hipótesis” atómica, mientras que todos los hechos la atestiguaban.

El descubrimiento de la radiactividad ha aportado mucho a la química. Ernest Rutherford y Frederick Soddy demostraron en 1901 la transmutación, átomo por átomo, del torio radiactivo en radio. La transmutación, el viejo sueño de los alquimistas, parecía realizada. No sólo existían los átomos, sino que se transformaban y podían ser inestables. Y el aparato de Pierre Curie, tan sensible, revelaba la enorme cantidad de energía asociada, átomo por átomo, a estos fenómenos radiactivos: una cantidad de energía que ningún otro proceso conocido ponía en juego. Nació así la idea de que la materia oculta cantidades fabulosas de energía y que la radiactividad no es, quizá, sino un medio para liberarla. El tema mítico del genio encerrado en la botella salió a la luz sin tardanza: la primera descripción de una bomba atómica (a base de radio) se encuentra en una novela de Anatole France, La isla de los pingüinos. La radiactividad entraba en la cultura.

Las energías observadas rebasaban las percibidas por la química habitual. Comenzaba el estudio de la estructura del núcleo. Al mismo tiempo, las radiaciones y, sobre todo, los rayos X revelaban por difracción la disposición geométrica de los átomos en los cristales. No sólo se volvía a descubrir en la materia a los sólidos platónicos, sino también a las leyes matemáticas que gobiernan la simetría y los números. La física (y la química) tornábanse matemática. La teoría cuántica llevaba las ecuaciones hasta el corazón de la materia. Mediante observaciones de gran sutileza fue posible establecer las leyes de las radiaciones radiactivas, se logró conjeturar la estructura de los núcleos y se consiguió la identificación de las entidades que lo componen: los protones y los neutrones. Las primeras experiencias contenían ya los gérmenes de la actual física de las partículas “elementales”: la materia es un ensamblaje de quarks, gluones, etc. La radiactividad es madre de una física nuclear experimental, esa que construye gigantescos “cascanueces” donde se hacen chocar frontalmente partículas aceleradas a enorme velocidad, para luego rebuscar entre los residuos indicios de la forma en que están construidos los protagonistas de estos choques.

Más poético es el neutrino, la partícula que acompaña al electrón en una de las formas de radiactividad, la radiactividad b. El neutrino desafía a los investigadores por su indiferencia ante la materia, a la que atraviesa sin interacción (motivo por el que este tipo de radiación carece de aplicaciones). Hoy es perseguido por las montañas de los Alpes o del Cáucaso, con la intención de tenderle una trampa basada en sus escasas interacciones con ciertos elementos. Plantea con toda claridad el problema de los detectores, es decir, de los instrumentos o procedimientos que revelen lo que nos es invisible. El antepasado del detector nuclear es la placa fotográfica utilizada por Becquerel. Los detectores actuales no sólo pueden medir la intensidad de una radiación, sino también su energía.

No todas las diferentes ramas de la física y de la química nacidas del estudio de la radiactividad son tan difíciles como la búsqueda de la Gran Unificación (esto es, de un único formalismo que describa todas las interacciones de la naturaleza). Algunas de ellas poseen aplicaciones prácticas, utilitarias y, sobre todo, militares. La radiactividad artificial fue descubierta en el decenio de 1930; se fabricaron en aquella época cierto número de elementos inexistentes en la naturaleza; también se elaboraron las técnicas de separación (de enriquecimiento) de isótopos radiactivos poco concentrados en las fuentes naturales (caso de los minerales de uranio, por ejemplo). Gracias a fisiones espontáneas de los núcleos, en cascada o en cadena, estos elementos podían engendrar, de un solo golpe, una monstruosa cantidad de energía. La bomba atómica ha dado cuerpo al mito de la aniquilación mediante una bola de fuego. Sin embargo, controlado, domesticado, ralentizado, el mismo proceso físico proporciona una fuente de energía térmica controlable: en las centrales nucleares, la energía desprendida de las reacciones nucleares provoca la ebullición del agua de una máquina de vapor que, asociada a un generador, produce electricidad.

En los Estados Unidos, durante la Segunda Guerra Mundial, el Proyecto Manhattan demostró la importancia de la calidad de los materiales en cualquier explotación de la radiactividad. Fue necesario, así, purificar el grafito con extremo cuidado para poner a punto, en Chicago, la primera pila atómica. El arte de la preparación de sustancias activas ha progresado mucho y, con él, el conocimiento de las interacciones entre la radiación y la materia. El trabajo emprendido contribuyó más tarde a la puesta a punto de los luminóforos de las pantallas de televisión y a la fabricación del silicio monocristalino ultrapuro, indispensable en los dispositivos electrónicos, en los transistores y los circuitos integrados. Tal es la participación de la radiactividad en la revolución informática, en los formidables progresos del cálculo numérico y del tratamiento de datos. Los modos de producción indispensables en lo nuclear se transfirieron a la industria y han conducido a la fabricación de multitud de objetos que se utilizan hoy de forma habitual.

La radiactividad no es como la electricidad: no basta pulsar un botón para conectarla o desconectarla; existe permanentemente. La duración de su vida o, mejor, las duraciones de sus vidas, nos dejan atónitos. El abanico de duraciones es inmenso, desde una fracción de milisegundo hasta varios miles de millones de años. Ciertos átomos radiactivos se transforman inmediatamente, otros lo hacen al cabo de tiempos geológicos. Los radioquímicos estudian átomos “calientes”, elementos de gran masa atómica, que se producen durante las reacciones nucleares y tienen muy efímera existencia; durante este tiempo tan breve realizan operaciones químicas tradicionales manejando cantidades ínfimas. Es la química llevada a lo extremo.

En medicina y en las ciencias de la Tierra, la radiactividad ofrece una importante ventaja: se puede rastrear con un ejército de sensibles detectores inventados por los físicos. Introducidos en la naturaleza o en el organismo, los elementos radiactivos ofrecen la posibilidad de estudiar recorridos o procesos, del mismo modo que un colorante sigue las correrías de un líquido.

La radiactividad está muy ligada al tiempo. Por un lado, ayuda a los geólogos a medir la edad de la Tierra y a los arqueólogos a datar los yacimientos prehistóricos. Por otro, inspira una fuerte angustia, porque es indestructible. Incluso enterrada a gran profundidad, la sentimos como una fiera al acecho, que espera que nos olvidemos de ella para atacar a los inocentes futuros. La radiactividad posee la imagen implacable de la paciencia.

Al principio se consideró la radiactividad como una forma concreta de radiación y los rayos eran, genéricamente, buenos. Esto tal vez se debiera a que en la imaginería religiosa tradicional la Divinidad irradia y se comunica a distancia con los fieles mediante haces de luz. Ello no impide que los rayos sean efectivamente buenos y que la radiactividad cure más de lo que mata. Son millares las personas cuidadas y curadas anualmente por la medicina nuclear. Numerosos tumores se eliminan definitivamente mediante los “rayos”.

El temor, legítimo, de accidente técnico de gran importancia quedó reforzado por los acontecimientos de Chernóbil. Sin embargo, los controles de las instalaciones nucleares industriales son estrictos. También producen inquietud las dosis que la población recibe de las fuentes naturales en ciertas zonas graníticas; es cierto que en nuestro mundo bañado de influencias físicas y psicológicas son múltiples las causas que coadyuvan a las patologías. La radiactividad es inseparable de la noción de riesgo, un riesgo que han de afrontar todas las civilizaciones técnicas.

El descubrimiento y el dominio de la radiactividad constituye una de las grandes conquistas de la humanidad. Amplía desmesuradamente el poder del hombre y hace gravitar sobre el destino de nuestra especie la amenaza de la locura de unos pocos. Pero ha sido el germen, tanto conceptual como técnico, de multitud de avances de los que nos beneficiamos a diario. Se encuentra asimismo anclada en la imaginación colectiva. El mundo no podía seguir siendo el mismo tras el descubrimiento de este asombroso fenómeno natural que es la radiactividad.

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  • Núcleos atómicos y radiactividad

    Temas IyC Nº 9

    Julio/Septiembre 1997

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