Descubrimiento del neutrón

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

El descubrimiento del neutrón y de sus propiedades fue fundamental para comprender el extraordinario desarrollo de la física atómica en la primera mitad del siglo XX. Ernest Rutherford ideó a principios del siglo XX un modelo rudimentario del átomo,[1]​: 188 [2]​ basado en el experimento de la lámina de oro bombardeada con partículas alfa, realizado por sus colaboradores Hans Geiger y Ernest Marsden. En este modelo, los átomos tenían su masa y su carga eléctrica positiva concentrados en un núcleo muy pequeño.[3]​ En 1920, se descubrieron los primeros isótopos de algunos elementos químicos, se determinó que las masas atómicas eran (aproximadamente) múltiplos enteros de la masa del átomo de hidrógeno,[4]​ y se identificaron los números atómicos con la carga presente en el núcleo de cada elemento.[5]​: §1.1.2  En la década de 1920, se consideraba que el núcleo estaba compuesto por combinaciones de protones y de electrones, las dos partículas elementales conocidas en ese momento, aunque este 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 se trataba de una nueva partícula elemental, distinta del protón.[7]​[8]​: 55 

El neutrón, una partícula sin carga eléctrica, fue inmediatamente explotado como un nuevo medio para sondear la estructura nuclear, lo que llevó a descubrimientos tales como la creación de nuevos elementos radiactivos mediante irradiación de neutrones (1934) y la fisión de átomos de uranio cuando captaban neutrones (1938).[9]​ El descubrimiento de la fisión condujo a la creación tanto de la energía nuclear como de las armas nucleares al final 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 construidas a partir de cuarks.[10]​

Descubrimiento de la radiactividad[editar]

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 negaron que los átomos fueran reales, considerándolos una construcción matemática conveniente, mientras que científicos como Arnold Sommerfeld y Ludwig Boltzmann vieron que las teorías físicas requerían 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 desde los Laboratorios Cavendish distinguió dos tipos de radiactividad, las partículas alfa y las partículas beta, que diferían en su capacidad para penetrar o atravesar objetos o gases ordinarios. Dos años más tarde, Paul Ulrich Villard descubrió los rayos gamma, que poseían un poder de penetración aún mayor.[1]​: 8–9  Estas radiaciones pronto fueron identificadas con partículas conocidas: Walter Kaufmann demostró que los rayos beta eran electrones en 1902; Rutherford y Thomas Royds demostraron en 1907 que los rayos alfa eran iones de helio; y Rutherford y Edward Andrade demostraron en 1914 que los rayos gamma eran radiación electromagnética, es decir, una forma de luz.[1]​: 61–62, 87  También se había identificado que estas radiaciones emanaban de los átomos, y por lo tanto, proporcionaron pistas sobre los procesos que ocurren en su interior. Por el contrario, las radiaciones también fueron reconocidas como herramientas que podrían utilizarse en experimentos de dispersión para sondear el interior de los átomos.[11]​: 112–115 

El experimento de la lámina de oro y el descubrimiento del núcleo atómico[editar]

Véanse también: Teoría atómica y Modelo atómico de Thomson.
Esquema del núcleo de un átomo que genera radiación beta-, la emisión de un electrón rápido desde el núcleo (se omite el antineutrino que lo acompaña). En el modelo de Rutherford del 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 detalle insertado muestra la desintegración beta de un neutrón libre tal como se entiende hoy: en este proceso se crean un protón, un electrón y un antineutrino

En la Universidad de Mánchester, Rutherford dirigió a Hans Geiger y a Ernest Marsden entre 1908 y 1913 en una serie de experimentos para determinar qué sucede cuando las partículas alfa se dispersan a través de una lámina de metal. Ahora llamado experimento de la lámina de oro de Rutherford, o experimento Geiger-Marsden, estas mediciones hicieron el extraordinario descubrimiento de que, aunque la mayoría de las partículas alfa que pasaban a través de una fina lámina de oro experimentaron poca desviación, unas pocas se dispersaron con ángulos elevados. La dispersión indicaba que algunas de las partículas alfa rebotaron en un componente pequeño, pero denso, situado dentro de los átomos. Basándose en estas mediciones, Rutherford se dio cuenta en 1911 de que el átomo consistía en un núcleo pequeño y masivo con carga positiva, rodeado por una nube mucho más grande de electrones con carga negativa. Se necesitaba la masa atómica concentrada para proporcionar la desviación observada de las partículas alfa, y Rutherford desarrolló un modelo matemático que tenía en cuenta la dispersión observada.[2]​

El modelo de Rutherford fue muy influyente, motivó el modelo atómico de Bohr para los electrones que orbitaban alrededor del núcleo en 1913[12]​ y finalmente condujo a la mecánica cuántica a mediados de la década de 1920.

Descubrimiento de isótopos[editar]

Simultáneamente con el trabajo de Rutherford, Geiger y Marsden, el radioquímico Frederick Soddy estaba estudiando en la Universidad de Glasgow problemas relacionados con la química en materiales radiactivos, y ya había trabajado con Rutherford sobre la radioactividad en la Universidad McGill.[13]​ En 1910, entre el uranio y el plomo se habían identificado unos 40 elementos radiactivos diferentes, denominados radioelementos, aunque la tabla periódica solo permitía 11 elementos. Soddy y Kasimir Fajans descubrieron de forma independiente en 1913 que un elemento en desintegración alfa produciría un elemento dos lugares a la izquierda en el sistema periódico y un elemento en desintegración beta produciría un elemento un lugar a la derecha en el sistema periódico. Además, aquellos radioelementos que residen en los mismos lugares del sistema periódico son químicamente idénticos. Soddy llamó a estos elementos químicamente idénticos isótopos.[14]​: 3–5 [15]​ Por su estudio de la radiactividad y el descubrimiento de los isótopos, Soddy recibió el Premio Nobel de Química en 1921.[16]​

Réplica del tercer espectrómetro de masas de Aston

A partir del trabajo de Joseph John Thomson sobre la desviación de átomos cargados positivamente por campos eléctricos y magnéticos, Francis Aston construyó el primer espectrómetro de masas en el Laboratorio Cavendish en 1919, con el que pudo separar los dos isótopos del neón, el 20Ne y el 22Ne. Aston estableció la regla de los números enteros, es decir, que las masas de todas las partículas tienen relaciones de números enteros con respecto al oxígeno-16,[17]​ que consideró que tenía una masa de exactamente 16.[4]​ (hoy en día, el número entero de la regla de Aston se expresa en múltiplos de unidad de masa atómica (uma) en relación con el carbono-12).[18]​ 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 por fuera de los límites de la incertidumbre experimental.

Dado que la equivalencia entre masa y energía de Einstein se conocía desde 1905, Aston y otros rápidamente se dieron cuenta de que la discrepancia de masa se debe a la energía de enlace de los átomos. Cuando el contenido de varios átomos de hidrógeno está unido en un solo átomo, la energía del átomo debe ser menor que la suma de las energías de los átomos de hidrógeno separados y, por lo tanto, la masa del átomo es menor que la suma de las masas de los átomos de hidrógeno. El trabajo de Aston[4]​ sobre los isótopos le valió el Premio Nobel de Química de 1922, por el descubrimiento de isótopos en una gran cantidad de elementos no radiactivos y por su enunciación de la regla de los números enteros.[19]​ Tomando nota del reciente descubrimiento de Aston de la energía de unión nuclear, Arthur Stanley Eddington sugirió en 1920 que las estrellas pueden obtener su energía fusionando hidrógeno (protones) en helio, y que los elementos más pesados pueden formarse en las estrellas.[20]​

Número atómico y ley de Moseley[editar]

Artículo principal: 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 funcionara el modelo de Rutherford. La carga requerida del núcleo atómico solía ser aproximadamente la mitad de su masa atómica.[21]​: 82  Antonius van den Broek planteó audazmente 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 de los elementos.[1]​: 228  En aquel momento, no se sabía que las posiciones de los elementos en la tabla periódica tuvieran ningún significado físico. Sin embargo, si los elementos se ordenaban en función de una masa atómica creciente, se mostraba periodicidad en sus propiedades químicas, aunque había excepciones a esta periodicidad, como el cobalto y el níquel.[22]​[23]​: 180 

En 1913, Henry Moseley discutió el nuevo modelo atómico de Bohr con el propio Niels Bohr, que estaba de visita en la Universidad de Mánchester.[21]​ El modelo tenía en cuenta 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 ordenamiento por peso o por su posición en la tabla periódica.[24]​: 346  En 1913-1914 Moseley analizó la cuestión experimentalmente, utilizando técnicas de difracción de rayos X. Descubrió que la línea de longitud de onda corta más intensa en el espectro de rayos X de un elemento particular, conocida como 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  y descubrió que las frecuencias de la radiación estaban relacionadas de forma sencilla con el número atómico de los elementos para un gran número de ellos.[25]​[5]​: 5 [23]​: 181 

Al cabo de un año se observó que la ecuación de la relación, ahora denominada ley de Moseley, podía explicarse en términos del modelo de Bohr de 1913, con suposiciones adicionales razonables sobre la estructura atómica de otros elementos.[26]​: 87  El resultado de Moseley, según la explicación posterior de Bohr, no solo estableció el número atómico como una cantidad experimental mensurable, sino que también le dio un significado físico como carga positiva en el núcleo atómico. Los elementos podrían ordenarse en la tabla periódica de los elementos por su número atómico, en lugar de por su 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. Rutherford, Bohr y otros lo citaron como un avance crítico en la comprensión de la naturaleza del núcleo atómico.[29]​

El estallido de la Primera Guerra Mundial interrumpió la investigación en física atómica. Moseley murió en 1915 en la batalla de Galípoli,[30]​[23]​: 182  mientras que el estudiante de Rutherford, James Chadwick, estuvo internado en Alemania durante la guerra (de 1914 a 1918).[31]​ En Berlín también se interrumpieron los trabajos de investigación de Lise Meitner y de Otto Hahn sobre la determinación de las cadenas de desintegración radiactiva del radio y del uranio mediante una separación química precisa.[9]​: §4  Meitner pasó gran parte de la guerra trabajando como radióloga y técnico médico en rayos X cerca del frente austríaco, mientras que Hahn, un químico, trabajó en la investigación sobre gases tóxicos para su uso bélico.[9]​: 61–62, 68 

Átomo de Rutherford[editar]

Ernest Rutherford
Véase también: Descubrimiento del protón

En 1920, Rutherford pronunció la Lectura Bakeriana en la Royal Society titulada "Constitución nuclear de los átomos", un resumen de los experimentos recientes sobre núcleos atómicos y sobre las conclusiones acerca de la estructura de los núcleos atómicos.[32]​[8]​: 23 [5]​: 5  En 1920 se suponía ampliamente la existencia de electrones dentro del núcleo atómico. Se pensaba que el núcleo de los distintos elementos estaba formado por 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 darle 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  Tal modelo era consistente con la dispersión de partículas alfa de 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 ese momento, "Tenemos fuertes razones para creer que los núcleos de los átomos contienen electrones así como cuerpos cargados positivamente...",[32]​: 376–377  es decir, 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 constaba de cuatro protones y dos electrones estrechamente unidos para darle carga +2 y masa 4. En un artículo de 1919,[33]​ Rutherford había informado del aparente descubrimiento de una nueva partícula doblemente cargada de masa 3, denotada como X++, interpretada como compuesta por tres protones y un electrón estrechamente unido. Este resultado sugirió a Rutherford la probable existencia de dos nuevas partículas: una de dos protones con un electrón estrechamente unido y otra de un protón y un electrón estrechamente unidos. Más tarde se determinó que la partícula X++ tenía masa 4 y que era simplemente una partícula alfa de baja energía.[8]​: 25  Sin embargo, Rutherford había conjeturado la existencia del deuterón, una partícula con 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 Clayton Urey.[34]​ La masa de la hipotética partícula neutra sería poco diferente de la del protón. Rutherford determinó que una partícula de carga cero 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, llamó neutrón a la partícula sin carga.[35]​[36]​[37]​[5]​: 6  Por esa misma época se adoptó la palabra protón para referirse al núcleo de hidrógeno.[38]​ El término neutrón aparentemente se construyó a partir de la raíz latina para neutral y la terminación griega -on (por imitación de los términos electrón y protón).[39]​[40]​ Sin embargo, se pueden encontrar desde 1899 referencias a la palabra neutrón en relación con el átomo.[1]​: 398 [35]​

Rutherford y Chadwick comenzaron inmediatamente un programa experimental en los Laboratorios 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", Gueorgui Gámov, entonces en el Instituto de Física Teórica de Copenhague, no mencionó el neutrón.[41]​ En el momento de sus mediciones en París en 1932 que finalmente conducirían al descubrimiento del neutrón, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot-Curie desconocían la conjetura.[42]​

Problemas de la hipótesis de los electrones nucleares[editar]

En la década de 1920, los físicos asumieron que el núcleo atómico estaba compuesto de protones y de "electrones nucleares".[8]​: 29–32 [43]​ Bajo esta hipótesis, el núcleo de nitrógeno-14 (14N) estaría compuesto por 14 protones y 7 electrones, de modo que tendría una carga neta de +7 unidades carga eléctrica 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 del 14N. Sin embargo, pronto se hicieron evidentes los problemas de esta hipótesis.

Ralph Kronig señaló en 1926 que la transición hiperfina observada de los espectros atómicos era inconsistente 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 divisiones de líneas espectrales hiperfinas similares a las del 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 N2+. Las mediciones de precisión realizadas por Leonard Ornstein, director del Laboratorio de Física de Utrecht, demostraron que el espín del núcleo de nitrógeno debe ser igual a uno. Sin embargo, si el núcleo de nitrógeno-14 (14N) estuviera compuesto por 14 protones y 7 electrones, un número impar de partículas de espín 1/2, entonces el espín nuclear resultante debería ser medio entero. Por lo tanto, Kronig sugirió que tal vez "los protones y los electrones no conservan su identidad en la misma medida que lo hacen fuera del núcleo".[1]​: 299–301 [45]​: 117 

Las observaciones de los niveles de energía rotacional de moléculas diatómicas utilizando espectroscopia Raman por Franco Rasetti en 1929 fueron inconsistentes con las valores estadísticos esperables de la hipótesis protón-electrón. Rasetti obtuvo espectros de bandas para las moléculas de H2 y N2. Si bien las líneas de ambas moléculas diatómicas mostraron alternancia en intensidad entre luz y oscuridad, el patrón de alternancia del H2 era opuesto al del N2. Después de analizar cuidadosamente estos resultados experimentales, los físicos alemanes Walter Heitler y Gerhard Herzberg demostraron que los núcleos de hidrógeno obedecen a la estadística de Fermi y los núcleos de nitrógeno obedecen a la estadística de Bose. Sin embargo, un resultado inédito de Eugene Paul Wigner mostró que un sistema compuesto con un número impar de partículas de espín 1/2 debe obedecer a las estadísticas de Fermi; mientras que un sistema con un número par de partículas de espín 1/2 obedece a las estadísticas de Bose. Si el núcleo de nitrógeno tuviera 21 partículas, debería obedecer a 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, presentó más objeciones de la mecánica cuántica a la noción de electrones confinados dentro del núcleo. Derivada de la ecuación de Dirac, esta paradoja clara y precisa sugirió 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, ningún pozo de potencial podía confinar un electrón dentro de un núcleo. El significado de esta paradoja fue intensamente debatido en su momento.[44]​: 199–200 

Alrededor de 1930 se reconocía en general que era difícil conciliar el modelo protón-electrón para los núcleos con la relación de indeterminación de Heisenberg de la mecánica cuántica.[44]​: 199 [1]​: 299  Esta relación, Δx⋅Δp ≥ 1⁄2ħ, implica que un electrón confinado en una región del tamaño de un núcleo atómico normalmente tiene una energía cinética de aproximadamente 40 MeV,[1]​): 299 [48]​ que es mayor que la energía observada de las partículas beta emitidas desde el núcleo.[1]​ Esta energía también es mucho mayor que la energía de enlace de los nucleones,[47]​: 89  que Aston y otros habían demostrado que era inferior a 9 MeV por nucleón.[49]​: 511 

En 1927, Charles Ellis y W. Wooster midieron en el Laboratorio Cavendish las energías de los electrones en desintegración ß. 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 este proceso de "electrones nucleares" no conservaba la energía. 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, en la medida en que las leyes de la mecánica cuántica habían anulado recientemente las leyes de la mecánica clásica.

Si bien todas estas consideraciones no "probaban" que un electrón no pudiera existir en el núcleo, eran confusas y difíciles de interpretar para los físicos. Se inventaron muchas teorías para explicar por qué los argumentos anteriores podían estar equivocados.[50]​: 4–5  En su monografía de 1931, Gamow resumió todas estas contradicciones, marcando las afirmaciones relativas a los electrones en el núcleo con símbolos de advertencia.[43]​: 23 

Descubrimiento del neutrón[editar]

En 1930, Walther Bothe y su colaborador Herbert Becker, descubrieron en Gießen (Alemania), que si las partículas alfa energéticas emitidas por el polonio caían sobre ciertos elementos ligeros, específicamente berilio (9
4Be), boro (11
5B) o litio (7
3Li), se emitía una radiación inusualmente penetrante.[51]​ El berilio produjo la radiación más intensa. El polonio es altamente radiactivo, produce radiación alfa energética y se usaba comúnmente para experimentos de dispersión en ese momento.[41]​: 99–110  La radiación alfa puede verse influida por un campo eléctrico, porque está compuesta de partículas cargadas. Sin embargo, la radiación penetrante observada no se vio influida por ningún campo eléctrico, por lo que se pensó que eran rayos gamma. La radiación era más penetrante que cualquier rayo gamma conocido, y los detalles de los resultados experimentales eran difíciles de interpretar.[52]​[53]​[41]​

Un 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 más tarde, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot-Curie en París demostraron que si esta radiación desconocida incidía sobre parafina o cualquier otro compuesto que contenía hidrógeno, expulsaba protones de muy alta energía (5 MeV).[54]​ Esta observación no era en sí misma inconsistente con la supuesta naturaleza de rayos gamma de la nueva radiación, pero esa interpretación (según la dispersión Compton) tenía un problema lógico. Por consideraciones de energía y momento, un rayo gamma tendría que tener una energía increíblemente alta (50 MeV) para dispersar un protón masivo.[5]​: §1.3.1  En Roma, el joven físico Ettore Majorana declaró que la manera en que la nueva radiación interactuaba con los protones requerían una partícula neutra tan pesada como un protón, pero se negó a publicar su resultado a pesar del apoyo de Enrico Fermi.[55]​

Al enterarse de los resultados de París, Rutherford y James Chadwick del Laboratorio Cavendish tampoco creyeron en la hipótesis de los rayos gamma, ya que no se verificaba la conservación de la energía.[56]​ Con la ayuda de Norman Feather,[57]​ Chadwick realizó rápidamente una serie de experimentos que demostraron que la hipótesis de los rayos gamma era insostenible. El año anterior, Chadwick, J.E.R. Constable y E.C. Pollard ya habían realizado experimentos sobre la desintegración de elementos ligeros utilizando radiación alfa del polonio.[58]​ 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: 9Be + 4He (α) → 12C + 1n. 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. Como en el experimento de París, la radiación dispersó energéticamente algunos de los protones. Chadwick midió el alcance de estos protones y también midió cómo la nueva radiación impactaba los átomos de varios gases.[59]​ Las mediciones de la energía de retroceso mostraron que la masa de las partículas de radiación debe ser similar a la masa del protón: la nueva radiación no podría estar compuesta por rayos gamma. Las partículas sin carga con aproximadamente la misma masa que el protón coincidían con las propiedades descritas por Rutherford en 1920, y que más tarde se denominaron neutrones.[60]​[6]​[61]​[62]​ Chadwick ganó el Premio Nobel de Física en 1935 por este descubrimiento.[63]​

El año 1932 fue posteriormente denominado "annus mirabilis" para la física nuclear en el Laboratorio Cavendish,[59]​ con los descubrimientos del neutrón, de la desintegración nuclear artificial mediante el acelerador de partículas Cockcroft-Walton y del positrón.

Modelo protón-neutrón del núcleo[editar]

Dados los problemas del modelo protón-electrón,[43]​[64]​ rápidamente se aceptó que el núcleo atómico está compuesto de protones y de neutrones, aunque la naturaleza precisa del neutrón inicialmente no estaba clara. Meses después del descubrimiento del neutrón, Werner Heisenberg[65]​[66]​[67]​[62]​ y Dmitri Ivanenko[68]​ habían propuesto modelos protón-neutrón para el núcleo.[69]​ Los artículos emblemáticos de Heisenberg abordaron la descripción de protones y de neutrones en el núcleo a través de la mecánica cuántica. Si bien la teoría de Heisenberg sobre los protones y neutrones en el núcleo fue un "gran paso hacia la comprensión del núcleo como un sistema mecánico cuántico",[70]​ todavía asumió la presencia de electrones nucleares. En particular, supuso que el neutrón era un compuesto de protón-electrón, para lo cual no existía explicación en la mecánica cuántica. Tampoco tenía ninguna explicación de cómo los electrones ligeros podían unirse al núcleo, e 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 distinguían por el valor de sus números cuánticos nucleares (isospín).

El modelo protón-neutrón explicó el enigma del dinitrógeno. Cuando se propuso que el 14N constara de 3 pares de protones y otros 3 pares de neutrones, con un neutrón y un protón no apareados adicionales, cada uno de los cuales aportaba un giro de 1⁄2 h en la misma dirección para un giro total de 1 h, el modelo se volvió viable.[71]​[72]​[73]​ Pronto, los neutrones se utilizaron para explicar naturalmente las diferencias de espín en muchos nucleidos diferentes de la misma manera.

Si el modelo protón-neutrón para el núcleo resolvió muchas cuestiones, destacó el problema de explicar los orígenes de la radiación beta. Ninguna teoría existente podía explicar cómo los electrones, o positrones,[74]​ era posible que emanasen del núcleo.[75]​ En 1934, Enrico Fermi publicó su artículo clásico que describe el proceso de la radiación beta, en el que el neutrón se desintegra en un protón, y "creando" un electrón y un neutrino (aún no descubierto).[76]​ El artículo empleó la analogía de que los fotones, o radiación electromagnética, son creados y destruidos de manera similar en los procesos atómicos. Ivanenko había sugerido una analogía similar en 1932.[71]​[77]​ La teoría de Fermi requiere que el neutrón sea una partícula de espín 1⁄2. La teoría preservaba el principio de conservación de la energía, que había sido cuestionado por la distribución continua de energía de las partículas beta. La teoría básica de la desintegración beta propuesta por Fermi fue la primera en mostrar cómo se podían crear y destruir partículas. Estableció una teoría básica general para la interacción de partículas mediante fuerzas fuertes o débiles.[76]​ 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.[70]​

La naturaleza del neutrón[editar]

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.[78]​[79]​ En 1932 Harrie Massey exploró un modelo para un neutrón compuesto para tener en cuenta por ejemplo su gran poder de penetración a través de la materia y su neutralidad eléctrica.[80]​ La cuestión era un legado de la opinión predominante desde 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 el séptimo Congreso Solvay celebrado en octubre de 1933, al que asistieron Heisenberg, Niels Bohr, Lise Meitner, Ernest Lawrence, Fermi, Chadwick y otros.[70]​[81]​ Tal como planteó Chadwick en su Lectura Bakeriana de 1933, la cuestión principal era la masa del neutrón en relación con el protón. Si la masa del neutrón fuera menor que las masas combinadas de un protón y de un electrón (1,0078), entonces el neutrón podría ser un compuesto protón-electrón debido al defecto de masa de la energía de enlace nuclear. Si era mayor que las masas combinadas, entonces el neutrón era una partícula elemental como el protón.[61]​ La pregunta fue difícil de responder porque la masa del electrón es solo el 0,05% de la del protón, por lo que se requirieron mediciones excepcionalmente precisas.

La dificultad de realizar la medición queda ilustrada por los amplios valores de masa del neutrón obtenidos entre 1932 y 1934. El valor aceptado hoy es de 1,00866. En el artículo de Chadwick de 1932 que informaba sobre el descubrimiento, estimó que la masa del neutrón estaba entre 1,005 y 1,008.[56]​ Bombardeando boro con partículas alfa, Frédéric e Irène Joliot-Curie obtuvieron un valor elevado de 1,012, mientras que el equipo de Ernest Lawrence de la Universidad de California midió el pequeño valor de 1,0006 utilizando su nuevo ciclotrón.[82]​

En 1935, Chadwick y su estudiante de doctorado Maurice Goldhaber resolvieron el problema al informar sobre la primera medición precisa de la masa del neutrón. Utilizaron los rayos gamma de 2,6 MeV del talio-208 (208Tl) (entonces conocido como torio C") para fotodesintegrar el deuterón:[83]​

2
1D 		 +  γ  →  1
1H 		 +  n

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

md  +  b.e.  =  mp  +  mn

donde md,p,n se refiere a la masa del deuterón, protón o neutrón, y "b.e." es la energía de enlace. Se conocían las masas del deuterón y del protón (Chadwick y Goldhaber utilizaron valores de 2,0142 u y 1,0081 u, respectivamente). Descubrieron que la masa del neutrón era ligeramente mayor que la masa del protón 1,0084 o 1,0090, dependiendo del valor preciso utilizado para la masa del deuterón.[7]​ La masa del neutrón era demasiado grande para ser un compuesto de protón-electrón y, por lo tanto, se identificó al neutrón como una partícula elemental.[56]​ Chadwick y Goldhaber predijeron que un neutrón libre podría desintegrarse en un protón, un electrón y un neutrino (desintegración beta).

Física de neutrones en la década de 1930[editar]

Véanse también: Momento magnético de los nucleones, Enrico Fermi, Lise Meitner, Otto Hahn y Descubrimiento de la fisión nuclear.

Poco después del descubrimiento del neutrón, la evidencia indirecta sugirió que 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 anormalmente grande.[84]​[85]​ En 1934, grupos liderados por Stern, entonces ya en Pittsburgh, e [[Isidor Isaac Rabi] en Nueva York habían deducido de forma independiente que el momento magnético del neutrón era negativo e inesperadamente grande midiendo los momentos magnéticos del protón y del deuterio.[79]​[86]​[87]​[88]​[89]​ Los valores para el momento magnético del neutrón también fueron determinados por Robert Bacher[90]​ (1933) en Ann Arbor e Ígor Tam y Semen Altshuler[79]​[91]​ (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 equipo de Rabi había deducido valores precisos para el momento magnético del neutrón utilizando mediciones que empleaban técnicas de resonancia magnética nuclear recientemente desarrolladas.[89]​ El gran valor del momento magnético del protón y el valor negativo inferido del momento magnético del neutrón fueron inesperados y plantearon muchas preguntas.[79]​

Fermi y sus alumnos (los chicos de la Vía Panisperna) en el patio del Instituto de Física de la Universidad de Roma, en la Vía Panisperna, alrededor de 1934. De izquierda a derecha: Oscar D'Agostino, Emilio Gino 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 décadas anteriores en experimentos de dispersión, pero dichas partículas, que son núcleos de helio, tienen carga +2. Esta carga dificulta que las partículas alfa superen la fuerza repulsiva de Coulomb e interactúen directamente con los núcleos de los átomos. Como los neutrones no tienen carga eléctrica, no necesitan superar esta fuerza para interactuar con los núcleos. Casi coincidiendo con su descubrimiento, Norman Feather, colega y protegido de Chadwick, utilizó neutrones en experimentos de dispersión con nitrógeno.[92]​ Feather pudo demostrar que los neutrones que interactuaban con los núcleos de nitrógeno se dispersaban en protones o inducían la desintegración del nitrógeno para formar boro con la emisión de una partícula alfa. Por 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 estos elementos de alto número atómico. Al darse cuenta de 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 frenando los neutrones y aumentando así las posibilidades de que el neutrón interactuara con los núcleos. Por lo tanto, hizo pasar los neutrones a través de cera de parafina para ralentizarlos, y descubrió que la radiactividad de algunos elementos bombardeados aumentaba en un factor de decenas a cientos.[93]​ La sección eficaz para la interacción con 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 irradiación de neutrones y por su descubrimiento relacionado de los procesos nucleares provocados por neutrones lentos".[94]​[95]​

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 en neutrones adicionales

En Berlín, la colaboración de Lise Meitner y de 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 radiactiva a partir de estos experimentos, todos los cuales consideraron como transuránicos.[96]​ Los nucleidos transuránicos son aquellos que tienen un número atómico mayor que el uranio (92), y están formados por absorción de neutrones. Estos nucleidos no se producen de forma natural. En julio de 1938, Meitner se vio obligada a escapar de la persecución antisemita de la Alemania nazi después del Anschluss (la anexión de Austria por parte de Alemania), y pudo conseguir un nuevo puesto en Suecia. El experimento decisivo del 16 al 17 de diciembre de 1938 (utilizando un proceso químico llamado "fraccionamiento radio-bario-mesotorio") produjo resultados desconcertantes: lo que habían entendido que eran tres isótopos de radio se comportaban consistentemente como bario.[9]​ El radio (número atómico 88) y el bario (número atómico 56) están en el 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 cambio, nucleidos mucho más ligeros, como el bario, lantano, cerio y elementos platinoides ligeros. Meitner y su sobrino Otto Robert Frisch interpretaron inmediata y correctamente estas observaciones como resultado de la fisión nuclear, un término acuñado por Frisch.[97]​

Hahn y sus colaboradores habían detectado la división de los núcleos de uranio, 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 global de físicos atómicos y al público en general.[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.[98]​ Frédéric Joliot-Curie y su equipo demostraron que este fenómeno era una reacción nuclear 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".[99]​[100]​

Después de 1939[editar]

Véanse también: Chicago Pile-1 y Cronología de los descubrimientos de partículas.
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, que pasaron de Europa a localizarse en los Estados Unidos. Un gran número de científicos estaban migrando a los Estados Unidos para escapar de los problemas y del antisemitismo en Europa, así como de la guerra[101]​: 407–410  que se avecinaba (véase historia militar de los judíos estadounidenses). Los nuevos centros de investigación nuclear fueron las universidades de los Estados Unidos, particularmente la Universidad de Columbia en Nueva York y la Universidad de Chicago, donde se había mudado Enrico Fermi,[102]​[103]​ así como una instalación de investigación secreta en el Los Álamos, Nuevo México, establecida en 1942, el nuevo hogar del Proyecto Manhattan.[104]​ Este proyecto en tiempos de guerra se centró en la construcción de armas nucleares, explotando la enorme energía liberada por la fisión del uranio o del plutonio a través de reacciones en cadena basadas en neutrones.

Los descubrimientos del neutrón y del positrón en 1932 fueron el comienzo del descubrimiento de muchas partículas nuevas. Los muones se descubrieron en 1936. Los piones y los kaones se descubrieron en 1947, mientras que las partículas lambda se descubrieron en 1950. En 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 de forma independiente por Murray Gell-Mann[105]​ y George Zweig[106]​[107]​ en 1964, pasó a ser conocido como modelo de cuarks. 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 cuarks. El modelo de cuarks recibió verificación experimental a partir de finales de la década de 1960 y finalmente proporcionó una explicación para el momento magnético anómalo del neutrón.[108]​[10]​

Vídeos[editar]

Referencias[editar]

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Lecturas adicionales[editar]

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