Rayos catódicosDiagrama esquemático de un Tubo de Crookes. A es una fuente de baja tensión que calienta el cátodo C. B es una fuente de alto voltaje que suministra tensión al ánodo revestido de fósforo P. La máscara M está conectada al potencial del cátodo y su imagen se proyecta en los fósforos como el área no brillante.

Los rayos catódicos son corrientes de electrones observados en tubos de vacío, es decir los tubos de cristal que se equipan por lo menos con dos electrodos, un cátodo (electrodo negativo) y un ánodo (electrodo positivo) en una configuración conocida como diodo. Cuando se calienta el cátodo, emite una cierta radiación que viaja hacia el ánodo. Si las paredes internas de vidrio detrás del ánodo están cubiertas con un material fluorescente, brillan intensamente. Una capa de metal colocada entre los electrodos proyecta una sombra en la capa fluorescente. Esto significa que la causa de la emisión de luz son los rayos emitidos por el cátodo al golpear la capa fluorescente. Los rayos viajan hacia el ánodo en línea recta, y continúan más allá de él durante una cierta distancia. Este fenómeno fue estudiado por los físicos a finales del siglo XIX, otorgándose un premio Nobel a Philipp von Lenard. Los rayos catódicos primeramente fueron producidos por los tubos de Geissler. Los tubos especiales fueron desarrollados para el estudio de estos rayos por William Crookes y se los llamó tubos de Crookes. Pronto se vio que los rayos catódicos están formados por los portadores reales de la electricidad que ahora se conocen como electrones. El hecho de que los rayos son emitidos por el cátodo, es decir el electrodo negativo, demostró que los electrones tienen carga negativa.

Los rayos catódicos se propagan en línea recta en ausencia de influencias externas e independientemente de dónde se sitúe el ánodo, pero son desviados por los campos eléctricos o magnéticos (que pueden ser producidos colocando los electrodos de alto voltaje o imanes fuera del tubo de vacío - esto explica el efecto de los imanes en una pantalla de TV). El refinamiento de esta idea es el tubo de rayos catódicos (CRT), también conocido como tubo de Crookes (porque fue inventado el 1875 por William Crookes). El CRT es la clave en los televisores, los osciloscopios, y las cámaras de televisión vidicon.

Descubrimiento de los rayos

El descubrimiento de los rayos catódicos, que se produce durante los años 1858 y 1859, fue obra del matemático y físico alemán Julius Plücker (1801 - 1868), quién denominaría con este nombre a los rayos que emanaban de una lámpara de vacío con la que se encontraba trabajando por aquel entonces.

La naturaleza de los rayos según J.J.Thompson

En el año 1897, el físico inglés Joseph John Thompson estudió el comportamiento y los efectos de los rayos catódicos. En sus experimentaciones observó que cuando en un tubo de vidrio que lleva soldados dos electrodos conectados a una gran tensión (de 20000 a 100000

voltios) se hace el vacío (aproximadamente 0,001 mmHG), al producirse una descarga se aprecia una luminosidad o fluorescencia verdosa en la pared localizada frente al cátodo, que los investigadores supusieron que era debida a la existencia de unos rayos procedentes del electrodo negativo, que llamaron rayos catódicos. Según las observaciones de Thomson, estos rayos:

Se propagan en línea recta. Son desviados por campos eléctricos hacia la zona positiva. Son desviados por campos magnéticos. Producen efectos mecánicos, térmicos, químicos y luminosos. Si se pone unas aspas delante, las hace girar

El físico inglés J.J Thomson, en 1897, al estudiar las propiedades y los efectos de los rayos catódicos, dedujo inicialmente su carácter corpuscular y su naturaleza eléctrica negativa.

Una vez hecho el estudio de la relación carga/masa para tales partículas, se obtuvo siempre el mismo valor (1,758796 × 1011  C/kg) fueran cuales fuesen las condiciones en las que se produjeran los rayos y la naturaleza del gas encerrado en el tubo. A propuesta del físico irlandés George Johnstone Stoney, se bautizó a estas partículas con el nombre de electrones, suponiéndolas como partículas elementales de la electricidad o, como se dice en la actualidad, cargas eléctricas elementales.

Posteriores investigaciones de Milikan, en 1913, y de Hopper y Labby, en 1941, permitieron obtener el valor de la carga eléctrica que poseen, así como también deducir su masa.

Carga del electrón: -1,602 × 10-19  C

Masa del electrón: 9,1 × 10-31  kg

Propiedades y efectos de los rayos catódicos

Las principales propiedades de los rayos catódicos son las mostradas a continuación:

Los rayos catódicos salen del cátodo perpendicularmente a su superficie y en ausencia de campos eléctricos o magnéticos se propagan rectilíneamente.

Son desviados por un campo eléctrico, desplazándose hacia la parte positiva del campo.

Son desviados por campos magnéticos.

Producen efectos mecánicos; la prueba de ello es que tienen la capacidad de mover un molinete de hojas de mica que se interpone en su trayectoria.

Transforman su energía cinética en térmica, elevando la temperatura de los objetos que se oponen a su paso.

Impresionan placas fotográficas.

Excitan la fluorescencia de algunas sustancias, como pueden ser el vidrio o el sulfuro de cinc.

Ionizan el aire que atraviesan.

Los rayos catódicos, son corrientes de electrones que se pueden apreciar en tubos al vacío de cristal con electrodos (un cátodo, el negativo, y un ánodo, el positivo), aplicando un voltaje.

Al cubrir la capa interna del tubo de vacío correspondiente al ánodo con algún material fosforescente, esta brilla producto del impacto de los electrones.

El nombre de estos rayos fue propuesto por Eugen Goldstein, un físico alemán, pero solo J.J. Thompson, un físico británico, fue quien determinó que estos rayos estaban compuestos de una partícula cargada negativamente, la que se nombró como "electrón".

Las principales aplicaciones de este descubrimiento o fenómeno, las ves en los tubos de rayos catódicos primeramente desarrollados por Ferdinand Braun en 1897, lo que llevó a la creación de pantallas fluorescentes capaces de desplegar imágenes, y asea de TV o monitores (si recuerdas, los primeros monitores eran CRT, nombre para este tubo de rayos), radares u osciloscopios.

Aplicaciones más sofisticadas las encuentras en los aceleradores de partículas y microscopios electrónicos. Espero haberte aclarado el asunto.

Como recordaran Thomson fue el descubridor del electrón, como en cada adelanto que se produjo en el conocimiento de la estructura electrónica del átomo hay un fenómeno físico que los científicos de la época estaban estudiando que esta relacionado, en este caso se trata de la descarga en gases. Si a un tubo se le hace el vacío y a dos electrodos en su interior se les da alta tensión en el ánodo (+) se produce una luminosidad azul verdosa. Muchas veces me he propuesto reproducir este fenómeno en casa, pero no es tan sencillo, el problema principal es hacer el vacío, se trata de de un vacío considerable de del orden de 10-5 atmósferas que se puede conseguir con una bomba de difusión, eso obviamente no lo tengo ni en el laboratorio común de nuestros colegios hay. Asi es que como siempre hay que recurrir a materiales en desuso, buscar algo que ya tenga hecho ese vacío, pues muy simple, un tubo de TV o un tubo de monitor viejo son la solución, en mi caso tenía en el altillo de mi casa un viejo monitor monocromático de esos que ya no se usan mas, ni siquiera es VGA, utilizaba una placa llamada Hercules y es de la década del 80, el procedimiento que voy a mostrar puede usarse en algún TV monocromático que tengamos y estemos dispuestos a sacrificar en pos de la docencia, (Después puede volverse sin problemas al estado original).

Antes que nada debemos verificar que el monitor o tele que vamos a usar este funcionando, ya que vamos a usar el tubo y los componentes que hacen que el mismo funcione, la fuente de AT (Flayback) control de brillo y contraste, alimentación de filamentos, etc. Importante: Ojo porque adentro del tv hay muy alta tensión ver bien las fotos para no meter mas manos donde no debemos, además de tener sumo cuidado con los alumnos, no sea que alguno toque y quede duro.

La experiencia que vamos a hacer es la de mover el flujo de electrones del interior del tubo con un campo magnético, que fue lo que indujo a Thomson a concluir que esos rayos que provenían del cátodo no eran rayos X, sino otro tipo, conformados por partículas materiales que tenían carga negativa, recordar que los rayos X son ondas electromagnéticas que no modifican su trayectoria cuando pasan por un campo magnético o eléctrico, en cambio estos rayos catódicos si lo hacen.

Bueno a modificar el monitor, sacarle la cobertura plástica (verificar que se encuentre desconectado), identificar el TRC (tubo de rayos catódicos, ver fotos) es la pantalla, verán que tiene un cuello al final de este cuello hay un zócalo de donde salen un montón de cables.

Mas arriba, ese cuello tiene como un anillo plástico donde se ven arrolladas varias bobinas, se llama yugo, son las bobinas que hacen que el haz de electrones se abra y se vea en toda la pantalla, lo que vamos a hacer es sacar el zócalo de la punta con mucho cuidado, a veces suele estar pegado con un cemento plástico, despegarlo con cuidado sin dañar el tubo, una vez que sacamos el zócalo aflojamos un tornillo que tiene el yugo y con cuidado lo tiramos hacia atrás hasta sacarlo del cuello (también suele estar pegado con el cemento plástico), al yugo lo ponemos a un costado sin sacarle ni cortarle ningún cable. De esta manera vamos a encender el monitor y veremos que se produce en la pantalla solamente un punto central muy brillante, con el control de brillo bajarlo, porque si no puede dañarse la pantalla. Ahora solo nos queda conseguir un imán y verificar el desplazamiento del punto brillante según que polo acerquemos al cuello del TRC. Es un experimento sencillo pero bastante útil para mostrar que es un tubo de rayos catódicos, sus partes , la fuente de alta tensión y por sobre todo el efecto de los campos magnéticos y eléctricos sobre los rayos catódicos, si tienen además algún conocimiento de electrónica se podrá aplicar un campo eléctrico que dará resultados similares al magnético.

Precauciones: Para el profe que esta conduciendo el práctico, tener cuidado con el chupete de alta tensión que alimenta el ánodo del TRC, al imán acercarlo al tubo atravez de algún elemento aislante, no tocar nada cuando esté encendido el aparato. A los alumnos conviene colocarlos a todos frente a la pantalla una vez que se ha explicado y mostrado el tubo, fuente de alta tensión etc estando apagado, luego se los pasa frente a la pantalla para evitar que por accidente toquen algo del circuito que esta a la vista.

En el experimento de Thomson se veía sobre el ánodo la luminosidad, aca el ánodo esta encerrado en el tubo y no se ve, pero es un tejido metálico que permite que los electrones lo atraviesen e impacten sobre una pantalla química de fósforos que al impactar un electrón hace una chispa. Ver fotos.

Experimento millikan

El experimento de la gota de aceite fue un experimento realizado por Robert Millikan y Harvey Fletcher en 1909 para medir la carga elemental (la carga del electrón).

Este experimento implicaba equilibrar la fuerza gravitatoria hacia abajo con la flotabilidad hacia arriba y las fuerzas eléctricas en las minúsculas gotas de aceite cargadas suspendidas entre dos electrodos metálicos. Dado que la densidad del petróleo era conocida, las masas de las “gotas ", y por lo tanto sus fuerzas gravitatorias y de flotación, podrían determinarse a partir de sus radios observados. Usando un campo eléctrico conocido, Millikan y Fletcher pudieron determinar la carga en las gotas de aceite en equilibrio mecánico. Repitiendo el experimento para muchas gotas, confirmaron que las cargas eran todas múltiplos de un valor fundamental, y calcularon que es 1,5924|(17).10-19 C, dentro de un uno por ciento de error del valor actualmente aceptado de 1,602176487|(40).10-19 C. Propusieron que esta era la carga de un único electrón.

Fundamento

A partir de 1900, mientras era profesor en la Universidad de Chicago, Millikan, con la importante aportación de Fletcher, trabajó en el experimento de la gota de aceite con el que midió la carga de un único electrón. Después de una publicación sobre sus primeros resultados1 en 1910, las observaciones contradictorias de Felix Ehrenhaft 2 iniciaron una controversia entre los dos físicos. Después de mejorar su configuración experimental, publicó su estudio seminal en 1913.3

Su experimento mide la intensidad de fuerza eléctrica contra la fuerza de atracción gravitatoria en las minúsculas gotas de aceite, cargadas por rozamiento, suspendidas entre dos electrodos metálicos. Conociendo el campo eléctrico, se determina la carga en la gota. Repitiendo el experimento para muchas gotas, Millikan demostró que los resultados podían ser explicados como múltiplos enteros de un valor común 1,592x10-19 C, la carga de un único electrón.

En la época de los experimentos de la gota de aceite de Millikan y Fletcher, la existencia de las partículas subatómicas no era universalmente aceptada. Experimentando con los rayos catódicos Thomson descubrió en 1897 unos corpúsculos (como él los llamó) negativamente cargados, con una masa unas 1800 veces más pequeña que la de un átomo de hidrógeno. Resultados parecidos habían sido encontrados por George Francis FitzGerald y Walter Kaufmann. La mayoría de lo que entonces se conocía acerca de la electricidad y el magnetismo, sin embargo, podría explicarse sobre la base de que la carga es una variable continua, de la misma forma que muchas de las propiedades de la luz pueden explicarse el tratarla como una onda continua en lugar de como una corriente de fotones.

La llamada carga elemental e es una de las constantes físicas fundamentales y su valor exacto es de gran importancia. En 1923, Millikan, ganó el Premio Nobel de física, en parte debido a este experimento.

Aparte de la medición, la belleza del experimento de la gota de aceite reside en que es una simple y elegante demostración práctica de que la carga está en realidad cuantizada. Thomas Edison, quien había considerado la carga como una variable continua, se convenció después de trabajar con el aparato de Millikan y Fletcher. Este experimento ha sido repetido por generaciones de estudiantes de física, aunque es bastante caro y difícil de hacer correctamente.

Procedimiento experimental

Esquema simplificado del experimento de la gota de aceite de Millikan.

El aparato de Robert Millikan incorpora un par de placas metálicas paralelas horizontales. Al aplicar una diferencia de potencial entre las placas, se crea un campo eléctrico uniforme en el espacio entre ellas. Se utilizó un anillo de material aislante para mantener las placas separadas. Cuatro agujeros se cortaron en el anillo, tres para la iluminación con una luz brillante, y otra para permitir la visualización a través de un microscopio.

Una fina niebla de gotas de aceite se roció a una cámara por encima de las placas. El aceite era de un tipo utilizado normalmente en aparatos de vacío y fue elegido porque tenía una presión de vapor extremadamente baja. El aceite ordinario se evaporaría bajo el calor de la fuente de luz causando que la masa de la gota de aceite cambiara durante el transcurso del experimento. Algunas gotas de aceite se cargaban eléctricamente a través de la fricción con la boquilla cuando fueron rociadas, mientras otras se descargaban hasta hacerse cationes y otras se volvían neutras. Como alternativa, la carga podría llevarse a cabo mediante la inclusión de una fuente de radiación ionizante (como un tubo de rayos X).

Método

Inicialmente , las gotas de aceite se dejan caer entre las placas con el campo eléctrico apagado. Muy rápidamente alcanzan la velocidad terminal debido a la fricción con el aire en la cámara. Se enciende entonces el campo y, si es lo suficientemente grande, algunas de las gotas comenzarán a subir. (Esto se debe a que la fuerza eléctrica hacia arriba FE es mayor que la fuerza gravitacional hacia abajo Fg, de la misma forma los trozos de papel puede ser recogidos por una barra de caucho cargada). Se selecciona una gota para observar la probable caída y se mantiene en el centro del campo de visión conectando y apagando el voltaje alternativamente hasta que todas las otras gotas habían caído. El experimento se continúa entonces con esta única gota.

La gota se deja caer y se calcula su velocidad terminal v1 en ausencia de campo eléctrico. La fuerza de fricción que actúa sobre la gota puede ser calculada usando ley de Stokes:

donde v1 es la velocidad terminal (es decir, la velocidad en ausencia de campo eléctrico) de la gota que cae, η es la viscosidad del aire, y r es el radio de la gota.

El peso Fg es el volumen V multiplicado por la densidad ρ y la aceleración de la gravedad g. Sin embargo, lo que se necesita es el peso aparente. El peso aparente en el aire es el peso real, menos el peso del aire que desplaza la gota (upthrust). Para una gota perfectamente esférica el peso aparente puede expresarse como:

A velocidad terminal, la gota de aceite no esta acelerando. Así la fuerza total que actúa sobre ella debe ser cero. Así las dos fuerzas Fd y Fg deben cancelarse una a otra (esto es, Fd = Fg). Esto implica que:

Una vez se ha calculado r, Fg puede calcularse fácilmente.

Ahora el campo se vuelve a encender, y la fuerza eléctrica sobre la gota es:

donde q es la carga de la gota de aceite y E es el campo eléctrico entre las placas. Para placas paralelas:

donde V es la diferencia de potencial y d es la distancia entre las placas.

Una de las formas concebibles para calcular q sería ajustar V hasta que la caída de la gota de aceite se mantenga estable. Entonces podríamos igualar FE con Fg. Pero en la práctica esto es muy difícil hacerlo con precisión. Además, la determinación de FE resulta difícil debido a que la masa de la gota de aceite es difícil de determinar sin volver de nuevo a la utilización de la Ley de Stokes. Un enfoque más práctico es hacer de V hasta un poco mayor para que la gota de aceite se eleve con una nueva velocidad terminal v2. Entonces:

Acusaciones de fraude

Existe cierta controversia planteada por el historiador Gerald Holton sobre el uso de la selectividad en los resultados de Millikan de su segundo experimento para la medición de la carga del electrón. Holton (1978) señaló que Millikan descartó un gran conjunto de las

gotas de aceite obtenidas en sus experimentos sin razón aparente. Allan Franklin, un antiguo investigador en alta energía y actual filósofo de la ciencia en la Universidad de Colorado ha tratado de rebatir este punto de Holton.4 Franklin afirma que las exclusiones de Millikan de datos no afectan el valor final de la e que Millikan obtuvo, pero admite que hubo una sustancial "cirugía estética" que realizó Millikan y que tuvo el efecto de reducir el error estadístico en e. Esto permitió a Millikan citar que había calculado e con un error menor que una media del uno por ciento, de hecho, si Millikan hubiese incluido todos los datos que obtuvo, habría sido del 2%. Aunque todo esto podría haberse traducido en que Millikan había medido el valor de e, mejor que nadie en ese momento, la incertidumbre de un poco más grande podría haber permitido un mayor desacuerdo con sus resultados en la comunidad de físicos. David Goodstein cuenta que Millikan establece claramente que solamente incluyó las gotas que se habían sometido a "una serie completa de observaciones" y no excluyó ninguna gota de este grupo.5

El experimento de Millikan y la pseudociencia

En un discurso de apertura dado en el Instituto Tecnológico de California (Caltech) en 1974 (y reimpreso en ¿Está usted de broma, Sr. Feynman?), el físico Richard Feynman señaló:

Hemos aprendido mucho de la experiencia sobre cómo manejar algunas de las formas en que nos engañamos a nosotros mismos. Un ejemplo: Millikan midió la carga de un electrón en un experimento de caída de gotas de aceite, y recibió una respuesta que ahora sabemos que no tiene toda la razón. Está un poco agarrado por los pelos porque tenía el valor incorrecto para la viscosidad de aire. Es interesante observar la historia de las mediciones de la carga de un electrón, después de Millikan. Si se dibuja una gráfica de la medida de la carga en función del tiempo, se descubre que uno dato es un poco más grande que el de Millikan, y el siguiente es un poco más grande que ese, y el siguiente es un poco más grande que ese, hasta que finalmente se asientan en un número que es mayor.

¿Por qué no descubrieron que el nuevo número era el inmediato superior?. Es algo de lo que los científicos se avergüenzan - de esta historia - porque es evidente que la gente pensaba cosas como esta: Cuando llegaron a un número que era demasiado alto por encima del de Millikan, pensaron que algo debía ser incorrecto - y buscaron y encontraron una razón por la que algo podría ser erróneo. Cuando llegaron a un número cercano al valor de Millikan no les pareció tan difícil. Y así eliminaron los números que estaban demasiado lejos, y otras cosas por el estilo. Hemos aprendido esos trucos hoy en día, y ahora no tenemos ese tipo de mal.6 7

A partir de 2008, el valor aceptado para la carga elemental es 1,602176487|(40).10-19 C}},8 donde el 40 indica incertidumbre en las dos últimas cifras. En su conferencia Nobel, Millikan dio su medición como 4,774(5).10-10 uec,9 que es igual a 1,5924(17).10-19 C. La diferencia es menor del uno por ciento, pero es más de cinco veces mayor que la desviación estándar de Millikan, por lo que el desacuerdo es significativo.

La radiactividad o radioactividad1 es un fenómeno químico-físico por el cual algunos cuerpos o elementos químicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas radiográficas fecisterografias, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, entre otros. Debido a esa capacidad, se les suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas, en forma de rayos X o rayos gamma, o bien corpusculares, como pueden ser núcleos de helio, electrones o positrones, protones u otras. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos elementos, inestables, que son capaces de transformarse, o decaer, espontáneamente, en núcleos atómicos de otros elementos más estables.

La radiactividad ioniza el medio que atraviesa. Una excepción lo constituye el neutrón, que no posee carga, pero ioniza la materia en forma indirecta. En las desintegraciones radiactivas se tienen varios tipos de radiación: alfa, beta, gamma y neutrones.

La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables", es decir, que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que, para alcanzar su estado fundamental, deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética. Esto se produce variando la energía de sus electrones (emitiendo rayos X) o de sus nucleones (rayo gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones, neutrones, protones o partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el uranio que, con el transcurrir de los siglos, acaba convirtiéndose en plomo.

La radiactividad se aprovecha para la obtención de energía nuclear, se usa en medicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y densidades, entre otras).

La radiactividad puede ser:

Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza. Artificial o inducida: manifestada por los radioisótopos producidos en

transformaciones artificiales.

Radiactividad natural

Véanse también: Radiactividad natural, Rayos cósmicos y Redradna.

En 1896 Henri Becquerel descubrió que ciertas sales de uranio emiten radiaciones espontáneamente, al observar que velaban las placas fotográficas envueltas en papel negro. Hizo ensayos con el mineral en caliente, en frío, pulverizado, disuelto en ácidos y la intensidad de la misteriosa radiación era siempre la misma. Por tanto, esta nueva propiedad de la materia, que recibió el nombre de radiactividad, no dependía de la forma física o química en la que se encontraban los átomos del cuerpo radiactivo, sino que era una propiedad que radicaba en el interior mismo del átomo.

El estudio del nuevo fenómeno y su desarrollo posterior se debe casi exclusivamente al matrimonio de Marie y Pierre Curie, quienes encontraron otras sustancias radiactivas: el torio, el polonio y el radio. La intensidad de la radiación emitida era proporcional a la cantidad de uranio presente, por lo que Marie Curie dedujo que la radiactividad es una propiedad atómica. El fenómeno de la radiactividad se origina exclusivamente en el núcleo de los átomos radiactivos. Se cree que se origina debido a la interacción neutrón-protón. Al estudiar la radiación emitida por el radio, se comprobó que era compleja, pues al aplicarle un campo magnético parte de ella se desviaba de su trayectoria y otra parte no.

Pronto se vio que todas estas reacciones provienen del núcleo atómico que describió Ernest Rutherford en 1911, quien también demostró que las radiaciones emitidas por las sales de uranio pueden ionizar el aire y producir la descarga de cuerpos cargados eléctricamente.

Con el uso del neutrón, partícula teorizada en 1920 por Ernest Rutherford, se consiguió describir la radiación beta.

En 1932, James Chadwick descubrió la existencia del neutrón que Rutherford había predicho en 1920, e inmediatamente después Enrico Fermi descubrió que ciertas radiaciones emitidas en fenómenos no muy comunes de desintegración son en realidad neutrones.

Radiactividad artificial

La radiactividad artificial, también llamada radiactividad inducida, se produce cuando se bombardean ciertos núcleos estables con partículas apropiadas. Si la energía de estas partículas tiene un valor adecuado, penetran el núcleo bombardeado y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra después radiactivamente. Fue descubierta por los esposos Jean Frédéric Joliot-Curie e Irène Joliot-Curie, bombardeando núcleos de boro y de aluminio con partículas alfa. Observaron que las sustancias bombardeadas emitían radiaciones después de retirar el cuerpo radiactivo emisor de las partículas de bombardeo.

En 1934 Fermi se encontraba en un experimento bombardeando núcleos de uranio con los neutrones recién descubiertos. En 1938, en Alemania, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann verificaron los experimentos de Fermi. En 1939 demostraron que una parte de los productos que aparecían al llevar a cabo estos experimentos era bario. Muy pronto confirmaron que era resultado de la división de los núcleos de uranio: la primera observación experimental de la fisión. En Francia, Jean Frédéric Joliot-Curie descubrió que, además del bario, se emiten neutrones secundarios en esa reacción, lo que hace factible la reacción en cadena.

También en 1932, Mark Oliphant teorizó sobre la fusión de núcleos ligeros (de hidrógeno), y poco después Hans Bethe describió el funcionamiento de las estrellas con base en este mecanismo.

El estudio de la radiactividad permitió un mayor conocimiento de la estructura del núcleo atómico y de las partículas subatómicas. Se abrió la posibilidad de convertir unos elementos en otros. Incluso se hizo realidad el ancestral sueño de los alquimistas de crear oro a partir de otros elementos, como por ejemplo átomos de mercurio, aunque en términos prácticos el proceso de convertir mercurio en oro no resulta rentable debido a que el proceso requiere demasiada energía.

Clases y componentes de la radiación

Clases de radiación ionizante y cómo detenerla.Las partículas alfa (núcleos de helio) se detienen al interponer una hoja de papel. Las partículas beta (electrones y positrones) no pueden atravesar una capa de aluminio. Sin embargo, los rayos gamma (fotones de alta energía) necesitan una barrera mucho más gruesa, y los más energéticos pueden atravesar el plomo.

Se comprobó que la radiación puede ser de tres clases diferentes, conocidas como partículas, desintegraciones y radiación:

1. Partícula alfa : Son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones (núcleos de helio). Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes, aunque muy ionizantes. Son muy energéticas. Fueron

descubiertas por Rutherford, quien hizo pasar partículas alfa a través de un fino cristal y las atrapó en un tubo de descarga. Este tipo de radiación la emiten núcleos de elementos pesados situados al final de la tabla periódica (A >100). Estos núcleos tienen muchos protones y la repulsión eléctrica es muy fuerte, por lo que tienden a obtener N aproximadamente igual a Z, y para ello se emite una partícula alfa. En el proceso se desprende mucha energía, que se convierte en la energía cinética de la partícula alfa, por lo que estas partículas salen con velocidades muy altas.

2. Desintegración beta : Son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas) resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando éste se encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos. Es más penetrante, aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa. Por lo tanto, cuando un átomo expulsa una partícula beta, su número atómico aumenta o disminuye una unidad (debido al protón ganado o perdido). Existen tres tipos de radiación beta: la radiación beta-, que consiste en la emisión espontánea de electrones por parte de los núcleos; la radiación beta+, en la que un protón del núcleo se desintegra y da lugar a un neutrón, a un positrón o partícula Beta+ y un neutrino, y por último la captura electrónica que se da en núcleos con exceso de protones, en la cual el núcleo captura un electrón de la corteza electrónica, que se unirá a un protón del núcleo para dar un neutrón.

3. Radiación gamma : Se trata de ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlas. En este tipo de radiación el núcleo no pierde su identidad, sino que se desprende de la energía que le sobra para pasar a otro estado de energía más baja emitiendo los rayos gamma, o sea fotones muy energéticos. Este tipo de emisión acompaña a las radiaciones alfa y beta. Por ser tan penetrante y tan energética, éste es el tipo más peligroso de radiación.

Las leyes de desintegración radiactiva, descritas por Frederick Soddy y Kasimir Fajans, son:

Cuando un átomo radiactivo emite una partícula alfa, la masa del átomo (A) resultante disminuye en 4 unidades y el número atómico (Z) en 2.

Cuando un átomo radiactivo emite una partícula beta, el número atómico (Z) aumenta o disminuye en una unidad y la masa atómica (A) se mantiene constante.

Cuando un núcleo excitado emite radiación gamma, no varía ni su masa ni su número atómico: sólo pierde una cantidad de energía hν (donde "h" es la constante de Planck y "ν" es la frecuencia de la radiación emitida).

Las dos primeras leyes indican que, cuando un átomo emite una radiación alfa o beta, se transforma en otro átomo de un elemento diferente. Este nuevo elemento puede ser radiactivo y transformarse en otro, y así sucesivamente, con lo que se generan las llamadas series radiactivas.

Causa de la radiactividad

En general son radiactivas las sustancias que no presentan un balance correcto entre protones o neutrones, tal como muestra el gráfico que encabeza este artículo. Cuando el número de neutrones es excesivo o demasiado pequeño respecto al número de protones, se hace más difícil que la fuerza nuclear fuerte debida al efecto del intercambio de piones pueda mantenerlos unidos. Eventualmente, el desequilibrio se corrige mediante la liberación del exceso de neutrones o protones, en forma de partículas α que son realmente núcleos de helio, y partículas β, que pueden ser electrones o positrones. Estas emisiones llevan a dos tipos de radiactividad, ya mencionados:

Radiación α, que aligera los núcleos atómicos en 4 unidades másicas, y cambia el número atómico en dos unidades.

Radiación β, que no cambia la masa del núcleo, ya que implica la conversión de un protón en un neutrón o viceversa, y cambia el número atómico en una sola unidad (positiva o negativa, según si la partícula emitida es un electrón o un positrón).

La radiación, por su parte, se debe a que el núcleo pasa de un estado excitado de mayor energía a otro de menor energía, que puede seguir siendo inestable y dar lugar a la emisión de más radiación de tipo α, β o γ. La radiación γ es, por tanto, un tipo de radiación electromagnética muy penetrante, ya que tiene una alta energía por fotón emitido.