Breve historia de la química (26 page)

El físico neozelandés Ernest Rutherford (1871-1937) decidió finalmente aceptar el hecho de que la unidad de carga positiva era una partícula bastante diferente del electrón, que era la unidad de carga negativa. Sugirió en 1914 que la partícula más pequeña de los rayos positivos, la que tenía la masa del átomo de hidrógeno, fuese aceptada como la unidad fundamental de carga positiva. Sus opiniones se vieron confirmadas por sus posteriores experimentos sobre reacciones nucleares (véase pág. 245), en lo que frecuentemente vio que obtenía una partícula idéntica a un núcleo de hidrógeno. En 1920, Rutherford sugirió que su partícula positiva fundamental se denominase protón.

Radiactividad

Al descubrimiento de las partículas cargadas positivamente se llegó también a través de una línea de experimentación completamente diferente.

El físico alemán Wilhelm Konrad Róntgen (1845-1923) se hallaba interesado en la capacidad de los rayos catódicos para provocar la luminiscencia de determinadas sustancias químicas. Con el fin de observar la mortecina luz que se producía, oscureció la habitación y envolvió su tubo de vacío en una cartulina negra y fina. Trabajando en 1895 con dicho tubo observó un destello de luz que no provenía de éste. A bastante distancia del tubo se hallaba una hoja de papel cubierta con un producto químico, que es lo que resplandecía. Pero sólo resplandecía cuando estaban actuando los rayos catódicos, y no en otro momento.

Rontgen sacó la conclusión de que cuando los rayos catódicos chocaban con el ánodo se creaba alguna forma de radiación que podía pasar a través del vidrio del tubo y del cartón que lo rodeaba, y chocar con los materiales circundantes. En efecto, si trasladaba el papel tratado químicamente a la habitación de al lado, seguía resplandeciendo cuando actuaban los rayos catódicos, de modo que había que deducir que la radiación era capaz de atravesar las paredes. Róntgen llamó a esta penetrante radiación
rayos X
, denominación que se ha conservado hasta la actualidad. (Posteriormente se determinó que los rayos X eran de la misma naturaleza que las ondas luminosas, pero mucho más energéticas.) (Véase fig. 21.)

Fig. 21. El aparato de rayos X utilizado por Rontgen consistía en:

(A) bobina inductora de alto voltaje; (B) papel pintado con platino-cianuro

bárico, que resplandecía al ser alcanzado por los rayos; (C) tubo

rodeado por una envoltura cilindrica de cartón negro; (D) el cátodo, que

emitía electrones.

El mundo de la física se interesó en seguida por los rayos X, y entre los que comenzaron a experimentar con ellos se encontraba el físico francés Antoine Henri Becquerel (1852-1908). Interesado en la capacidad de algunos productos químicos para resplandecer con una luz característica propia
(fluorescencia)
al ser expuestos a la luz del sol, se planteó la pregunta de si el resplandor fluorescente contenía o no rayos X.

En 1896, Becquerel envolvió una película fotográfica en un papel negro y la colocó a la luz del sol, con un cristal de cierto compuesto de uranio encima. El cristal era una sustancia fluorescente; y si la luz emitida fuese simplemente luz ordinaria, no pasaría a través del papel negro ni afectaría a la película fotográfica. Si existiesen en ella rayos X, pasarían a través del papel y oscurecerían la película. Becquerel observó que la película se había velado. Pero descubrió que aunque el cristal no estuviese expuesto a la luz —no habiendo, pues, fluorescencia— oscurecía de todos modos la película fotográfica. En resumen, ¡los cristales emitían una radiación penetrante en todo momento!

Marie Sklodowska Curie (1867-1934), la primera mujer científica de renombre, dio a este fenómeno el nombre de
radiactividad.
Determinó que no era todo el compuesto de uranio, sino específicamente el átomo de uranio, el que era radiactivo. Tanto si el átomo se hallaba en su forma de elemento, como si formaba parte de un compuesto, era radiactivo. En 1898 descubrió que el torio, un metal pesado, era también radiactivo. Madame Curie, polaca de nacimiento, llevó a cabo sus investigaciones con la ayuda de su marido el francés Pierre Curie, físico notable.

La radiación emitida por el uranio y el torio se manifestó rápidamente como de naturaleza bastante compleja. Cuando un haz de dicha radiación se hacía pasar a través de un campo magnético, parte se desviaba ligeramente en un sentido, parte se desviaba fuertemente en el sentido contrario, y parte resultaba inafectada. Rutherford dio a estos tres componentes de la radiación los nombres de
rayos alfa, rayos beta
y
rayos gamma
, respectivamente, tomados de las tres primeras letras del alfabeto griego.

Como los rayos gamma no resultaban desviados por el campo magnético, se decidió que era una radiación semejante a la luz, como los rayos X, pero aún más energéticos. Los rayos beta eran desviados en el mismo sentido y en la misma proporción que los rayos catódicos; Becquerel determinó que estos rayos se componían de electrones rápidos. Los electrones individuales emitidos por las sustancias radiactivas se designan, por tanto, con el nombre
de partículas beta.
Quedaba por determinar todavía la naturaleza de los rayos alfa.

Los experimentos con rayos alfa en campos magnéticos mostraron una desviación opuesta a la de los rayos beta. Así pues, los rayos alfa tenían que estar cargados positivamente. Resultaban desviados sólo muy ligeramente, por lo que debían tener una masa muy grande; en efecto, resultó que tenían cuatro veces la masa de las partículas que Rutherford había denominado protones.

Esta proporción de pesos parecía indicar que los rayos alfa podían consistir en partículas compuestas de cuatro protones cada una. Pero en ese caso, cada partícula debería poseer una carga positiva igual a la de cuatro protones; sin embargo, tal como se descubrió, su carga solamente era igual a la de dos protones. Por esta razón hubo que suponer que la partícula alfa, junto con los cuatro protones, contenía también dos electrones. Estos electrones neutralizarían dos de las cargas positivas sin añadir prácticamente ninguna masa.

Durante cerca de treinta años se creyó que esta combinación de protones y electrones constituía la estructura de las partículas alfa y que combinaciones parecidas formarían otras partículas de carga positiva. Sin embargo, esta deducción planteaba problemas. Existían razones teóricas para dudar de que la partícula alfa pudiese estar formada de hasta seis partículas más pequeñas.

En 1932, durante los experimentos sugeridos por Rutherford, el físico inglés James Chadwick (1891-1974) descubrió una partícula que tenía exactamente la misma masa que el protón, pero que no poseía ninguna carga eléctrica. Debido a que era eléctricamente neutra, se denominó
neutrón.

Werner Karl Heisenberg (1901-76), un físico alemán, sugirió en seguida que no eran combinaciones de protón-electrón las que formaban las partículas cargadas positivamente, sino combinaciones de protón-neutrón. La partícula alfa, según esta sugerencia, estaría compuesta de dos protones y dos neutrones, con una carga positiva total de dos, y una masa total cuatro veces superior a la de un solo protón.

Los físicos hallaron que una partícula alfa formada por cuatro partículas subatómicas en lugar de seis se ajustaba maravillosamente a sus teorías. Desde entonces se ha aceptado la estructura protón-neutrón.

Número atómico

Las radiaciones producidas por el uranio y el torio eran bastante débiles, y resultaba difícil trabajar con ellas. Esta situación fue remediada por Mme. Curie. Al investigar la radiactividad de los minerales de uranio, halló algunas muestras de mineral con bajo contenido en uranio, que no obstante eran intensamente radiactivas, incluso más que el uranio puro.

Llegó a la conclusión de que el mineral debía contener algún elemento radiactivo distinto del uranio. Como conocía todos los componentes del mineral que se hallaban en cantidades significativas, y como se sabía que todos ellos eran no-radiactivos, el elemento desconocido debía estar presente en cantidades muy pequeñas y, en consecuencia, ser extremadamente radiactivo.

Durante el año 1898, ella y su marido trabajaron intensamente con grandes cantidades del mineral, tratando de concentrar la radiactividad y de aislar el nuevo elemento. En julio de ese año lograron su propósito, y llamaron al nuevo elemento
polonio
, debido al origen polaco de Mme. Curie. En diciembre se localizó un segundo elemento, el
radio.

El radio era extremadamente radiactivo, emitiendo radiaciones 300.000 veces mayores que las producidas por el mismo peso de uranio. Además, era muy raro. A partir de toneladas de mineral, los Curie sólo pudieron obtener aproximadamente 1/300 de onza de radio.

Otros elementos fuertemente radiactivos se descubrieron en trazas minúsculas. En 1899, el químico francés André Louis Debierne (1874-1949) descubrió el
actinio.
En 1900, el físico alemán Friedrich Ernst Dorn (1848-1916) descubrió un gas radiactivo, que posteriormente recibió el nombre de
radón.
Era uno de los gases nobles (véanse págs. 148 ss.) y encajaba debajo del xenón en la tabla periódica. Finalmente, en 1917, los químicos alemanes Otto Hahn (1879-1968) y Lise Meitner (1878-1968) descubrieron
el protactinio.

Estos elementos raros pero extremadamente radiactivos servían como «cañones de partículas». El plomo absorbe la radiación. Si se coloca una porción de material que contenga algunos de estos elementos en una caja forrada de plomo con un orificio, casi todas las partículas que salen despedidas quedan absorbidas por el plomo, pero algunas atravesarán el agujero y formarán un delgado flujo de muchas partículas muy energéticas que pueden dirigirse contra un blanco.

Fue Rutherford quien utilizó tales «cañones de partículas» con más eficacia. Comenzó en 1906, bombardeando delgadas láminas de metal (oro, por ejemplo), con partículas alfa rápidas. La mayoría de las partículas alfa pasaban limpiamente a su través sin ser afectadas ni desviadas, quedando registradas en una placa fotográfica colocada detrás. Pero había otras que sí se desviaban, incluso con ángulos grandes.

Como la lámina de oro que servía de blanco tenía un espesor de dos mil átomos, y como la mayoría de las partículas alfa pasaban a través de ella sin chocar con nada, daba la impresión de que los átomos estaban constituidos en su mayor parte por espacio vacío. Ahora bien, el hecho de que algunas particulas alfa se desviasen enormemente significaba que en alguna parte del átomo debía de existir una región muy masiva, cargada positivamente, capaz de repeler las partículas
alfa
también cargadas positivamente.

Rutherford elaboró entonces la teoría del
núcleo atómico.
El átomo, dijo, contiene en su centro un núcleo muy diminuto, que está cargado positivamente y que contiene todos los protones (y, como se descubrió más tarde, también los neutrones). El
núcleo atómico
tiene que ser pequeñísimo, para justificar la pequeña fracción de partículas alfa que se desviaban, pero también tiene que contener prácticamente toda masa del átomo.

En las zonas más externas del átomo están los electrones cargados negativamente, que son demasiado ligeros para formar una importante barrera ante el paso de las partículas alfa. Aunque los protones y las partículas alfa tienen una masa análoga a la de los átomos, son en realidad simples núcleos atómicos. Ocupan tan poco espacio en comparación con el átomo que, a pesar de su masa, también pueden considerarse como partículas subatómicas.

El átomo nuclear de Rutherford matizó aún más la cuestión de la indivisibilidad del átomo. El núcleo central, que era el corazón del átomo, estaba rodeado y protegido por una nube de electrones. Permanecía impecable e intacto a pesar de todos los cambios químicos. Fue esta aparente permanencia del núcleo la que condujo a que todas las pruebas experimentales previas a los años 1890-99 sugiriesen la idea de un átomo indivisible.

Sin embargo, el átomo sí sufría cambios en las reacciones químicas ordinarias. Gran parte de la nube electrónica permanecía intacta, pero no toda. Algunos electrones podían ser eliminados de la «superficie» del átomo, o añadidos a ella. De este modo, el problema de los iones, que había desconcertado a tres generaciones de químicos, quedó finalmente resuelto.

Si se acepta el núcleo atómico, la siguiente pregunta es: ¿en que se diferencia el núcleo atómico de un elemento del de otro?

Desde los tiempos de Dalton se sabía que los diversos átomos se diferenciaban en la masa (ver pág. 81), pero cómo se refleja esta diferencia en las partículas subatómicas que componen el núcleo atómico?

Los primeros indicios de una posible respuesta provinieron del estudio de los rayos X. El físico alemán Max Theodor Félix von Laue (1879-1960) comenzó en 1909 abombardear cristales con rayos X. Estos experimentos clásicos establecieron dos hechos fundamentales: los cristales consisten en átomos ordenados en una estructura geométrica de capas regulares, y estas capas dispersan los rayos X según un modelo fijo. Según la forma en que son desviados (o difractados) los rayos X, puede determinarse el tamaño (longitud de onda) de las minúsculas ondas que componen los rayos X.

A continuación, el físico inglés Charles Glover Barkla (1877-1944) descubrió en 1911 que cuando los rayos X son desviados por determinados elementos, producen haces que penetran la materia en cantidades características. Cada elemento da lugar a una serie determinada de
rayos X característicos.
Otro físico inglés, Henry Gwyn-Jeffreys Moseley (1887-1915) utilizó el método de Laue para determinar la longitud de onda de estos rayos X característicos. En 1913 halló que su longitud de onda disminuía lentamente a medida que aumentaba el peso atómico de los elementos que los emitían. Esta proporción inversa, argüyó Moseley, dependía de la magnitud de la carga positiva existente en el núcleo del átomo. Cuanto mayor fuese la carga, más corta sería la longitud de onda de los rayos X característicos.