Reaccions nuclears

La història d'avui és una continuació d'una mica sobre el nucli, que us recomano llegir abans de continuar per aquí. En futurs articles explicaré algunes anècdotes que estan molt relacionades amb el nucli atòmic. Per a això necessito abans donar alguns detalls del mateix. No són massa tècnics ni complicats. Crec que us agradaran. Anem per feina.

[@more@]

No estem acostumats a veure reaccions d'aquestes en el nostre dia a dia (excepte el cas del Sol, clar) sinó que estem acostumats a veure reaccions químiques en les quals són els electrons de les capes més externes dels àtoms els que es reorganitzen. Ara aquests electrons no intervindran en aquest procés, sinó que seran els nuclis els que es reorganitzaran. Ja no tindrem una reacció química sinó una "reacció nuclear".

Des que Rutherford va descobrir el nucli atòmic els físics es van interessar ràpidament per conèixer més sobre l'estructura nuclear i saber, entre d'altres coses, si era possible transformar un element en un altre (i és que la curiositat dels científics és inesgotable).

El propi Rutherford bombardejava elements amb partícules alfa. Recordeu que no eren més que nuclis d'heli formats per 2 protons i 2 neutrons que feien de projectils contra un blanc. Si donava la casualitat que un d'ells encertava de ple i penetrava en algun nucli del blanc, l'esmentat nucli deuria reorganitzar-se per arribar a la situació més estable amb els nous components.

La primera reacció nuclear deliberada de la història va ser feta d'aquesta manera i la va portar a terme el propi Rutherford en 1919. Va exposar nitrogen en forma de gas a una font radioactiva que emetia partícules alfa. Algunes d'aquestes partícules topaven amb els nuclis dels àtoms de nitrogen. Com a resultat d'aquestes col·lisions, els àtoms de nitrogen es transformaven en àtoms d'oxigen. I com ho detectava? Doncs resulta que cada vegada que es generava un oxigen s'emetia una partícula positiva que es va comprovar més tard era un protó. Cada protó detectat era una reacció nuclear portada a terme.

Havent aconseguit això va començar a bombardejar altres elements per aconseguir altres reaccions.

Però existeix un problema. Les partícules alfa pateixen una força elèctrica de repulsió (càrregues iguals es repel·leixen) abans de penetrar en el nucli del blanc. Quant més gran sigui la càrrega positiva del nucli que bombardegem més forta serà aquesta repulsió elèctrica. Cap partícula alfa generada per la naturalesa no posseeix suficient energia per penetrar en un nucli de potassi (amb 19 protons) o amb major nombre de protons. La força elèctrica de repulsió és tan potent que la partícula alfa és repel·lida abans d'entrar en els dominis de la interacció nuclear.

Una alternativa era bombardejar el blanc amb protons com projectils, ja que la seva càrrega és només la meitat de la partícula alfa. Els protons serien repel·lits amb menys força i a igualtat de la resta de condicions penetrarien amb major facilitat en el nucli. No obstant això, els protons no eren fàcils d'obtenir.

En 1929 Ernest Orlando Lawrence es va treure de la mànega el ciclotró (aquest detall mereixerà solet una altra maca història) que era capaç d'accelerar partícules carregades dotant-les de molta més energia. A partir d'aquí els experiments van avançar molt.

Ens trobem amb un altre nou problema. El nucli és molt petit respecte la mida de l'àtom i la probabilitat d'encertar en un nucli és tan petita que la majoria de l'energia consumida pel ciclotró per generar els protons és desaprofitada. És a dir tenim munts de protons però la probabilitat que encertin un nucli del blanc és molt petita.

Tot això va tenir un punt d'inflexió quan en 1932 el físic anglès James Chadwick va descobrir els neutrons.

Aquestes partícules tenien dos avantatges molt grans. La primera és que donaven una explicació més coherent a l'estructura del nucli atòmic i la segona és que, si es podien utilitzar com projectils, no es veurien afectats per aquestes forces elèctriques de repulsió. Els neutrons no tenen càrrega. D'aquesta manera s'acostarien al blanc com si no ho veiessin i de sobte, a la qual haguessin entrat en els dominis de la interacció nuclear, produirien l'esmentada reacció. Encara quedava el dubte, serien capaços els neutrons d'induir reaccions nuclears? Doncs sí, i ho va demostrar el químic americà William Draper Harkins en 1932.

Tot i així, el problema d'haver poquetes interaccions persistia. Encara que augmentava el número de blancs, seguia sent petit. S'invertia més energia a bombardejar el blanc que la que s'aconseguia amb el procés. No semblava que la força nuclear pogués ser la nova font d'energia. A més, com els neutrons no tenien càrrega, tampoc podien accelerar-se en un ciclotró i la poca energia que posseïen era amb la que sortien del material radioactiu.

I ara arriba el punt important. Enrico Fermi, dos anys després va descobrir que els neutrons amb menys energia (neutrons lents o tèrmics) eren molt més efectius que els ràpids per induir reaccions nuclears. Com és això possible?

Doncs es va saber recentment que la dona de la neteja del laboratori va contribuir que s'adonés. Però això ja és massa llarg i deixarem aquests detalls per a una altra història.

Actualització: el final d'aquesta història ho teniu aquí.

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.