CHOQUES DE PARTÍCULAS ALFA CON ÁTOMOS LIVIANOS

Se ha demostrado que un metal recubierto con un depósito de radio C, siempre da lugar a cierto número de centelleos sobre una pantalla de sulfuro de zinc colocada a una distancia aún mayor de la que las partículas alfa pueden alcanzar. Los átomos veloces que causan estos centelleos llevan carga positiva, son desviados por un campo magnético y tienen casi el mismo alcance y la misma energía que los átomos veloces de hidrógeno que se producen cuando pasan partículas alfa a través del gas hidrógeno. Se cree que este centelleo “natural” se debe mayormente a átomos veloces de hidrógeno que provienen de la fuente radiactiva, pero es difícil decidir si los emite la fuente radioactiva misma o si se deben a la acción de las partículas alfa sobre el hidrógeno ocluido en la superficie de la fuente radioactiva.
CONTANDO CENTELLEOS
Dado que el conteo sistemático de los centelleos de hidrógeno bajo variadas circunstancias es una tarea difícil y tediosa, sería de algún valor mencionar el arreglo general que hemos encontrado más apropiado y conveniente en la práctica. Utilizando las excelentes pantallas hechas de sulfato de zinc preparadas por Mr. Glew, los centelleos debidos átomos de hidrógeno de alta velocidad aparecen como una estrella fina y brillante o punto de luz, muy similar en apariencia e intensidad a aquellas producidas por partículas alfa cerca de 3 mm. del final de su alcance. Cerca del final del alcance del átomo de hidrógeno, el centelleo ya resulta muy débil, y puede ser observado únicamente en trasfondos muy obscuros. Consecuentemente, en un haz heterogéneo de átomos de hidrógeno, la cuenta por minuto que se haga depende hasta en cierto medida de la luminosidad del trasfondo visto en el microscopio. Es importante ajustar y mantener la luminosidad de la pantalla a la medida correcta a través de todo el intérvalo que dure el experimento. Esto se logra de la manera más simple por medio de un tipo de lámparas que están fijas en su montura de metal en las que la corriente eléctrica se puede hacer variar. Aun cuando centelleos débiles pueden ser contados fácilmente sobre un trasfondo negro, se hace difícil en esas condiciones mantener el ojo enfocado en la imagen del microscopio además de que el ojo se fatiga y la cuenta se vuelve errática. El microscopio utilizado tiene una magnificación de cerca de 40 y cubre un campo de visión de unos 2 mm. de diámetro. En la práctica esta magnificación ha probado ser una muy conveniente. En experimentos posteriores, pantallas especiales de sulfato de zinc fueron preparadas en las que los pequeños cristales fueron cernidos a través de una fina malla sobre una placa de vidrio cubierta con una capa delgada de material adhesivo. Estos cristales fino cubrían por completo la placa con varios cristales de profundidad. Con este tipo de pantallas, los centelleos de hidrógeno aparecían más grandes y más difusos, probablemente debido al desvío de la luz al pasar a través de la gruesa capa de cristales, por lo que resultaba más fácil contarlos, a la vez que los centelleos débiles podían ser contados en un trasfondo más brillante que con las pantallas ordinarias. A la misma vez, las capas de cristales eran tan uniformes, que cada átomo de hidrógeno incidente producía un centelleo.

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Para estudiar estos centelleos “naturales” se utilizó una fuente radioactiva colocada dentro de una caja de metal a 3 cm. del final de su alcance, en el cual se hizo una abertura que se cubrió con una placa de plata cuyo poder de detención equivalía a cerca de 6 cm. de aire. La pantalla de sulfuro de zinc se montó fuera, con una separación de un milímetro entre ella y la placa de plata, para permitir así la introducción de láminas delgadas de metal absorbente. Para desviar los rayos beta que no son detenidos por la placa colocada frente a la abertura, se colocó todo el aparato en un campo magnético intenso. Se extrajo el aire de la caja, se usaron láminas absorbentes de aluminio y se midieron los centelleos. Cuando en la caja de metal se introducía oxígeno seco o bióxido de carbono, el número de centelleos disminuía hasta casi la cantidad esperada, según el poder de detención del gas introducido.
Sin embargo, se notó un efecto sorprendente cuando se introdujo aire seco. En vez de disminuir, el número de centelleos aumentó; tanto que, para una absorción correspondiente a cerca de 19 centímetros de aire el centelleo era casi dos veces mayor que cuando se le había extraído todo el aire a la caja. Por este experimento se vio claramente que las partículas alfa, al pasar a través del aire de la caja, causaban centelleos de gran alcance, los cuales, a simple vista, parecían tener un brillo igual al de los centelleos de hidrógeno. Se comenzó una serie de observaciones sistemáticas para explicar el origen de estos centelleos. En primer lugar, hemos visto que el paso de las partículas alfa a través del nitrógeno y el oxígeno da lugar a centelleos numerosos y brillantes, que tiene un alcance de cerca de nueve centímetros en el aire. Estos centelleos tienen un alcance aproximado al que se esperaría si fueran producidos por átomos veloces de nitrógeno u oxígeno, que llevan una carga unidad, y que resultan de choques con partículas alfa. Nótese que todos los experimentos se han hecho con una absorción mayor que nueve centímetros de aire, a fin de que estos átomos se detengan completamente antes de llegar a la pantalla de sulfuro de zinc.
Se encontró que estos centelleos de largo alcance no podían atribuirse a la presencia de vapor de agua en el aire, porque el número sólo se redujo muy poco al secar el aire totalmente.
Tampoco podían atribuirse al hidrógeno, pues es sabido que la cantidad de hidrógeno, o de gases que lo contengan, es normalmente muy pequeña en el aire atmosférico. Tampoco se observó diferencia cuando el aire se cogía directamente del salón o de fuera del laboratorio o si había sido guardado sobre el agua durante algunos días.
Había la posibilidad de que el efecto observado en el aire pudiera atribuirse a la liberación de átomos del hidrógeno contenido en los núcleos de polvo del aire. Sin embargo, no se notó ninguna diferencia apreciable cuando el aire seco se filtró a través de montones de algodón absorbente o cuando se le conservó en agua algunos días para eliminar el polvo.
Puesto que el efecto anómalo se observó con el aire, pero no con el oxígeno o el bióxido de carbono, tal efecto ha de atribuirse al nitrógeno o a cualquiera de los otros gases presentes en el aire atmosférico. Esta última posibilidad se excluyó al comparar los efectos producidos con aire y los efectos producidos con nitrógeno puro. En efecto, con nitrógeno puro el número de centelleos de largo alcance bajo condiciones semejantes era mayor que en el aire. Como resultado de experimentos cuidadosos se encontró que la razón era 1.25, el valor que debía esperarse si los centelleos se debían al nitrógeno.
Los resultados obtenidos hasta la fecha demuestran que los centelleos de gran alcance obtenidos con el aire han de atribuirse al nitrógeno, pero, además, es importante demostrar que se deben a choques de partículas alfa con átomos de nitrógeno por todo el gas. En primer lugar se encontró que el número de centelleos variaba con la presión del aire del modo que cabía esperar si efectivamente fuesen resultado de choques de partículas alfa o a lo largo de la columna de gas. Además, cuando una pantalla absorbente, de oro o de aluminio, se colocaba cerca de la fuente, el alcance del centelleo se reducía en la cantidad que era de esperarse si se suponía que el alcance del átomo expulsado era proporcional al alcance de las partículas alfa que chocaban. Estos resultados muestran que el centelleo surge del gas, y no se debe a ningún efecto de superficie de la fuente radioactiva.
Los átomos veloces de largo alcance (más de nueve cm de aire) que provienen del paso de partículas alfa a través del nitrógeno, se asemejan mucho a los átomos de hidrógeno, y probablemente son átomos de hidrógeno. Para resolver definitivamente este punto importante es necesario estudiar las desviaciones que sufren estos átomos veloces en un campo magnético. Se han hecho algunos experimentos preliminares usando un método semejante al utilizado para medir la velocidad del átomo de hidrógeno. La dificultad mayor estriba en conseguir que un haz de átomos sufra una desviación suficientemente grande y, además, poder conseguir un número suficiente de centelleos por minuto para que se puedan contar. Los rayos alfa que provenían de una fuente potente pasaron a través del aire seco entre dos placas paralelas y horizontales de 3 cm. de largo y 1.6 mm. de separación, y se observó el número de centelleos producidos en la pantalla colocada cerca del extremo de las placas cuando los rayos atravesaban campos magnéticos de distinta intensidad. Bajo estas condiciones, cuando los centelleos surgían a lo largo de toda la columna de aire que se encontraba entre las placas, el campo magnético más fuerte que se podía obtener redujo el número de centelleos en sólo un 30%. Cuando se reemplazó el aire por una mezcla de bióxido de carbono e hidrógeno que tuviera el mismo poder de detención para los rayos alfa, se notó una reducción casi igual a la anterior (30%). En acuerdo con estos experimentos, los centelleos se deben a átomos de hidrógeno; pero el número de centelleos y la cantidad de la reducción era muy pequeña como para tener plena fe en el resultado. Para resolver este problema definitivamente es muy probable que sea necesario usar como fuente de nitrógeno un compuesto sólido de nitrógeno, libre de hidrógeno, y además, usar fuentes más potentes de rayos alfa. En tales experimentos es importante distinguir entre las desviaciones debidas a los átomos de hidrógeno y las desviaciones debidas a los posibles átomos que tengan un peso atómico igual a dos.

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DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS

De los resultados obtenidos hasta aquí es difícil evitar llegar a la conclusión de que los átomos de largo alcance que surgen del choque entre las partículas alfa con nitrógeno no son átomos de nitrógeno sino que, con toda probabilidad, son átomos de hidrógeno o posiblemente átomos de masa igual a 2. Si este fuera el caso, debemos concluir que el átomo de nitrógeno se desintegra bajo las intensas fuerzas que se desarrollan en un choque cerrado con una partícula alfa veloz, y que el átomo de hidrógeno que se libera forma parte constituyente del núcleo de nitrógeno.

Notas:
A la reacción ocurrida al bombardear el nitrógeno con partículas alfa, obteniendo así núcleos de hidrógeno, se la conoce como una reacción nuclear. Se representa así:

N14 + α2 --------> O17 + H1 + energía


dónde N representa el átomo de nitrógeno con un peso de 14 unidades y una carga eléctrica positiva igual a 7. El núcleo de hidrógeno H1 que se emite podría representarse también por el símbolo p1, ya que se le asignó el nombre de protón. La partícula alfa se representa por, α2 con un peso de 4 unidades y una carga positiva en el núcleo igual a 2. Nótese que para obtener el peso y la carga de la partícula que se produce, se suman los valores correspondientes del nitrógeno y de la partícula alfa.
Para que la ecuación esté correctamente balanceada en ambos lados, debemos obtener una partícula con un peso de 18 unidades; 14 de nitrógeno + 4 de la partícula alfa) y con una carga igual a 9 (7 del nitrógeno + 2 de la partícula alfa). Esta partícula corresponde a un átomo de flúor que es inestable y se desintegra emitiendo un protón. Siendo este protón un núcleo de hidrógeno con peso igual a 1 y carga igual a 1, la otra partícula que se produce debe tener un peso 17 y una carga 8. Un átomo con esas características es un isótopo del oxígeno.
Por esta reacción nuclear podemos ver que Rutherford logró transformar el nitrógeno en un isótopo del oxígeno.