PARTICULAS ALFA

Partículas Alfa
Pero, ¿qué se puede decir de los rayos alfa? Su deflección magnética en dirección opuesta a la de los rayos beta muestra que deben consistir de partículas alfa cargadas positivamente. El hecho de que la misma intensidad de campo magnético que logra desviar a las partículas alfa sólo un poco, hace desviar a los rayos beta considerablemente, nos dice que las partículas alfa deben ser mucho más masivas que los electrones, que son las partículas que componen los rayos beta.
Esto no era una situación sin precedentes. Haces de partículas masiva ya habían sido encontrados una década antes del descubrimiento de la radioactividad. En 1886, el físico alemán Eugen Goldstein (1850-1930) -quien de hecho fue el que acuñó el nombre de “rayos catódicos”- había utilizado una especie de cátodo perforado en un tubo de rayos catódicos. Encontró que cuando un potencial eléctrico hacía que surgieran del cátodo hacia el ánodo los rayos catódicos negativamente cargados, otro tipo de radiación pasaba a través de las perforaciones del cátodo viajando en la dirección opuesta. Goldstein nombró a este segundo tipo de radiación “rayos canales”, debido a que éstos atravesaban los canales u hoyos en el cátodo.
Puesto que estos nuevos rayos se movían en la dirección opuesta que la de los rayos catódicos, deben consistir de partículas positivamente cargadas. Como consecuencia de lo anterior, el mismo J. J. Thomson sugirió que debía llamárseles “rayos positivos”.

Llegó a suponerse que esta especie de rayos positivos eran los análogos de los rayos catódicos; que aquí estaban los equivalentes “rayos anódicos”. Pero no fue así. El físico alemán Wilhelm Wien (1864-1928) midió la razón e/m de éstos y demostró que el valor reducido obtenido para tal razón hacía plausible que las partículas de estos rayos positivos fuesen mucho más masivas que los electrones. Estas partículas resultaron ser tan masivas como los átomos mismos.
Además, la razón e/m de estos rayos positivos variaba según la naturaleza de la substancia de la que se hiciera el cátodo, y además, también variaba según la naturaleza de la traza de gas que hubiera dentro del tubo. Una vez Rutherford hubo desarrollado su modelo nuclear del átomo, pareció sensato suponer que mientras los rayos catódicos consisten de electrones que son arrancados de los átomos, los rayos positivos consisten de lo que queda atrás una vez se le han removido uno o más electrones al átomo. Estos rayos vendrían a ser, en resumen, núcleos atómicos positivamente cargados (que variaban en masa según el elemento del que hubiesen sido derivados).
La partícula cargada positivamente que se encontró que tenía la razón e/m más alta y, por lo tanto, presumiblemente la masa más pequeña, fue el núcleo del átomo de hidrógeno. Si su carga la tomamos como igual a +1, igual a la del electrón, sólo que opuesta en signo, entonces su masa debe ser unas 1,836 veces mayor que la del electrón. Para 1914, Rutherford había abandonado la idea de encontrar dentro del átomo un partícula positivamente cargada que fuese más liviana que el átomo de hidrógeno, y sugirió que, este núcleo debería ser tomado como el número opuesto del electrón a pesar de su diferencia en masas. (No sabía Rutherford que hallar el verdadero “número opuesto” del electrón, como él le llamaba a lo que hoy llamamos “antipartícula”, tardaría todavía dos décadas más).
En 1920 Rutherford sugirió que al núcleo del átomo de hidrógeno se le diera el nombre de “protón” (de una palabra griega que significaba “primero”).

Esto se retrotraía a la famosa hipótesis de Prout, puesto que lo que Rutherford proponía o sugería era que todos los núcleos atómicos estaban hechos de, por lo menos hasta cierto punto, núcleos de hidrógeno. La hipótesis de Prout se resucitaba así de una forma mucho más sofisticada.
Pero volvamos a la partícula alfa. En 1906, Rutherford midió su razón e/m y encontró que era equivalente a la del núcleo de un átomo de helio. En 1909, él aclaró este asunto de una vez y por todas al poner una muestra de material radioactivo dentro de un tubo de pared muy delgada, el cual a su vez estaba rodeado por otro tubo pero de pared gruesa. El espacio entre las paredes exterior del tubo interior, e interior, del tubo exterior, había sido vaciado. Las partículas alfa provenientes del material radioactivo podían atravesar la pared delgada pero no así la gruesa. Después de penetrar al espacio entre las dos paredes las partículas alfa capturaban electrones lo que neutralizaba su carga y las hacía convertirse en átomos ordinarios; una vez así, tampoco podían atravesar la pared delgada y quedaban atrapadas en el espacio entre las dos paredes. Después de varios días, suficientes átomos se habían acumulado en este espacio como para permitir su investigación espectroscópica, la que demostró que eran átomos de helio.
La masa atómica de helio es cuatro (4), y, por lo tanto, el núcleo de helio es cuatro (4) veces más masivo que un núcleo de hidrógeno. Si la razón e/m del núcleo de helio fuese como la del núcleo de hidrógeno, el núcleo de helio debería tener una carga positiva que fuese cuatro (4) veces la del núcleo de hidrógeno. Sin embargo, la razón e/m del núcleo de helio es sólo la mitad que la del protón, de modo que su carga eléctrica es sólo la mitad de la cantidad esperada, o sólo dos (2) veces la del núcleo de hidrógeno. Por lo tanto, la partícula alfa (como justamente podemos llamar al núcleo de helio) tiene una masa de cuatro (4) y una carga de positivo dos (+2), mientras que el protón (o núcleo de hidrógeno) tiene una masa de uno (1) y una carga de positivo uno (+1).
De aquí parecería que para dar cuenta de su masa la partícula alfa debe consistir de cuatro (4) protones. Pero, no podría consistir de cuatro protones solamente puesto que entonces su carga sería de positivo cuatro (+4) y sabemos que no es así. Hay, sin embargo, una salida a esta aparente paradoja. Puesto que las substancias radioactivas emiten tanto partículas beta (electrones) como partículas alfa, parece razonable suponer que el núcleo contiene tanto electrones como protones. La partícula alfa, según esta visión, puede consistir de cuatro (4) protones y dos (2) electrones. Los dos electrones no añadirían casi nada a la masa total, la cual seguiría siendo cuatro (4), pero cancelarían la carga de dos (2) de los protones, dejando una carga neta de sólo positivo dos (+2).
La existencia de electrones dentro del núcleo parecía satisfactoria también desde otro punto de vista. El núcleo no puede consistir sólo de protones, según parece, puesto que al estar todos los protones cargados positivamente habría una repulsión colosalmente fuerte entre ellos cuando fueran forzados a estar en los confines ultra-estrechos de un núcleo atómico. Así la presencia de los electrones cargados negativamente dentro del núcleo actuaría y sería como una especie de “cemento” entre los protones.
Consideraciones de esta naturaleza llevaron al desarrollo del modelo protón-electrón del núcleo atómico. Cada núcleo, según esta visión, estaba hecho de protones y electrones (excepto el núcleo de hidrógeno, el cual estaba hecho de un simple protón que no requería “cemento-electrónico” alguno puesto que estaba solo).
El número de protones en cada variedad de núcleo sería entonces igual al peso atómico (A) , mientras que el número de electrones era igual al número requerido para cancelar la carga de suficientes protones de forma que quedasen sin cancelar sólo la cantidad requerida para dar cuenta del número atómico (Z). El número de electrones en el núcleo sería entonces igual a A - Z. Aquellos protones que permanezcan sin cancelar en el núcleo tendrán su carga cancelada por los electrones fuera del núcleo, de modo que, en el átomo neutral habría Z electrones “extra-nucleares”.
Así, para dar algunos ejemplos, el núcleo de un átomo de carbono, el cual tiene un peso atómico de doce (12) y un número atómico de seis (6), debe estar hecho de doce (12) protones y 12 - 6, o seis (6) electrones. El núcleo de un átomo de arsénico con un peso atómico setenta y cinco (75) y un número atómico de treinta y tres (33), debe contener setenta y cinco (75) protones y 75 - 33, o cuarenta y dos (42) electrones. El núcleo de un átomo de uranio con peso atómico de doscientos treinta y ocho (238) y un número atómico de noventa y dos (92), debe tener doscientos treinta y ocho (238) protones y 238 - 92, o ciento cuarenta y seis (146) electrones. Aun el núcleo de hidrógeno se ajusta a esta visión, pues al tener un peso atómico de uno (1) y un número atómico de uno (1), éste debe estar hecho de un (1) protón y 1 - 1, o cero (0) electrones.
Desafortunadamente, el modelo protón-electrón del núcleo atómico encontró serias dificultades en su camino. Por ejemplo, se le hizo un cuestionamiento respecto de lo que los físicos llaman el “espín nuclear”. Cada partícula en el núcleo contribuye con su propio “espín” al “espín total” del núcleo. El “espín” de cada protón y de cada electrón puede ser o +1/2 o -1/2, y la suma de cierto número de tales valores puede llegar a ser un número entero (positivo, negativo, o cero) o un número expresado en fracciones de un medio como por ejemplo 1/2, 3/2 , 5/2, etc. (positivo o negativo).
Ahora, el núcleo de nitrógeno, con un peso atómico de catorce (14) y un
número atómico de siete (7), debería, según el modelo protón-electrón del núcleo, tener catorce (14) protones y siete (7) electrones para un total de veintiuna partículas en el núcleo. Por lo tanto, si los “espines” de 21 partículas (cada uno de +1/2 o de -1/2) se suman, la suma debe dar un número en fracción de ½ sin importar la distribución de “espines” positivos y negativos que se haga. Sin embargo, cuidadosas mediciones experimentales convencieron a los físicos de que el “espín” del núcleo del átomo de nitrógeno era un número entero. Esto dio razón para suponer que el núcleo de nitrógeno no podía estar hecho de veintiún protones y electrones, y en verdad, que no podía estar hecho de ningún número impar de protones y electrones. Pero, no existe un número par de protones y electrones que puedan producir un peso atómico de catorce (14) y un número atómico de siete (7). Todo esto resultaba ser un tremendo problema en verdad.
Entonces, ¿qué alternativa había? Una posibilidad era que el electrón cuando está dentro del núcleo no debe contarse como una partícula separada. Quizás en los confines estrechos de un pequeñísimo núcleo, el electrón se amalgama de cierta manera con un protón y forman un partícula sencilla, una “partícula fusionada”, con una masa parecida a la del protón (puesto que el electrón contribuye con muy poca masa al conjunto) y con una carga eléctrica de cero (0) (puesto que la carga -1 del electrón cancelaría la carga +1 del protón). Si fuese así, el núcleo de nitrógeno contendría siete (7) protones y siete (7) “partículas fusionadas” para un total de catorce (14) partículas, o sea, un número par.
Especulaciones concernientes a la posible existencia de partículas sin carga con una masa igual a la del protón habían comenzado tan temprano como en 1920. Por más de una década, sin embargo, no pudo encontrarse signo alguno de tales partículas. Esto no necesariamente implicaba que no existieran, y los físicos de hecho, esperaban que de existir, fuese difícil detectarlas. El método usual para detectar partículas subatómicas está basado principalmente en su habilidad para ionizar otros átomos y moléculas. Fue precisamente por su habilidad de ionizar que los radiaciones radioactivas fueron detectadas por un electroscopio.