Del átomo a la bomba

Notas históricas sobre ´´Copenhage´´

(artículo aparecido en la revista del Teatro General San Martín)

Por Juan Pablo Paz

La historia de la bomba atómica comenzó en laboratorios universitarios donde unos pocos científicos intentaban comprender la composición de la materia, su movimiento y sus transformaciones. Culminó trágicamente cuando en agosto de 1945 una bomba con 50 kilogramos de uranio estalló sobre Hiroshima yen un instante, brillando mas que mil soles, evaporó a decenas de miles de seres humanos. Esta historia, reseñada aquí, acecha la conciencia de los personajes de Copenhaguen.

El átomo y su núcleo

El siglo XIX culminó con la confirmación de que la materia está compuesta por átomos, la comprensión de las leyes del electromagnetismo y la demostración de que las corrientes eléctricas se producen por el movimiento de pequeñas partículas cargadas negativamente: los electrones. Como los átomos son neutros, la carga de los electrones debe compensarse con otra. La forma en que las cargas eléctricas, positivas y negativas, se distribuyen dentro del átomo era un verdadero misterio cuya resolución condujo al descubrimiento del núcleo atómico. Ernest Rutherford decidió investigar las propiedades del átomo bombardeando láminas metálicas con partículas cargadas. El experimento demostró que una fracción sorprendentemente grande de los proyectiles rebotaba lo cual sólo podía explicarse suponiendo que los mismos encontraban a su paso un objeto muy masivo y cargado positivamente. En 1910, Rutherford explico sus resultados con una idea revolucionaria: el átomo está formado por un núcleo que concentra casi toda la masa atómica y tiene carga eléctrica positiva. A su alrededor se encuentra una nube de electrones.

Bohr entra en escena

La idea del átomo como un sistema planetario con el núcleo en el centro y los electrones a su alrededor era atractiva pero imposible de aceptar: Debido a su movimiento los electrones irradiarían rápidamente toda su energía y caerían inevitablemente sobre el núcleo. La estabilidad del átomo fue un misterio hasta que en 1913 Niels Bohr revolucionó la física proponiendo una solución. Para eso postuló que, contrariamente a lo establecido por la física Newtoniana, los electrones no podían ocupar cualquier órbita: su energía no podía variar continuamente sino que estaba ´´cuantizada´´. Este fue el primer modelo cuántico del átomo, inspirado en los principios que unos años antes Max Planck había sugerido para la luz. Según Bohr, la emisión o absorción de luz se produce en paquetes (fotones) cuando el electrón salta entre dos órbitas con energía permitida. El átomo de Bohr conmovió la física de la época e indujo preguntas para las cuales aún no había respuesta. Vinieron años de crisis profunda, que dieron lugar al nacimiento de una nueva física: la mecánica cuántica.

Heisenberg y la mecánica cuántica

En 1900 el edificio de la física clásica había comenzado a tambalear cuando Max Planck, mostró que las propiedades de la luz emitida por cuerpos calientes podían explicarse suponiendo que la energía estaba almacenada en paquetes (cuantos). Einstein aplicó esta idea para explicar el efecto fotoeléctrico en trabajos que mostraron que la luz, a la que hasta ese entonces se concebía como una onda, tenía un carácter granular o discreto. La energía de las ondas de luz estaba cuantizada y, tal como estableció Bohr, lo mismo sucedía con la los electrones en el átomo. Al poco tiempo, Louis de Broglie se atrevió a proponer que si bajo ciertas condiciones la luz manifestaba un carácter corpuscular era esperable que las partículas, en ciertas circunstancias, manifestaran un carácter ondulatorio. Nació así la idea de las ondas de materia, cuya existencia fue confirmada experimentalmente en 1927 por experimentos en los que se observó la difracción de electrones.

La construcción de una teoría coherente que explicara un comportamiento tan extraño de la naturaleza que, según el experimento realizado, se manifestaba como corpúsculo u onda. fue una tarea turbulenta. Werner Heisenberg en 1925 dio un paso radical: Formuló una teoría, la mecánica cuántica, basada exclusivamente en magnitudes observables. La trayectoria del electrón en el átomo pasó a ser un concepto obsoleto e inútil. La nueva mecánica cuántica tenía una cualidad fundamental: Sus predicciones eran probabilistas. La física aceptaba, por primera vez, al indeterminismo como una propiedad esencial de la naturaleza. En 1927 Heisenberg demostró que su teoría (o la equivalente propuesta por Schrödinger en 1926) obedecía el principio de incertidumbre: Cuanto mayor es la precisión. con que se conoce la posición.de una partícula, menor sera la precisión. con que se puede conocer su velocidad (y viceversa). Los trabajos de Heisenberg y Bohr mostraron también que el acto de medir requiere una interacción que siempre altera el estado del sistema medido. Estas ideas, que cambiaron la concepción del mundo microscópico son la base de la mecánica cuántica, teoría que fue puesta a prueba en los años siguientes prediciendo con asombrosa precisión fenómenos de la física de las moléculas, los átomos y los núcleos.

Los neutrones y la física nuclear

Con el tiempo, la evidencia fue mostrando que el núcleo atómico estaba compuesto por partículas de carga positiva, los protones, pero que en su interior había otras partículas sin carga. En 1932 Chadwick las detectó, estableció que su masa es casi igual a la de los protones y las denominó neutrones. Se encontraron numerosos elementos con el mismo número de protones en su núcleo pero con distinto número de neutrones. Estos átomos, químicamente idénticos pero con distinta masa, se denominaron isótopos y su presencia fue detectada en distintos materiales. Por ejemplo el uranio natural contiene 99% de U-238 (con 92 protones y 146 neutrones) y menos del 1% de U-235 (con 143 neutrones en su núcleo).

Por ese entonces los físicos estudiaban la estructura del núcleo bombardeándolo con diversos proyectiles e iniciaban una nueva alquimia transmutando unos elementos en otros. Los neutrones resultaron proyectiles ideales para examinar al núcleo ya que, al no ser repelidos eléctricamente, penetran profundamente en su interior. Heisenberg y otros teóricos propusieron modelos sobre la composición del núcleo. Bohr dio un paso importante en 1937 cuando presentó su teoría sobre el núcleo compuesto en la que se lo concibe como una gota líquida con una mezcla de protones y neutrones en su interior.

La fisión nuclear

En 1934 Enrico Fermi, en Roma, realizó tediosos experimentos bombardeando distintas substancias con neutrones. Cuando le llegó el turno al uranio detectó la aparición de una sustancia radioactiva que no fue capaz de identificar. En 1938 Otto Hahn, en Berlín, determinó la composición de esta extraña sustancia: era bario, un elemento cuyo peso atómico es casi la mitad del uranio. Hahn, que no comprendía como había sido posible producir bario a partir de uranio, envió sus resultados a Lise Meitner, su antigua colaboradora, emigrada a Suecia escapando del nazismo, quién logró desentrañar el misterio junto a Otto Frisch: utilizando el modelo de Bohr comprendieron que los neutrones penetraban en el núcleo de uranio y lo partían en dos fragmentos de tamaño similar. Utilizaron el nombre ´´fisión´´ para designar a este proceso en el que se libera una energía cien millones de veces mayor que la producida en una reacción química.

La fisión atrapó el interés de los físicos. Bohr llevó la noticia a EEUU donde Fermi, quién había escapado del fascismo, demostró que en la fisión de cada núcleo de uranio se producían también dos o tres neutrones. De inmediato Szilard comprendió que esos neutrones podían utilizarse para producir una reacción en cadena, lo que daba a estos descubrimientos un enorme potencial bélico. La descripción detallada de la fisión del uranio llegó de la mano de Bohr y Wheeler quienes demostraron que sólo los núcleos de U-235 eran fisionables por neutrones lentos mientras que los de U-238 los absorbían sin fisionarse. La escasa abundancia del U-235 parecía un obstáculo insalvable para la construcción de una bomba atómica.

La carrera por la bomba

En 1939, alertado por resultados publicados por Joliot Curie, el físico alemán Harteck presentó una propuesta al ejército de su país para desarrollar investigaciones nucleares. Se crea el ´´club del uranio´´, del cual participa Heisenberg. En EEUU, Einstein, a propuesta de Szilard, escribe una carta al presidente Roosvelt instándolo a apoyar estas investigaciones. La carta tuvo pocos efectos prácticos: una comisión para estudiar el asunto y un modesto apoyo a la investigación nuclear en universidades.

En 1940, Otto Frisch y Rudolf Peirels se encuentran en Inglaterra, donde habían emigrado escapando del nazismo. Con tiempo suficiente a su disposición, Peirels decide calcular en forma detallada la masa de U-235 necesaria para producir una reacción nuclear auto sostenida. Llega a un resultado sorprendente: la masa crítica sería de tan sólo dos kilogramos, un valor que poco después demostró ser incorrecto. El método utilizado por Peirels y Frisch fue convincente y su resultado mostró que una explosión nuclear no requería cantidades exorbitantes de material fisionable. Este trabajo, rápidamente comunicado a los gobiernos inglés y norteamericano, tuvo un impacto importante en la decisión aliada de iniciar un esfuerzo en gran escala: el proyecto Manhattan. Como parte del mismo, en 1941 Enrico Fermi construye un reactor con uranio natural logrando la primera reacción nuclear auto sostenida. Los aliados concentran su esfuerzo en Los Alamos bajo la dirección de Oppenheimer, construyen cientos de miles de instrumentos para separar isótopos y reactores para producir plutonio. En este proyecto secreto, al que Bohr se suma en 1943, trabajan decenas de miles de personas.

En julio de 1945 se terminan tres bombas: dos de plutonio y una de U-235. Semanas mas tarde, dos de ellas destruyen Hiroshima y Nagasaki.

El fracaso del proyecto alemán

Pese a comenzar antes que los aliados, los alemanes fracasaron en sus intentos de obtener aplicaciones de la fisión. Las razones son motivo de debate pero es evidente que errores técnicos y dificultades materiales afectaron al esfuerzo alemán. Ninguno de sus científicos, incluido Heisenberg quién a partir de 1941 lideró el grupo mas

importante, fue capaz de comprender que la masa crítica de U-235 podía obtenerse en el mediano plazo. Por el contrario, parecían convencidos de que su valor era cercano a las dos toneladas. Una clara evidencia de esto surge de las grabaciones realizadas en Farm Hall, donde los aliados mantuvieron detenidos a un grupo de físicos alemanes luego de la caida de Hitler. Allí, tras la bomba de Hiroshima y sin percibir que sus palabras estaban siendo registradas, Heisenberg ensayó explicaciones erróneas en donde mostró su desconocimiento sobre la física de la bomba. Los ingredientes básicos para ella, el uso de U-235 fisionado por neutrones rápidos, parecen haber escapado a la brillantez de Heisenberg y sus colegas que concentraron su atención en la construcción de un reactor, que tampoco llegó a funcionar debido nuevamente a errores y dificultades materiales.

La ética de los científicos

Uno de los aspectos mas interesantes de esta historia es el vinculado a la responsabilidad de los científicos ante investigaciones con aplicaciones bélicas o cuestionamientos éticos (entre las que hoy se destacan las investigaciones en bioingeniería). La humanidad podría requerir de sus científicos que, ante cuestionamientos éticos se auto-limiten en sus investigaciones. Suele suceder, sin embargo, que la ciencia sólo es capaz de plantearse esos cuestionamientos cuando ya es demasiado tarde. La historia que aquí se cuenta muestra que el uso de la fisión nuclear fue consecuencia de la sistemática apertura de varias ´´cajas de Pandora´´. Nadie hubiera osado proponer la interrupción de la investigación básica sino hasta el momento en que ya era demasiado tarde. La conclusión es doble: Por un lado la lucha por la utilizaciónhumanista del conocimiento científico y tecnológico es deber de todos los seres humanos, científicos o no. Por otra parte los científicos no pueden diluir su responsabilidad individual ante la disyuntiva de aceptar trabajar o no en investigaciones cuestionables. En ese sentido su actitud debe ser la misma que la de cualquier otro habitante de este planeta que aspire a poder sostener la mirada de sus hijos.

Glosario

Electrón: Partícula cargada cuyo movimiento da lugar a las corrientes eléctricas. Su masa es menor que la milésima parte de la de un átomo.

Protón: Partícula dos mil veces mas pesada que el electrón y con carga igual y opuesta al mismo. Forma parte del núcleo atómico.

Neutrón: Partícula sin carga eléctrica que se encuentra en el núcleo atómico. Su masa es casi igual a la del protón. Usados como proyectiles penetrar profundamente en el interior del núcleo.

Fotón: Cuanto de luz. Paquete de energía que constituye todo haz de luz (que, examinado con suficiente resolución, tiene un carácter granular).

Isótopos: Átomos con igual número de protones pero distinto número de neutrones en su núcleo. Tienen iguales propiedades químicas pero diferente masa.

Uranio 238 y 235: Los dos isótopos mas abundantes del uranio. El U-238, que constituye el 99% del uranio natural, contiene 92 protones y 146 neutrones. El U-235 tiene el mismo número de protones y 143 neutrones.

Fisión: Proceso por el cual un núcleo se divide en dos fragmentos de tamaño similar. Típicamente, ocurre cuando ciertos núcleos absorben un neutrón con suficiente energía. Parte de la energía que mantiene ligado al núcleo inicial se libera transformándose en movimiento de los fragmentos. Comparado con una reacción química, este proceso es cien millones de veces mas eficiente para producir energía.

Neutrones rápidos: Neutrones emitidos en el proceso de fisión. Se mueven a velocidades cercanas a las decenas de miles de kilómetros por segundo.

Neutrones lentos: Neutrones que se mueven a velocidades parecidas a las de los átomos de un gas en equilibrio a temperatura ambiente. Sus velocidades típicas son de algunas decenas de kilómetros por segundo.

Moderador: Sustancia utilizada en un reactor nuclear para disminuir la velocidad de los neutrones rápidos los que pierden su energía al chocar con los núcleos del moderador. El agua pesada, que contiene deuterio en lugar de hidrógeno, es el moderador mas común. En el primer reactor nuclear Enrico Fermi utilizó grafito ultra puro con ese fin.

Plutonio: Elemento con 94 protones en su núcleo que es generado en los reactores a partir del uranio. Es fisionable y fue utilizado en el núcleo de la bomba que destruyó Nagasaki.