Pierre y Marie Curie

La radiactividad

La radiactividad consiste en la emisión de radiación procedente de núcleos inestables. Dicha radiación puede producirse en forma de partículas subatómicas (sobre todo, partículas alfa y beta) o en forma de energía (principalmente, rayos gamma). El físico francés Henri Becquerel (1852-1908) descubrió por casualidad la existencia de este tipo de radiaciones en 1896. En las décadas posteriores al descubrimiento de Becquerel, el estudio de la radiactividad dio origen a diversos progresos que revolucionaron la comprensión de la naturaleza de la materia y condujo a la introducción de numerosas aplicaciones prácticas de importancia. Entre estas aplicaciones se incluyen numerosos nuevos aparatos e industrias que comprenden desde las armas y las centrales nucleares hasta una amplia variedad de técnicas médicas utilizadas en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.


Henri Becquerel

En 1896, cuando estudiaba la relación entre la fluorescencia y la emisión de rayos X en una sal de uranio, Becquerel comprobó que las radiaciones emitidas eran semejantes a los rayos X pero no tenían nada que ver con la fluorescencia, puesto que la emisión no dependía de la exposición de la sal a la luz y sólo era producida por las sales de uranio, mientras que otras sustancias fluorescentes no la emitían. Los rayos emitidos se denominaron rayos Becquerel.

El fenómeno descubierto por Becquerel fue estudiado por los esposos Pierre y Marie Curie, a quienes se deben las contribuciones más importantes al conocimiento del fenómeno. Marie Curie investigó qué elementos emitían rayos Becquerel. Midiendo la intensidad de la radiación emitida por todos los elementos conocidos, encontró que únicamente el torio y el uranio emitían estas radiaciones (actualmente se conocen 40) y bautizó el fenómeno con el nombre de radioactividad (hoy se prefiere la forma radiactividad). La intensidad de la radiación era proporcional a la cantidad de elemento emisor, de lo cual se deducía que el fenómeno era una propiedad atómica. Observó que algunos minerales de uranio eran más activos de lo que hubieran debido serlo si toda la actividad emisora fuera debida al uranio y supuso la existencia de un elemento desconocido con una capacidad emisora muy superior a la del uranio. Esta hipótesis se vio confirmada con el descubrimiento de dos nuevos elementos, el polonio y el radio.

En 1899, Rutherford expuso a la acción de un campo magnético las radiaciones emitidas por un elemento radiactivo. Comprobó que estaban constituidas por dos tipos de partículas: unas poco penetrantes y de naturaleza positiva, que llamó rayos alfa, y otras más penetrantes y de carácter negativo, que llamó rayos beta. En 1900, Paul Ulrich Villard (1860-1934) repitió el experimento usando un campo magnético más potente y descubrió que un porcentaje de la radiación no era desviado por el campo. Se trataba de unos rayos similares a los rayos X a los que Rutherford, en 1903, llamaría rayos gamma; el propio Rutherford demostró que consistían en ondas electromagnéticas.


Ernest Rutherford

Todo núcleo atómico (con excepción del hidrógeno) contiene uno o más protones y uno o más neutrones. Los núcleos de la mayoría de los átomos de carbono, por ejemplo, contienen seis protones y seis neutrones. Los núcleos de los átomos suelen ser estables, es decir, no experimentan espontáneamente ningún cambio. De aquí a cien años, o a un millón de años, un núcleo de carbono conservará exactamente el mismo aspecto que hoy posee. Algunos núcleos, sin embargo, son inestables. Un núcleo inestable es aquel que experimenta espontáneamente algún cambio interno. Al producirse dicho cambio, el núcleo emite una partícula subatómica, o desprende energía, o ambas cosas. Un ejemplo de núcleo inestable es el del carbono-14, un isótopo del carbono cuyo núcleo consta de 6 protones y de 8 neutrones (en lugar de 6). De un núcleo que emite una partícula o que desprende energía se dice que experimenta una desintegración radiactiva o, simplemente, que se desintegra.

No se conoce con certeza qué determina la inestabilidad de un núcleo. Al parecer, algunos núcleos poseen un número excesivo de protones o de neutrones o una cantidad excesiva de energía; estos núcleos restablecen el equilibrio adecuado de protones, neutrones y energía que les corresponde emitiendo una partícula subatómica o desprendiendo energía. En ese proceso, el núcleo varía su composición y puede, efectivamente, convertirse en un núcleo por completo diferente. El carbono-14, por ejemplo, al intentar alcanzar su estabilidad emite una partícula beta. Tras perder esa partícula, el núcleo de carbono-14 consta de 7 protones y 7 neutrones. Pero un núcleo con 7 protones y 7 neutrones ya no es un núcleo de carbono: es el núcleo de un átomo de nitrógeno. Al emitir una partícula beta, el átomo de carbono-14 se ha transformado en un átomo de nitrógeno.

En la mayoría de los casos, las formas de radiación emitidas por un núcleo radiactivo son las partículas alfa, las partículas beta y los rayos gamma. Una partícula alfa es el núcleo de un átomo de helio, que consta de 2 protones y 2 neutrones. Considérese el caso del radio-226. El núcleo de un átomo de radio 226 consta de 88 protones y 138 neutrones; para que dicho núcleo emita una partícula alfa ha de desprenderse de 2 protones y 2 neutrones, que son los que forman la partícula. Tras la emisión de la partícula alfa, el núcleo resultante contiene sólo 86 protones (88 - 2) y 136 neutrones (138 - 2). Este núcleo es el de un átomo de radón, no el de un átomo de radio. Al emitir una partícula alfa, el átomo de radio-226 se ha transformado en un átomo de radón.

Durante muchos años, la emisión de partículas beta por un núcleo fue motivo de perplejidad para los científicos. Una partícula beta es un electrón. El problema reside en el hecho de que los núcleos de los átomos no contienen electrones; éstos se encuentran en el exterior del núcleo, pero no dentro de él. Entonces ¿cómo puede un núcleo inestable emitir una partícula beta (un electrón)? La respuesta es que la partícula beta se produce por la descomposición de un neutrón en el interior del núcleo atómico, formando un protón y un electrón. Un protón transporta una unidad de carga positiva, y un electrón, una unidad de carga negativa. Ello significa que un neutrón, que no transporta carga eléctrica alguna, puede descomponerse formando dos nuevas partículas (un protón y un electrón) cuyas cargas eléctricas suman cero.

Considérese de nuevo el ejemplo del carbono-14 antes mencionado. Un núcleo de carbono-14 se desintegra emitiendo una partícula beta; ello significa que un neutrón del núcleo de carbono-14 se descompone formando un protón y un electrón. El electrón se emite en forma de radiación beta, y el protón permanece en el interior del núcleo; de este modo, el nuevo núcleo contendrá 7 protones (los 6 originales más el nuevo protón) y 7 neutrones (los 8 originales menos el que ha experimentado la descomposición).

En un núcleo inestable, la pérdida de una partícula alfa o beta se acompaña a menudo de la emisión de radiación gamma. La radiación gamma es una forma de radiación de energía elevada; es parecida a la emisión de rayos X, pero con un nivel de energía algo superior. Algunos núcleos inestables pueden desintegrarse emitiendo sólo rayos gamma; tras perder la energía desprendida en forma de radiación gamma, se convierten en estables.


Marie Curie

Muchos elementos radiactivos existen en estado natural; otros tienen "variantes" radiactivas, llamadas isótopos radiactivos. De hecho, todos los elementos más pesados que el bismuto (número atómico 83) son radiactivos; no poseen isótopos estables. Los elementos radiactivos más pesados forman parte de series conocidas como familias radiactivas. Una familia radiactiva es un grupo de elementos en los que la desintegración de un elemento radiactivo produce otro elemento que también es radiactivo. Un ejemplo lo proporciona la familia de elementos procedentes del isótopo uranio-238. Cuando el uranio-238 se desintegra, forma el torio-234; pero el torio-234 es también radiactivo y, al desintegrarse, se convierte en protactinio-23, el cual, a su vez, también es radiactivo y se desintegra formando uranio-234. El proceso continúa a través de once etapas más, hasta que el isótopo polonio-210 se desintegra formando plomo-206, que es estable.

Muchos elementos más ligeros poseen también isótopos radiactivos; entre ellos están el hidrógeno-3, el carbono-14, el potasio-40 y el telurio-123. También es posible conseguir artificialmente isótopos radiactivos. Por lo general, para ello se procede a bombardear un núcleo estable con protones, neutrones, partículas alfa u otras partículas subatómicas. El proceso de bombardeo se puede llevar a cabo en aceleradores de partículas o en reactores nucleares. Cuando una de las partículas utilizadas como proyectiles en el bombardeo choca contra un núcleo estable, puede convertirlo en inestable y, por consiguiente, hacerlo radiactivo.

La radiactividad es ionizante, es decir, la radiación libera electrones de la materia que encuentra en su camino, lo que se aprovecha en los contadores para medir la radiactividad. Esto es también la causa principal de que dicha radiación sea nociva para los organismos vivos. En general, las pequeñas dosis de radiación emitidas por la tierra o el espacio son inofensivas, pero en mayores cantidades provocan graves daños, principalmente en las glándulas sexuales y en los tejidos de la médula ósea donde se fabrican los glóbulos sanguíneos. Esto obliga a adoptar grandes medidas de seguridad en las centrales nucleares, cuyos residuos radiactivos deben almacenarse en recipientes cerrados, a prueba de radiaciones, durante cientos de años.

Obras de Pierre y Marie Curie

Los numerosos escritos dedicados a la radioactividad por Pierre y Marie Curie figuran entre las obras más importantes de la física del siglo XX. Son el resultado de una estrecha colaboración que se remonta a 1895, fecha de su matrimonio. El descubrimiento de la radioactividad fue objeto de una treintena de memorias, publicadas entre 1898 y 1906; seis de estas memorias mencionan la explícita colaboración de Marie; otras citan a sus colegas G. Bémont, G. Sagnac, A. Debierne, H. Becquerel, I. Danne, Dewar, A. Laborde, Ch. Bouchard y V. Balthazard.

Las primeras notas sobre radioactividad escritas en colaboración con su mujer fueron Sobre una sustancia nueva contenida en la pecblenda (Comptes rendus, tomo CXXVII, p. 175; 18 de julio de 1895); esta nota había sido precedida por una anterior (Comptes rendus, tomo CXXVI, p. 1.101), comunicada únicamente por Marie Curie, que exponía la hipótesis de que la gran actividad (superior a la del uranio y del torio) que presentaban ciertos minerales que contenían estos metales (pecblenda, uranita, calcolita), podía deberse a una sustancia contenida en muy pequeña cantidad en estos mismos minerales. Esta primera memoria da a conocer las tentativas iniciales realizadas para aislar esta sustancia nueva a través de reacciones químicas controladas por medio del electrómetro y el cuarzo piezoeléctrico. Midiendo la actividad de los diversos sulfuros obtenidos de la pecblenda, los Curie llegaron a la conclusión de la existencia de un nuevo metal, que llamaron "polonium" como homenaje a la patria de Marie.

La memoria Sobre una nueva sustancia fuertemente radioactiva contenida en la pecblenda (C. R., tomo CXXVII, p. 1.215; 26 de diciembre de 1898), en colaboración con G. Bémont, expone el procedimiento que condujo al descubrimiento del radio, mucho más activo que el polonio. Ninguno de los dos metales había sido todavía aislado en su estado de pureza, pero ya habían sido estudiadas sus propiedades partiendo de sus sales. La memoria Sobre la radioactividad provocada por los rayos de Becquerel (C. R., tomo CXXIX, p. 174; 6 de noviembre de 1899) confirma que la radioactividad inducida no se debe a vestigios de la materia radioactiva transportados en forma de polvo o de vapores, sino a una especie de radiaciones secundarias debidas a los rayos de Becquerel; a diferencia de los rayos secundarios de Röntgen, que nacen bruscamente en el instante mismo en que el cuerpo que los emite es golpeado por los rayos de Röntgen y cesa cuando cesan éstos, la radioactividad inducida se mantiene y no desaparece sino gradual y regularmente.


Marie Curie en el laboratorio

En los Efectos químicos producidos por los rayos de Becquerel (C. R., tomo CXXIX, p. 823; 20 de noviembre de 1899) se señala la transformación del oxígeno en ozono bajo la acción de productos radíferos muy activos y luminosos y la modificación de coloración del platino-cianuro de bario, entre otros fenómenos. La memoria La carga eléctrica de los rayos desprendidos del radio (C. R., tomo CXXX, p. 647; 5 de marzo de 1900) completa una nota precedente que distinguía dos clases de rayos emitidos por el radio, unos que se desviaban por la acción de un campo magnético y otros que no, y afirma que los primeros están cargados de electricidad negativa.

Finalmente, Las nuevas sustancias radioactivas y los rayos que emiten (Rapports présentés au Congrès international de Physique, 1900, tomo III, p. 79), constituye la obra más importante y la más completa de cuantas escribieron sobre este tema; los autores resumen sus trabajos precedentes, proporcionan todos los detalles de sus experiencias y dan los datos numéricos de sus investigaciones.

Una memoria posterior, Sobre los cuerpos radioactivos (C. R., tomo CXXXIV, página 85; 13 de enero de 1902), precisa las hipótesis sobre los orígenes de la energía de la radioactividad. Las numerosas memorias que siguieron a éstas no hacen mención expresa de la colaboración de ambos esposos, que se mantuvo, no obstante, hasta el trágico accidente que puso fin, el 19 de abril de 1906, a lo corta pero gloriosa vida de Pierre Curie (no contaba entonces todavía cuarenta años). Todos estos escritos fueron reunidos, junto con sus restantes obras, en las Obras de Pierre Curie publicadas al cuidado de la Sociedad francesa de Física (París, 1908), con un prefacio de su esposa.

El Tratado sobre la radiactividad de Marie Curie

Publicada en 1910, esta obra surgida de las investigaciones y experimentaciones de la autora fue fundamental para el desarrollo de la física. El descubrimiento de los fenómenos radiactivos daría lugar a una gran revolución en la historia de la ciencia al demostrarse la posibilidad de una desintegración espontánea del núcleo atómico y la consiguiente transformación de un elemento en otro.

El tratado comienza con una reseña sintética, pero completa, de las diferentes propiedades de los electrones y de los rayos Röntgen. Sucesivamente son descritas las curiosas manifestaciones que presentan determinados minerales y que motivaron las primeras investigaciones sobre los cuerpos radiactivos, y se exponen los procedimientos seguidos para aislar los elementos radiactivos, en particular el radio. Los capítulos siguientes contienen la exposición de las propiedades de dichos elementos, entre los que se encuentran, además del radio, el uranio, el torio, el actinio, el ionio y el polonio.

También se estudian las emisiones de los tres tipos de rayos: los rayos alfa (partículas de helio con doble carga positiva), los rayos beta (electrones negativos) y los rayos gamma (rayos X mucho más ricos en energía y por lo tanto mucho más penetrantes que los obtenidos artificialmente), que pueden considerarse como los residuos de la destrucción del núcleo de las sustancias radiactivas, y que, por consiguiente, siempre acompañan a las desintegraciones de tales sustancias.

La autora enumera las propiedades de estas radiaciones y sus efectos, tales como la impresión de las placas fotográficas, la fluorescencia y la fosforescencia provocada en determinadas sustancias o la ionización del aire. Se describen por último las sucesivas transformaciones de los elementos que, desintegrados, dan origen a elementos derivados, los que a su vez generan otros elementos, en una cadena continua que no termina más que con un elemento estable; el tratado detalla en toda su historia las tres familias de elementos radiactivos (el uranio, el actinio y el torio), que terminan todas en un mismo descendiente: el plomo.

Otras obras de Pierre Curie

Los otros escritos de Pierre Curie, pertenecientes a diversas épocas (de 1880 a 1906) habían sido publicados en diferentes revistas y se ocupan de diferentes temas. El primero en el tiempo trata de la determinación de las longitudes de onda de los rayos caloríficos de baja temperatura; otros se refieren a la cristalografía, la piezoelectricidad, la piroelectricidad, la simetría, la formación de los cristales y las constantes capilares, los movimientos amortiguados y las ecuaciones reducidas, la conductibilidad de los dieléctricos sólidos, las propiedades magnéticas de los cuerpos, etcétera.


Pierre Curie

Pierre Curie no fue solamente un experimentador hábil, sino también un inventor de aparatos nuevos, entre ellos unas balanzas de precisión que ofrecen notables características de funcionamiento, un dinamómetro de transmisión óptica, un manómetro piezoeléctrico, nuevas electrómetros de cuadrantes aperiódicos, un vatímetro estático (en colaboración con R. Blondot), un electroscopio para los cuerpos radioactivos y un aparato para la determinación de constantes magnéticas. Sus primeras investigaciones sobre cristalografía habían sido realizadas, en parte, en colaboración con su hermano Jacques.

Todos los escritos de Curie dan muestras del gran cuidado puesto en el texto, de una forma perfecta y de una gran claridad y concisión en la precisa exposición de la materia. La concisión se pone de manifiesto sobre todo en las memorias teóricas sobre las cuestiones de orden y simetría: realiza un estudio completo y muy claro, introduciendo la noción nueva de plano de simetría rotatoria o de traslación, generalizando las leyes de simetría por su aplicación a los estados del espacio creados por los agentes físicos; establece particularmente cuál es la simetría característica que es preciso atribuir a un estado de campo eléctrico y a un estado de campo magnético. En el curso de una larga serie de investigaciones sobre las propiedades magnéticas de los cuerpos, desde la temperatura ordinaria a los 1.400º, estableció para los cuerpos débilmente magnéticos la ley que lleva su nombre (el coeficiente de magnetismo es inversamente proporcional a la temperatura absoluta).

El descubrimiento de la piezoelectricidad, fenómeno en virtud del cual se produce un desarrollo de electricidad en los cristales desprovistos de un centro de simetría bajo la acción de una deformación mecánica, arrastró a los hermanos Curie a una serie de trabajos extremadamente delicados sobre la electrostática, trabajos que desembocaron en el perfeccionamiento de la técnica de las mediciones eléctricas, por medio del electrómetro que lleva su nombre. El cuarzo piezoeléctrico, que permite reproducir una cantidad de electricidad conocida en valor absoluto, puede servir como base para la medida de cantidades de electricidad y como instrumento de medida absoluta de las cargas eléctricas y las corrientes débiles. Sus virtudes prestaron grandes servicios a los Curie en sus investigaciones sobre la radioactividad.