Historia del átomo y de la Radiactividad (2023)

El conocimiento del átomo, como todo conocimiento científico, nace de la curiosidad del hombre por comprender lo que le rodea en su naturaleza y en su funcionamiento. Por explicarse los fenómenos naturales.

Los filósofos griegos discutieron mucho sobre la naturaleza de la materia y concluyeron que el mundo debía ser más sencillo de lo que parecía.

En el siglo V a.C. Leucipo sostenía que todas las formas de materia debían estar constituidas por un mismo tipo de elemento que adoptaba formas diferentes. Sostenía, además, que si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas, acabaríamos encontrando una porción que no se podría seguir dividiendo. Un discípulo suyo, aunque hay quien piensa que podrían ser el mismo, Demócrito, bautizó a estas partes indivisibles e infinitas de materia con el nombre de átomos, término que en griego significa “que no se puede dividir”, y que siempre estarían en movimiento y rodeadas de vacío.

Unos años más tarde Empédocles (siglo IV a.C.) estableció que la materia estaba formada por 4 elementos: tierra, agua, aire y fuego.

Aristóteles (siglo III a.C.)agregó el “éter” como quintaesencia, negó la existencia de los átomos de Demócrito y reconoció la teoría de los 4 elementos, la cual, gracias a su prestigio y al posterior de Platón , se mantuvo vigente en el pensamiento de la humanidad, perdurando a través de la Edad Media y el Renacimiento. Hoy sabemos que aquellos 4 elementos iniciales no forman parte de los 106 elementos químicos actuales.

En 1808, John Dalton publicó su teoría atómica, que retomaba las antiguas ideas de Leucipo y Demócrito. Según la teoría de Dalton:

1. Los elementos están formados por partículas discretas, diminutas e indivisibles, llamadas átomos, que no se alteran en los cambios químicos.
2. Los átomos de un mismo elemento son todos iguales entre sí en masa, tamaño y en el resto de las propiedades físicas o químicas. Por el contrario, los átomos de elementos diferentes tienen distinta masa y propiedades.
3. Los compuestos se forman por la unión de átomos de los correspondientes elementos según una relación numérica sencilla y constante. Por ejemplo, el agua está formada por 2 átomos del elemento hidrógeno y 1 átomo del elemento oxígeno.

Hoy sabemos que ninguno de estos tres puntos es completamente cierto; sin embargo, Dalton contribuyó enormemente a entender cómo estaba formada la materia.

Modelo Mecano-Cuántico

Es el modelo actual; fue expuesto en 1925 por Heisenberg y Schrödinger.

Erwin Schrödinger	Werner Heisenberg

Aspectos característicos:

• Dualidad onda-partícula: Broglie propuso que las partículas materiales tienen propiedades ondulatorias, y que toda partícula en movimiento lleva una onda asociada.
• Principio de indeterminación: Heisenberg dijo que era imposible situar a un electrón en un punto exacto del espacio. Las ecuaciones del modelo mecano-cuántico describen el comportamiento de los electrones dentro del átomo, y recogen su carácter ondulatorio y la imposibilidad de predecir sus trayectorias exactas. Así establecieron el concepto de orbital, región del espacio del átomo donde la probabilidad de encontrar un electrón es muy grande.
• Características de los orbitales:La energía está cuantizada. Lo que marca la diferencia con el modelo de Böhr es que este modelo no determina la posición exacta del electrón, sino la mayor o menor probabilidad. Dentro del átomo, el electrón se interpreta como una nube de carga negativa, y dentro de esta nube, en el lugar en el que la densidad sea mayor, la probabilidad de encontrar un electrón también será mayor.
• El comportamiento de los electrones dentro del átomo se describe a través de los números cuánticos. Los números cuánticos se encargan del comportamiento de los electrones, y la configuración electrónica de su distribución. Y por último, dada la cantidad de elementos, se necesitaba una clasificación. Hoy en día se utiliza la Tabla Periódica, aunque le precedieron muchos otras propuestas. En la Tabla Periódica los elementos se clasifican según el número atómico.

En la actualidad

Los estudios más recientes han ido profundizando en el conocimiento del interior del átomo y del microcosmos gracias, especialmente, a los aceleradores de partículas. Por ello la palabra átomo ha perdido su sentido etimológico dado que ha sido dividido en numerosas subparticulas:

Hemos llegado a conocer la energía que almacena.

Evolución de los Modelos Atómicos

La Energía del Átomo

John Dalton afirmaba en su libro A New System of Chemical Philosophy que los elementos se formaban a partir de determinadas combinaciones de átomos y que todos los átomos de un mismo elemento eran idénticos. Es decir, que todos los átomos del hierro o del uranio son idénticos.

A partir de aquí el trabajo de los científicos se centraba en identificar todos los elementos y clasificarlos. El primero en proponer una ordenación fue el químico inglés Newlands. Una propuesta que otros científicos como Lothar Meyer, Dimitri Mendeleiev o Moseley se encargaron de estudiar y modificar hasta obtener la Tabla Periódica actual.

Descubrimiento del electrón

En 1897, J. J. Thompson anunció el descubrimiento de una partícula cargada negativamente a la que llamó electrón. Fue capaz de deducir también la relación entre la carga de una partícula (e) y su masa (m). Los electrones son elementos cargados negativamente que van orbitando alrededor de un núcleo como si se tratara de planetas orbitando alrededor del Sol. El conjunto de núcleo y electrones forman el átomo como descubrirá más adelante Rutherford.

El descubrimiento de la radioactividad

En 1896, el físico francés Antoine-Henri Becquerel comprobó que determinadas sustancias, como las sales de uranio, producían radiaciones penetrantes de origen desconocido. Este fenómeno fue conocido como radioactividad.

Becquerel estaba trabajando en su laboratorio y dejó descuidadamente unas sales de uranio junto a unas placas fotográficas que aparecieron posteriormente veladas, a pesar de estar protegidas de la luz solar. Después de investigarlo se dio cuenta que el causante fueron las placas era el uranio. Gracias a su descubrimiento Becquerel se convirtió en el “padre de la energía nuclear”.

En la misma época, el matrimonio francés formado por Pierre y Marie Curie dedujeron con sus investigaciones la existencia de otro elemento de actividad más elevada que el uranio, que en honor a su patria fue llamado polonio. También fueron los descubridores de un segundo elemento al que denominaron radio.

Estos tres elementos, por sus características, tomaran una gran importancia en el desarrollo de la energía nuclear. Actualmente, el combustible de prácticamente todas las centrales nucleares es el uranio.

Posteriormente, como resultado de las investigaciones de Rutherford y Soddy, se demostraría que el uranio y otros elementos pesados, emitían tres tipos de radiaciones: alfa, beta y gamma. Las dos primeras estaban constituidas por partículas cargadas, comprobándose que las partículas alfa eran núcleos de átomos de helio y las partículas beta eran electrones. Además, se comprobó que las radiaciones gamma eran de naturaleza electromagnética.

1.- El modelo atómico de Rutherford

El descubrimiento de la naturaleza de las radiaciones permitió a Rutherford estudiar la estructura de la materia. Con sus experimentos pudo deducir que el átomo estaba constituido por una zona central positiva donde se concentraba toda la masa y que los electrones giraban en órbitas alrededor del núcleo, como si fuera un pequeño sistema solar. Esto significaba que el átomo no era macizo como se creía hasta entonces.

2.- El descubrimiento de la constante de Planck y la teoría cuántica

En 1900, el físico alemán Max Planck formuló que la energía se emite en pequeñas unidades individuales conocidas como cuantos. Descubrió una constante de carácter universal conocida como la constante de Planck, representada como h.

La ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación electromagnética multiplicada por dicha constante universal.

Los descubrimientos de Planck representaron el nacimiento de un nuevo campo para la física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron las bases para la investigación en campos como el de la energía nuclear.

3.- La teoría de la relatividad de Albert Einstein

Albert Einstein es el científico más bien considerado de la historia del siglo XX. Einsten propuso la conocida ecuación E=mc2 . Esta ecuación resultó ser revolucionaria para los posteriores estudios de física nuclear, aunque en aquellos tiempos no se disponía de medios para demostrarla experimentalmente. Así, E representa la energía y m la masa, ambas interrelacionadas a través de la velocidad de la luz c. Esta ecuación relacionaba las conversiones másicas de energía, de forma que se podía afirmar, que ambas entidades eran distintas manifestaciones de una misma cosa.

4.- El modelo atómico de Böhr

El físico danés Niels Böhr desarrolló en 1913 una hipótesis, según la cual los electrones estaban distribuidos en capas definidas (o niveles cuánticos) a cierta distancia del núcleo. De este modo se constituía la configuración electrónica de los distintos elementos.

Para Böhr, los electrones giraban en órbitas estacionarias desde las que no se emitía ninguna radiación. De este modo, se enterraba el viejo concepto del átomo como algo indivisible, inerte y simple, y apareciendo la hipótesis de una estructura compleja que daría posteriormente complicadas manifestaciones energéticas.

5.- El descubrimiento del neutrón

El descubrimiento del neutrón fue realizado por James Chadwick en 1932. Chadwick “midió” la masa de la nueva partícula deduciendo que era similar a la del protón pero con carga eléctricamente neutra. Así, se observó que el núcleo atómico estaba compuesto por neutrones y protones, siendo el número de protones igual al de electrones.

Con su descubrimiento, Chadwick consiguió un “proyectil” de características ideales para provocar reacciones nucleares.

6.- El descubrimiento de la radioactividad artificial

El matrimonio formado por Frédèric Joliot e Irene Curie fueron los descubridores de la radioactividad artificial.

Outline History of Nuclear Energy

Las conclusiones a las que llegó el matrimonio Joliot-Curie, se basaban en la idea de que la radioactividad, hasta entonces de carácter natural, podía ser producida por el hombre, construyendo elementos radiactivos mediante el bombardeo con partículas alfa de algunos elementos químicos.

a) El descubrimiento de la fisión nuclear

A finales de 1938, en los umbrales de la Segunda Guerra Mundial, un equipo de investigadores alemanes en el Kaiser Wilhem Institut de Berlín, integrado por Otto Hahn, Fritz Strassmann, Lisa Meitner y Otto Frisch, interpretó el fenómeno de la fisión nuclear, a través de la identificación del elemento bario como consecuencia de la escisión del núcleo de uranio.

Los primeros estudios sobre la fisión nuclear fueron llevados a cabo por Otto Hahn y Lise Meitner, basándose en los resultados obtenidos por el matrimonio Joliot-Curie, que mediante análisis muy cuidadosos, encontraron un elemento de número atómico intermedio en una muestra de uranio bombardeado con neutrones.

Lise Meitner y Otto Frisch pudieron deducir que al bombardear el uraniocon neutrones, éste capturaba un neutrón y se dividía en dos fragmentos, emitiendo de una gran cantidad de energía. Era el descubrimiento de la la fisión nuclear.

a) La bomba atómica

Muchos de los grandes inventos de la historia tienen un origen militar. El caso de la energía nuclear no es una excepción.

b) El Proyecto Manhattan

En 1939, en los inicios de la Segunda Guerra Mundial, Albert Einstein recomienda al presidente de los Estados Unidos, F. D. Roosevelt, el desarrollo de la bomba atómica. Einstein explicaba que gracias a los trabajos de investigación llevados a cabo por Enrico Fermi y Leo Szilard, en los Estados Unidos, y por Frédéric Joliot y su esposa Irene Joliot-Curie, en Francia, era casi seguro que muy pronto fuera posible desencadenar una reacción nuclear en cadena que permitiera liberar unas grandes cantidades de energía. Este procedimiento permitiría también la construcción de una nueva clase de bombas.

Einstein mencionaba también la escasez de reservas de uranio de los Estados Unidos y que las minas de este mineral se encontraban en la antigua Checoslovaquia y en el Congo Belga. Propuso la colaboración entre científicos y la industria para desarrollar lo más pronto posible la mencionada bomba atómica.

Además, informó que Alemania había suspendido la venta de uranio de las minas checas, de las que el Reich se había hecho cargo. Este hecho podría significar que los científicos del Instituto Kaiser Wilhelm podrían estar llevando a cabo experimentos de fisión nuclear, también.

El miedo de Albert Einstein a la guerra nuclear era consecuencia de su profundo conocimiento de los avances de la investigación en este campo. Tuvo que emigrar a Estados Unidos en 1933, desde Alemania, al comienzo de la persecución de los judíos.

De la carta de Albert Einstein:

“Trabajos recientes de E. Fermi y L. S. Szilard… me permiten suponer que el elemento químico uranio… puede convertirse en una nueva fuente energética muy importante… Durante los últimos cuatro meses la posibilidad de llevar a cabo una reacción nuclear en cadena mediante una gran cantidad de uranio, ha aumentado; esta reacción daría lugar a grandes cantidades de energía y a nuevos elementos semejantes al radio… Ese nuevo fenómeno conduciría también a la construcción de bombas…

Teniendo en cuenta esta situación parece aconsejable mantener un cierto contacto entre el gobierno y el grupo de físicos que trabaja en América con reacciones en cadena.

Un camino posible para lograrlo podría ser que usted trasladase este encargo a una persona de su confianza.

Sus tareas podían ser en este aspecto las siguientes: … asegurar el suministro de uranio de los Estados Unidos… acelerar los trabajos experimentales… obtener fondos…”

Roosevelt acogió la carta de Einstein sin excesiva ilusión, aunque creó una comisión para que se encargara de las cuestiones mencionadas por el científico en la misma.

Entre 1940 y 1941 empezaron a realizarse medidas en sistemas de uranio-grafito. Glen Seaborg descubrió, a finales de 1940, un elemento artificial, el plutonio-239, que podría emplearse para la fabricación posterior de la bomba atómica.

La fabricación de la bomba fue confiada al ejército, en un proyecto bélico que costaría alrededor de 2.500 millones de dólares. El programa contemplaba dos alternativas: la separación del uranio-235 deluranio-238, y la producción de plutonio-239 en los reactores de grafito.

El 2 de diciembre de 1942, un grupo de físicos nucleares europeos, emigrados a los Estados Unidos y dirigidos por el físico italiano Enrico Fermi, ponían en marcha la primera reacción nuclear en cadena producida por el hombre en la historia de la energía nuclear con la intención de aplicar por primera vez la energía nuclear. El reactor nuclear empleado, conocido como Chicago Pile (CP-1), era de estructura sencilla, y se instaló bajo la tribuna del estadio de fútbol americano de la Universidad de Chicago. Se empleó combustible de uranio, como el que Fermi empleaba en sus experimentos en Roma, y moderadorde grafito.

Los preparativos para este experimento fueron llevados a cabo con gran secreto. El objetivo de la investigación era la obtención de una reacción en cadena –en principio controlada– que permitiera el estudio de sus propiedades en vistas al posible desarrollo de una bomba atómica.

La reacción en cadena de fisión se inició una vez se extrajeron con mucho cuidado las barras de control. En este momento, entró en funcionamiento el primer reactor nuclear de la historia de la energía nuclear.

En 1943 fueron levantadas tres ciudades llenas de instalaciones de investigación: Oak Ridge (Tennesse) para separar el uranio-235 del uranio-238, Hanford para el establecimiento de los reactores nucleares, y Los Álamos para la construcción de la bomba atómica. Robert Oppenheimer fue nombrado director del laboratorio de Los Álamos, consiguiendo reunir a cerca de mil científicos que permanecerían allí hasta seis meses después de acabada la contienda.

En la madrugada del 16 de julio de 1945, se llevó a cabo la primera prueba de la bomba atómica de plutonio en el desierto de Álamogordo (Nuevo México), y resultó ser un completo éxito.

La bomba atómica de uranio y la de plutonio estuvieron listas al mismo tiempo. La primera, denominada Little Boy, constaba de dos masas de uranio-235 que se proyectaban una sobre otra con explosivos convencionales.

La segunda, Fat Man, consistía en una esfera hueca de plutonio que colapsaba sobre su centro por la acción de explosivos convencionales

El 6 de agosto de 1945, se lanzaron las dos bombas nucleares que alterarían el rumbo de la historia. Little Boy fue lanzada sobre Hiroshima desde el avión Enola Gay, y el 9 de agosto, Fat Man fue arrojada sobre Nagasaki.

Las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki se convirtieron así en los primeros y hasta el momento los únicos objetivos de un ataque con bombas atómicas de la historia.

Las condiciones para la construcción de una bomba atómica, en la que trabajaron –sin éxito– durante la Segunda Guerra Mundial algunos físicos soviéticos, como Igor Vasilievich Kurchatov, fueron más estrictas de lo que se necesita para conseguir el funcionamiento con éxito de un reactor nuclear.

La energía liberada durante una detonación de este tipo se reparte aproximadamente en un 35% de radiación térmica, un 50% de presión y un 15% de radiación nuclear. Este proceso hace que se alcancen temperaturas de hasta 14 millones de grados centígrados. La bomba de Hiroshima liberó 23,2 millones de KWh.

1.- Primer intento del Tratado de No Proliferación Nuclear

Tras el fin de la II Guerra Mundial, Norteamérica ostentaba la supremacía bélica debido a su considerable potencial atómico. La complejidad existente en torno a las cuestiones bélicas y civiles de la energía nuclear, exigía el establecimiento de una articulación legal para las aplicaciones civiles en el país, y una regulación internacional a todos los niveles.

Aunque tuvieron lugar varias reuniones de carácter internacional, los Estados Unidos se resistían a perder su protagonismo, y así lo hizo saber el Presidente Truman al declarar: “Debemos constituirnos en guardianes de esta nueva fuerza, a fin de impedir su empleo nefasto, y de dirigirla para el bien de la Humanidad […]”.

En 1946, se presentó en las Naciones Unidas el plan norteamericano, que consistía en una liberación gradual de los secretos, fábricas y bombas nucleares, cediendo todo ello al organismo, a cambio de un control e inspección internacional.

Este control no fue bien recibido por la antigua Unión Soviética, cuyo representante, Andrei Gromiko, presentó una contrapropuesta en la que se prohibía la construcción de armas atómicas y se exigía la eliminación de las existentes a corto plazo. Después de varios años de negociaciones, este primer plan de no proliferación nuclear fue un fracaso.

2.- El Plan Marshall

En junio de 1947, nacía el Plan Marshall como una iniciativa de ayuda económica dentro de la política estadounidense de contención del control soviético, al que se vieron sometidos los Estados de Europa Central y Oriental, detrás de lo que se denominó “telón de acero”. Este plan fue el disparador histórico de la Guerra Fría en la que se sucedieron una serie de enfrentamientos entre estas dos superpotencias.

Años más tarde, los Estados Unidos construyeron varios reactores de plutonio, y en 1953, entró en funcionamiento el prototipo en tierra del reactor del Nautilus, el primer submarino nuclear.

La primera bomba atómica soviética

Estos hechos acentuaron la tensa situación provocada por la explosión de la Bomba H soviética. La idea de crear esta bomba era hacer un gran recipiente cilíndrico con la bomba atómica en un extremo y el combustible de hidrógeno en el otro. El estallido de la bomba atómica proporcionaría una cantidad de radiación con presión suficiente para comprimir y encender el hidrógeno.

Después de los esquemas preliminares de 1951, la bomba estuvo lista a principios de 1952, de modo que en noviembre de este mismo año, se ensayó pulverizando la Isla de Elugelab, en el Océano Pacífico. Su potencia resultó ser 700 veces superior a la de la bomba atómica de Hiroshima.

El 8 de diciembre de 1953, los Estados Unidos se dirigieron a las Naciones Unidas para denunciar el equilibrio de terror en que vivía la población mundial, advirtiendo que si Norteamérica era atacada con armas nucleares, la respuesta sería destruir al agresor de forma inmediata.

3.- Aprovechamiento de la energía nuclear para usos pacíficos

Con la intención de suavizar esta situación, se organizaron una serie de conferencias internacionales de carácter técnico sobre los usos pacíficos de la energía nuclear. En esta ocasión, las conversaciones entre los países desarrollados con un importante potencial atómico fueron un completo éxito.

Aprovechando la nueva situación, el presidente norteamericano Eisenhower expuso entonces en las Naciones Unidas su programa de cooperación internacional “Atoms for Peace”. A partir de dicho programa, se liberaron una serie de conocimientos científicos y tecnológicos que permitirían la posterior explotación comercial de la energía nuclear.

El discurso, que en diciembre de 2013 cumplió 60 años, y que fue pronunciado en un momento de guerra fría, proponía un acuerdo entre las grandes potencias para detener y reducir la fabricación de armamento nuclear y dar a conocer a toda la humanidad los conocimientos y medios materiales, especialmente los combustibles nucleares, para su uso con fines pacíficos.

Además, se favoreció la creación de organismos internacionales como el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), en 1957, con sede en Viena, y la Agencia de Energía Nuclear (AEN) integrada en la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE), con sede en París.

No obstante, países como Reino Unido y la antigua Unión Soviética, habían comenzado ya sus investigaciones destinadas al despliegue comercial de la energía nuclear.

En 1956, los británicos inauguraron la primera central nuclear de la historia en Calder Hall, dando origen a una serie de reactores conocidos como de grafito-gas.

En 1963, General Electric fue la empresa encargada de construir una central de agua en ebullición estrictamente comercial (Oyster Creek I), lo que supuso el principio de la avalancha de solicitudes de construcción de centrales nucleares, fábricas de elementos de combustible, y la investigación de métodos de almacenamiento y pequeñas plantas de reelaboración.

Tratado definitivo de No Proliferación Nuclear

En 1967, el OIEA organizó un grupo de análisis de todos aquellos problemas técnicos que pudiera contener un Tratado de No Proliferación Nuclear, que entraría en vigor en 1972.

Los países firmantes acordaron no transferir armas nucleares ni colaborar para su fabricación, y se comprometieron a establecer las salvaguardias necesarias para su cumplimiento.

Los sistemas de salvaguardias, a nivel mundial, fueron los siguientes:

• Tratado del Antártico: firmado en Washington por 37 países, en el que se prohibía el uso de este territorio para realizar explosiones nucleares y/o eliminación de residuos radiactivos.
• Tratado de Prohibición de Pruebas de Armas Nucleares en la atmósfera y en el espacio exterior y en submarinos: firmado en Moscú, en 1963, actuando como depositarios Estados Unidos, la antigua URSS y Reino Unido.
• Tratado de “Principios que gobiernan las actividades de los Estados en la exploración del espacio exterior”: incluye la Luna y otros cuerpos celestes, y fue firmado en octubre de 1967, actuando como depositarios Estados Unidos, la antigua URSS y Reino Unido, comprometiéndose a no poner en órbita terrestre o en el espacio exterior objetos con armas nucleares.
• Tratado de Prohibición de Armas Nucleares en Latinoamérica: firmado en México en 1967.
• Tratado de No Proliferación Nuclear: en vigor desde 1972 y prolongado en 1995 con Reino Unido, Estados Unidos y la antigua URSS como depositarios.

El desarrollo de la energía nuclear estuvo promovido en todo momento por el interés despertado acerca de la producción de electricidad empleando esta fuente de energía. A lo largo de la década de los 60 y de los 70, se iniciaron varios programas nucleares en diversos países.

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