La Física Nuclear: de dónde venimos y a dónde vamos…

Una breve historia de la física nuclear y sus implicaciones

Daniel Cano Ott

En el siglo IV a.C., el filósofo griego Demócrito postuló que no es posible dividir infinitamente la materia en partes cada vez más pequeñas y que existe por tanto un constituyente básico e indivisible de la materia al que llamó átomo (en griego, sin división). La idea de Demócrito permaneció 2400 años en el campo de la especulación hasta que, a principios del siglo XIX, los físicoquímicos John Dalton, Amedeo Avogadro y Michael Faraday la ascendieron, por pura necesidad, al rango de teoría científica que explicara sus observaciones en un marco racional y coherente. Durante las décadas siguientes, se descubrieron la mayoría de los diferentes tipos de átomos (elementos químicos), se estudiaron las leyes que rigen su combinación y se clasificaron sistemáticamente, en lo que hoy se conoce como tabla periódica de los elementos de Menedeleyev.

El siguiente paso fué descubrir las propiedades y estructura del átomo como entidad individual, lo que dió lugar al nacimiento de la Física Atómica. Tales investigaciones condujeron, entre otros, al descubrimiento del electrón en 1897 por Joseph John Thomson, quién imaginó al átomo como una diminuta nube de electrones sobre una esfera de carga positiva. Un año después, el físico francés Henri Becquerel se encontró con un hecho sorprendente: algunos átomos parecían cambiar de una especie a otra, transmutarse espontáneamente. Esta observación fue interpretada acertadamente como que algunos átomos son inestables y supuso el descubrimiento de la radioactividad natural en 1898. Marie y Pierre Curie estudiaron el proceso durante los años siguientes e identificaron varios elementos radioactivos naturales: el Polonio (Po) y el Radio (Ra).

El físico inglés Ernest Rutherford volvió a dar otro salto y se dedicó a investigar las propiedades y naturaleza de las radiaciones: las clasificó en alfa (átomos de helio ionizados), beta (electrones) y gamma (fotones). Tras llegar a una comprensión “satisfactoria” (no por ello totalmente cierta), utilizó las radiaciones naturales como sondas para investigar la estructura de la materia. Bombardeando láminas de oro extremadamente delgadas con partículas alfa descubrió que la mayor parte de ellas atravesaban las láminas sin deflectarse. Midió con acierto que la materia, y por tanto el átomo, está prácticamente “hueca”. Sin embargo, un reducido número de partículas alfa encontraban en su trayectoria algo que las hacía dispersarse [1]. Contrariamente a la teoría atómica de Thomson, vigente en aquellos momentos, el resultado de sus medidas permitió concluir que la masa de la materia debía concentrarse en una región muy reducida en tamaño, a la que llamó núcleo; el átomo pasó pues a entenderse como un sistema solar en miniatura, con un núcleo de carga positiva en el centro haciendo las labores de sol y electrones orbitando a su alrededor como planetas ligados mediante la fuerza de atracción eléctrica.

Las medidas de Rutherford desvelaron una terra incógnita para las mentes de la época y dieron luz a la Física Nuclear, la rama de la física que se encarga de estudiar los núcleos atómicos. En pocos años, se sucedieron importantes descubrimientos y la concepción del mundo subatómico cambió profundamente. Filosóficamente, la Física Cuántica [2], impulsada por Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr y Erwin Schrodinger, entre otros, acabó con el determinismo mecanicista de finales del siglo XIX y proporcionó una visión probabilística del átomo en particular y del mundo microscópico en general. En el campo de la experimentación, el descubrimiento del neutrón (James Chadwick en 1932) tuvo un gran impacto y ayudó a Werner Heisenberg a explicar el núcleo atómico formado por neutrones (sin carga eléctrica) y protones (con carga eléctrica positiva).

El descubrimiento del neutrón y la investigación de sus interacciones con la materia dieron paso al que probablemente sea el hallazgo de la física con mayor impacto social en el siglo XX. En 1938, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassman observaron que los átomos de uranio (símbolo químico U) se separan -fisionan- en dos fragmentos de masas parecidas cuando se bombardean con neutrones. Posteriormente, comprobaron que el proceso de fisión viene acompañado de una emisión de neutrones (2.3 en media para el uranio) y que libera una enorme cantidad de energía. El físico húngaro-estadounidense Leo Szilard fue el primero en darse cuenta de las tremendas implicaciones del hallazgo, pero cuestionó su viabilidad. Enrico Fermi no tardó demasiado en plasmar la simple y brillante idea: aprovechar los neutrones emitidos en una fisión para mantener una reacción en cadena de fisiones y utilizar el proceso como fuente de energía. El concepto se vió materializado en Diciembre de 1942: PILE-1, el primer reactor nuclear del mundo construido por Fermi y colaboradores, entraba en operación en la universidad de Chicago.

En paralelo al uso pacífico de la energía nuclear, algunas mentes fueron fraguando la idea de desarrollar un arma -bomba- que aprovechase tan ingentes cantidades de energía. Corrían tiempos de guerra por Europa, y el temor de muchos científicos refugiados en EEUU a que el régimen nazi desarrollara tal arma con anterioridad les animó a tomar la iniciativa. El horror ante los nazis estaba muy fresco en sus conciencias y consideraron una prioridad absoluta detener a Hitler, a cualquier precio. Albert Einstein, convencido por Leo Szilard y Eugene Wigner, utilizó su imágen pública e influencia y urgió al presidente Roosevelt a adelantarse a los alemanes en la carrera por la bomba. El resultado fue el proyecto Manhattan, que logró su objetivo y condujo a los bombardeos de Hiroshima (”little boy“, bomba de uranio) y Nagasaki (”fat man“, una bomba de plutonio). Einstein, que nunca pensó que las bombas serían utilizadas en la guerra, se vió muy afectado por la atrocidad aprobada por el presidente Truman (sucesor del fallecido Roosevelt). Cinco meses antes de su muerte, Einstein escribía la siguiente frase: “cometí un gran error en mi vida… cuando firmé la carta para el presidente Roosevelt recomendando el desarrollo de la bomba atómica, pero hubo una cierta justificación – el peligro de que los alemanes la hicieran antes.”

La evolución posterior de la física nuclear ha venido marcada por estos hechos. No importan los tremendos logros conceptuales o lo beneficiosos que han sido los desarrollos civiles y pacíficos asociados a ella: la producción de energía, las terapias contra el cáncer, desarrollos tecnológicos como los primeros ordenadores, entre otros. La percepción que la opinión pública tiene de lo “nuclear” es irracionalmente negativa y hará falta tiempo y educación para que adquiera una cierta perspectiva. Es mi intención que la comprensión y exposición correcta de los hechos en esta bitácora nos lleve, sin embargo, a una conclusión bien distinta. Que vivimos en un mundo “nuclear”, rodeado de la radiación natural que contribuyó a nuestro nacimiento como especie (a través de mutaciones); que lo nuclear ha supuesto y supone beneficios netamente positivos para el desarrollo de la humanidad y que seguirá teniendo un papel destacado a la hora de afrontar los serios retos que se le plantean a la humanidad.