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Míercoles 12 de junio de 2002 Del átomo a la bomba Por Juan Pablo Paz (*)
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. 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). Albert 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 ac-to 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 es-taba 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 autolimiten 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 utilización humanista 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. (*) Director
del Departamento de Física.
Pero a pesar de estas diferencias, Heisenberg llegó a Dinamarca para ver a su venerado maestro y le pidió que fueran a un parque cercano para mantener una charla. La pregunta que sigue sin una respuesta definitiva es ¿Cuál fue la razón de esta entrevista? ¿ Heisenberg quiso que Bohr lo ayudara en la construcción de la bomba alemana o estaba decidido a que los aliados conocieran el estado de la situación alemana? De hecho, ni Heisenberg ni Bohr revelaron jamás lo charlado aquella noche y fue la propia esposa de Bohr quien alimentó la leyenda contando en una carta personal sus inquietudes ante el misterioso encuentro. Estas cuestiones son abordadas en la pieza teatral «Copenhague», del inglés Michael Frayn, cuyo aspecto más fascinante es su 'incertidumbre'. Incertidumbre que es traducida en la pieza como varias posibles versiones de lo que pudo haber sucedido, y en cada una de estas opciones se entrelazan profundas decisiones éticas. Si Heisenberg pone por delante de cualquier convicción su indiscutido patriotismo le entregaría a un asesino como Hitler un instrumento de destrucción global. El precio de la victoria para Alemania tendría un altísimo costo humano. Por otra parte, boicoteando a su país (como algunos piensan que lo hizo al pasarle información reservada a Bohr) él ayudaría a los enemigos de Alemania a construir la misma arma y podría volver a poner de rodillas a Alemania como ya lo había estado al terminar la Primera Guerra. Como en la física, es imposible para Heisenberg encontrar el camino cierto con precisión absoluta.
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