La radiactividad: descubrimiento y detectores

¿Quién halló la radiactividad y con qué se detecta?

En 1896 el físico francés Antoine Henri Becquerel (1852-1908) encontró, de manera accidental, que un mineral rico en uranio, la pechblenda, emite rayos invisibles y penetrantes. Oscurecen una placa fotográfica encerrada en un sobre opaco. Los rayos llevan energía, y el mineral los emite sin que nadie le suministre energía. Hoy eso se entiende como conversión de una masa pequeña en energía, $E = mc^2$. Esos rayos salen del núcleo. Su emisión es la radiactividad nuclear, o radiactividad a secas. Un núcleo que pierde parte de su masa al emitirlos decae. ¹

Dos indicios sitúan el origen en el núcleo y no en los electrones. La radiación va con ciertos elementos, como el uranio, y no cambia si el uranio está como elemento o como compuesto, ni con la temperatura, la presión o el estado de ionización. Esos factores sí alteran a los electrones. Además, cada evento libera energías del orden de $10^{6}$ eV, muy por encima de los pocos eV de un espectro atómico o de una reacción química, y más de diez veces la de los rayos X característicos más energéticos. ¹

Polonio y radio

Becquerel no siguió el hallazgo mucho tiempo. En 1898 Marie Curie (1867-1934), entonces estudiante de doctorado y casada con Pierre Curie (1859-1906), empezó a estudiar esos rayos. Pronto hallaron dos elementos nuevos. Ella los nombró polonio, por su tierra, y radio, porque radia. Llenaban huecos de la tabla y, por gramo, eran mucho más radiactivos que el uranio. En cuatro años, con poco equipo y dinero propio, procesaron más de una tonelada de mineral de uranio para aislar un gramo de sal de radio. El radio se buscó porque era unas dos millones de veces más radiactivo que el uranio. ¹

Becquerel y los Curie compartieron el Nobel de física de 1903. Pierre murió en 1906. Marie recibió el Nobel de química de 1911 por los dos elementos, y es la única persona con Nobel de física y de química. La sal de radio brillaba por la propia radiación. Ella murió de leucemia en 1934, probablemente por esa exposición. Los isótopos, como idea de núcleos con el mismo $Z$ y distinto $A$, están en Isótopos y masa atómica. ¹

Estas fichas no dicen que la pechblenda, como mineral, emita más de lo que su contenido de uranio permite: el libro dice que el polonio y el radio, ya aislados, son mucho más activos por gramo que el uranio, y que salieron de ese mineral.

Placa, Geiger y centelleo

La primera detección directa fue la placa velada de Becquerel. La película sigue siendo el detector más común, en las radiografías médicas y dentales. Un cuanto de energía, de una alfa, una beta o un fotón, altera la emulsión si trae más de los pocos eV que hacen falta para el cambio químico. No es eficiente al cien por ciento, y el oscurecimiento también depende del tipo de radiación. ²

El tubo Geiger es otro detector muy usado. El clic de los documentales suele ser la salida de audio de un contador Geiger. Un cilindro conductor, con un alambre en su eje, se llena de un gas aislante. Un voltaje entre el cilindro y el alambre casi no produce corriente. La radiación ionizante crea pares de iones, que el voltaje atrae hacia el alambre y el cilindro. Esa corriente se registra como un conteo. La palabra conteo importa: un Geiger simple no informa energía, carga ni tipo. Tampoco detecta todas las partículas, porque alguna puede cruzar sin ionizar lo bastante. Sirve para avisar pronto de que hay radiación y de su intensidad relativa. ²

Otro método registra luz. La energía puede excitar átomos de un material que fluoresce, como el fósforo que usó el grupo de Rutherford. Los centelleadores, líquidos o sólidos, convierten la energía de la radiación en luz mediante un proceso más colectivo. El destello es muy breve, así que se pueden registrar muchísimas partículas en poco tiempo. La luz entra a un fotomultiplicador. Golpea una placa metálica y arranca un electrón. Ese electrón va a la placa siguiente, con potencial más positivo, y arranca dos o más. La cascada da una corriente de salida que puede hacerse proporcional a la energía de la luz y, con ella, a la energía depositada en el centelleador. ²

Cuando hace falta la trayectoria

El Geiger y el centelleo, en el uso de conteo, no dibujan el camino. La cámara de burbujas sí deja una fila de burbujas. En la fotografía que comenta el libro, partículas cargadas de alta energía se mueven por hidrógeno líquido sobrecalentado y producen estelas de burbujas. Un campo magnético fuerte, perpendicular a la página, curva las trayectorias. El radio de esa curva sirve para hallar masa, carga y energía de la partícula. La fuerza magnética es siempre perpendicular a la velocidad, no hace trabajo, y la rapidez se mantiene. El radio cumple $r = mv/(qB)$. ³

Ideas clave

• Becquerel, en 1896, vio que la pechblenda vela una placa dentro de un sobre opaco, sin aporte de energía. ¹
• En 1898 los Curie aislaron polonio y radio, mucho más radiactivos por gramo que el uranio. ¹
• El tubo Geiger ioniza un gas entre un alambre y un cilindro a alto voltaje, y cada avalancha es un conteo, no un tipo de partícula. ²
• El centelleador produce destellos. El fotomultiplicador los vuelve una señal eléctrica. ²
• La cámara de burbujas deja una traza en hidrógeno sobrecalentado. El campo magnético curva la trayectoria. ³

Ejemplos resueltos

Qué aparato pide la pregunta

Quieres saber si en una mesa hay radiación ionizante y oír un clic por evento, sin identificar si fue alfa o gamma. El tubo Geiger hace eso: gas, alambre a voltaje alto, corriente cuando hay iones, y un conteo. No es un espectrómetro de masas ni un termómetro. ²

Quieres la energía depositada a partir de un destello de luz. El centelleador convierte la radiación en luz y el fotomultiplicador la convierte en corriente. No es una fila de burbujas. ²

Quieres ver por dónde pasó una partícula cargada y leer el signo en la curvatura. La cámara de burbujas deja la estela en el líquido sobrecalentado, y el campo magnético dobla la traza. El radio es $r = mv/(qB)$. ³

Por qué la placa no basta para el tipo

La película se oscurece con alfa, beta o fotón, siempre que el cuanto supere unos pocos eV. El grado de oscuridad depende además del tipo, así que hacen falta absorbentes u otros dispositivos para separar energía, carga e identidad. Por eso un detector de conteo y una cámara de trazas responden preguntas distintas. ²

Errores comunes

• Atribuir el hallazgo de 1896 a Röntgen, a Rutherford o a Marie Curie. Fue Becquerel.
• Decir que los Curie aislaron uranio y torio, o plutonio y americio. Aislaron polonio y radio.
• Pedirle al Geiger la trayectoria o el tipo de partícula. Da un conteo.
• Confundir el centelleo con burbujas. El centelleo es luz, luego señal eléctrica. Las burbujas son la cámara de trazas.

Cómo lo pregunta el examen

Pregunta quién, en 1896, veló placas con sales de uranio. Pregunta qué elementos nuevos salieron del trabajo de los Curie: polonio y radio. Pregunta cómo cuenta el Geiger (gas, alambre, ionización, clic), cómo el centelleo pasa de destello a señal eléctrica, y qué detector deja una fila de burbujas si lo que se quiere es la trayectoria y no solo el número de eventos.

Resumen

• Becquerel, en 1896, halló rayos de la pechblenda que velan una placa en un sobre opaco.
• Marie y Pierre Curie aislaron polonio y radio, mucho más activos por gramo que el uranio.
• El Geiger cuenta ionizaciones en un gas. No da energía, carga ni tipo.
• El centelleador hace luz y el fotomultiplicador la vuelve corriente.
• La cámara de burbujas dibuja la traza en hidrógeno sobrecalentado, y un imán la curva.