La belleza del cosmos no
solo procede de la unidad en la variedad,
sino también de la variedad en la unidad.

Fray Guillermo de Baskerville

(Umberto Eco. Il nome della rosa)

Capítulo I

Fusión nuclear

Sol aparente y poderoso mar

La célebre frase de Pasteur que la casualidad solo ayuda a las mentes preparadas, describe a las mil maravillas el descubrimiento de la radiactividad por Antonie Henri Becquerel.

El primero de marzo de 1896, Becquerel, quien había envuelto en papel opaco una placa fotográfica y la había dejado en un lugar oscuro —una gaveta de su mesa de trabajo— en presencia de sales de uranio, comprobó que la placa había sido alterada.

El ennegrecimiento de la placa fue interpretado por Becquerel como la demostración de que el uranio emitía una radiación hasta entonces desconocida. Esta radiación fue la «embajadora», que trajo la noticia de la existencia de una terra ignota: el núcleo atómico.

Poco a poco se fue elucidando que el responsable de la radiactividad era el núcleo atómico. Quedaba en evidencia que el átomo, a pesar de su nombre, que en griego significa «indivisible», es una estructura compleja.

El siglo xx traía consigo una avalancha de datos experimentales que corroboraban la existencia de un mundo de dimensiones espaciales y temporales muy pequeñas. Las evidencias obtenidas por Ernest Rutherford, en 1911, establecieron que la carga positiva asociada a un átomo se concentra en un volumen minúsculo o núcleo, en tanto que la carga negativa compensadora se distribuye en una esfera de radio comparable al radio del átomo.

El núcleo tiene unas dimensiones del orden de 10-13 cm y en este reside casi toda la masa atómica. Rodea al núcleo una nube de electrones, que está a una distancia media de 10-8 cm y que, con su carga negativa, hace que el átomo, como un todo, sea eléctricamente neutro.

El modelo planetario del átomo concordaba asombrosamente con las palabras proféticas del poeta persa del siglo xii, Al-Attar, en relación con que en cada átomo hay un sol aparente y en cada gota, un poderoso mar. Y que si se corta un átomo y se penetra en el interior, se podría descubrir un sol en su corazón.

Se debe también a Rutherford el primer paso hacia el conocimiento de la estructura nuclear. En 1919, demostró la existencia en el núcleo de los protones, partículas con una carga positiva de igual magnitud y signo contrario a la del electrón.

La imagen del núcleo se completó en 1932, cuando James Chadwick descubrió el neutrón, una partícula de masa ligeramente superior a la masa del protón y que no posee carga eléctrica. Ese mismo año, Werner Heisenberg formuló la hipótesis acerca de que el núcleo está constituido, sólo, por protones y neutrones. Los protones y los neutrones que forman el núcleo reciben el nombre genérico de nucleones.

La hipótesis de Heisenberg describía perfectamente las masas y cargas de los núcleos, obtenidas de los experimentos. Así, un átomo de número atómico Z y número másico A, está formado por un núcleo que contiene Z protones, (A-Z) neutrones y por una nube electrónica constituida por Z electrones.

La estructura del núcleo es uno de los enigmas más complicados que enfrenta la ciencia contemporánea. Los físicos nucleares tienen que tratar con objetos que están lejos de la experiencia cotidiana del hombre. Las dimensiones del núcleo no rebasa la millonésima de millonésima de centímetro, por lo que no se dispone de medios para medir directamente, ni siquiera, sus propiedades más simples. Por ello, es necesario inferirlas de los experimentos. En el caso de la forma, por ejemplo, se supuso en un inicio que todos eran esféricos. Sin embargo, los experimentos revelaron paso a paso que no solo los había esféricos u oblongos, sino también achatados, como discos; triaxiales, como una pelota de rugby algo desinflada; u octupolares, como peras.

Las propiedades de los núcleos están determinadas por las fuerzas nucleares. En virtud de estas se mantiene unido el núcleo atómico y se conserva la estabilidad del Universo. Ellas se manifiestan en las reacciones nucleares que alimentan el fuego de las estrellas, y a una escala modesta brindan la energía para las centrales atómicas.

Existe una íntima relación entre las fuerzas nucleares y la variedad del mundo que vemos. En los últimos 200 años se demostró que toda la multitud de sustancias que nos rodea, formando la naturaleza viva y el reino inorgánico, se debe a la multiplicidad de combinaciones de un número, relativamente pequeño, de elementos. Hoy día, se conocen millones de compuestos y, cada semana, este número aumenta en miles.

Antes del descubrimiento del núcleo, la sistematización de los elementos era un enigma, sus propiedades parecían carecer, por completo, de nexos lógicos. Las causas de la Ley Periódica de Mendeleiev eran un misterio, lo que hizo exclamar con furor al gran químico Bunsen que, con el mismo éxito, se podía buscar regularidad en las cifras de los boletines de la Bolsa de Valores.

La clave del enigma la brindó la hipótesis de Heisenberg, dando una definición rigurosa del concepto de elemento, como: «el conjunto de átomos cuyos núcleos poseen la misma carga Z».

Los átomos de un mismo elemento pueden ser diferentes entre sí, pues, además de protones, el núcleo posee neutrones. Las variedades de los átomos de un elemento cuyos núcleos tienen diferentes números de neutrones, se denominan isótopos.

Después de conocer que la grandiosa y rica variedad del mundo que nos rodea está sustentada en este número, sumamente pequeño, de elementos —determinados por la acción de las fuerzas nucleares—, no le ha de extrañar que, en una ocasión, Edwin Schrodinger dijese: «es un milagro que, a pesar de la sorprendente complejidad del mundo, podamos descubrir en sus fenómenos determinada regularidad».

Mapa de Segré

Un neutrón libre se desintegra ineluctablemente. Su período de semidesintegración, que es el tiempo necesario para que la mitad de los neutrones de un conjunto grande se desintegre, es de 10 min. Por otra parte, los protones se repelen, con gran fuerza, por ser partículas cargadas de igual signo.

Entonces… ¿Cómo explicar la estabilidad de los núcleos, a pesar de estar formados por protones y neutrones? No obstante, ahí están los hechos, inexorables y testarudos: en la naturaleza existen cerca de 287 isótopos estables o cercanos a la estabilidad, que van, desde el ligero protio (1H1), hasta el pesado uranio (238U92).

Estas evidencias nos obligan a concluir que los neutrones cumplen en el núcleo el rol de aglutinadores. Ello solo puede acontecer por medio de un nuevo tipo de fuerzas: las fuerzas de intercambio.

El mecanismo de las fuerzas de intercambio consiste en que dos partículas se transforman, una en otra, intercambiando una partícula portadora de la interacción. Esta partícula, de carga positiva o negativa, de igual magnitud a la del electrón y de masa mucho mayor que la de este (aproximadamente, 200), se conoce como mesón.

La transformación mencionada se descifra como sigue: Un protón, al emitir un mesón positivo, pierde con este su carga y se transforma en un neutrón. El mesón emitido es absorbido por otro neutrón, que se transforma, a su vez, en un protón. Este proceso también puede ocurrir a la inversa. Un neutrón emite un mesón negativo transformándose en un protón; el mesón emitido es absorbido por otro protón, que se transforma, a su vez, en un neutrón.

El intercambio de mesones produce la atracción entre los nucleones. Estas fuerzas son las más intensas que se conocen en la naturaleza: las fuerzas nucleares. Sin embargo, la realidad es más complicada, pues hay evidencias de que cada nucleón está constituido por partículas aun menores, los quarks, que se encuentran unidos por el intercambio de otras partículas, conocidas como gluones. Cómo la estructura interna de los nucleones afecta su interacción mutua, es uno de los problemas más intrigantes de la física nuclear.

Para discernir la relación entre las fuerzas nucleares y la estructura de los núcleos, se puede recurrir a un símil. Las fuerzas tectónicas son formidables, inaccesibles, actúan en la sima y determinan los grandes cataclismos que crean la orografía. Las fuerzas nucleares se asemejan a las tectónicas; el vulcanismo y los sismos vienen a ser los procesos de reacción o desintegración nuclear, y los accidentes geográficos se asocian con los núcleos.

Para una mejor comprensión de la «geografía» que determinan las fuerzas nucleares, delinearemos un diagrama tridimensional de los isótopos, conocido como mapa de Segré. En este, los paralelos nos indicarán el número de neutrones; los meridianos, el número de protones; y la altitud; el tiempo de vida de los isótopos.

En el mapa de Segré observaremos que los núcleos estables se encuentran situados en una isla montañosa alargada y estrecha, orientada de nordeste al suroeste: la isla de la estabilidad.

Los núcleos con pequeñas masas se ubican en el occidente de la isla y contienen, casi, igual cantidad de protones y neutrones. A medida que los núcleos son más pesados, se encuentran más al oriente y requieren, proporcionalmente, una mayor cantidad de neutrones para vencer la fuerza de repulsión electrostática de los protones.

En el extremo oriental de la isla, más allá del uranio, todos los núcleos resultan inestables y comienzan a perder partículas. Emiten partículas alfa (núcleos de átomos de helio, formado por dos protones y dos neutrones), se desintegran en dos núcleos más ligeros, con la liberación de una gran cantidad de energía en el proceso de fisión, o se transforman por la emisión de una partícula ß- (electrón), juntamente con radiación gamma.

A medida que nos alejamos del centro de la isla hacia sus costas, norte o sur, los núcleos se tornan, progresivamente, menos estables. En los mares que bañan a la costa norte, se manifiesta de manera más intensa la radiactividad ß+ (emisión de un positrón), mientras que en los mares del sur se manifiesta la radiactividad β-. Cuanto mayor sea el exceso de protones o neutrones en el núcleo (en comparación con los núcleos que se encuentran en el centro de la isla), tanto más fuerte se manifestará la inestabilidad del núcleo con relación a la desintegración ß-+ o ß--.

En los mares que rodean a la isla de la estabilidad, los físicos han identificado cerca de 2 400 núcleos inestables, aunque se predice más de 7 000 especies que pueden existir por corto tiempo.

Los físicos nucleares investigan las leyes que gobiernan las fuerzas nucleares, para desarrollar una teoría de la estructura nuclear que satisfaga a todos los «accidentes geográficos» que observamos en el mapa de Segré.

Esta tarea tiene enormes dificultades. Los núcleos más pesados no tienen la cantidad suficiente de nucleones para poder utilizar las teorías estadísticas. Por otra parte, en el núcleo, a diferencia del átomo, no hay partículas en el centro que ejerzan una atracción dominante. Todos los constituyentes tienen casi la misma masa y carga nuclear interactuando muy fuertemente entre sí, impidiendo que se empleen los métodos matemáticos que se usan de modo exitoso para predecir las propiedades de los átomos con muchos electrones.

Ante esta situación, no ha quedado otra alternativa que idear modelos basados en la analogía entre el comportamiento de cierto grupo de núcleos y otros fenómenos físicos bien conocidos.

El razonamiento por analogía es una conclusión acerca de la presencia de determinados rasgos, sobre la base de la fijación de las coincidencias existentes entre algunos de los otros rasgos de un fenómeno. Este método ha representado un gran papel en la formulación de los modelos nucleares. Algunos de ellos tienen un marcado éxito en la predicción de los resultados de determinados experimentos en ciertos núcleos, pero ninguno puede dar una descripción de todos.

Entre los años 30 y 40 del siglo xx, se descubrió que ciertos núcleos resultaban particularmente estables. Al incrementarse el número de protones y neutrones, se observó en los núcleos un tipo de periodicidad en la energía de enlace de los nucleones, que recuerda la que existe en las capas (órbitas) electrónicas de los átomos.

A finales de la década de los 40, del siglo xx, se explicaron las propiedades de estos núcleos particularmente estables, llamados mágicos (con 2, 8, 20, 50, 82 o 126 neutrones o protones), desde el punto de vista del modelo de capas, análogo al modelo del átomo. En este modelo, se considera que cada nucleón se mueve en una órbita, bajo la influencia de un campo simétrico central, resultado del efecto promediado de todos los nucleones.

Usando una regla de la mecánica cuántica, llamada Principio de Pauli, que plantea que no pueden existir dos partículas en un mismo estado energético, los investigadores calcularon que los estados de pequeñas energías se distribuyen formando capas concéntricas.

Esta aproximación supera las principales objeciones contra el modelo de capas: los nucleones interactúan demasiado fuerte para persistir en órbita; ellos se dispersan cuando se aproximan unos a otros. El Principio de Pauli dice que la dispersión no puede ocurrir, porque los estados vecinos están completamente ocupados por capas estables de nucleones.

Las capas cerradas de los núcleos son análogas a las capas cerradas de electrones que caracterizan a los átomos de los gases inertes (helio, neón, argón, etc.). Cualquier nucleón que se encuentre en órbita fuera de una capa cerrada, se comporta como un nucleón de valencia. De esta manera, los estados elevados de energía se manifiestan como estados excitados por un mismo nucleón, análogo al estado excitado de los niveles electrónicos en el átomo.

La limitación del modelo de capa radica en que solo describe correctamente a los núcleos ligeros con pocos neutrones y protones, y a aquellos núcleos con números de protones y neutrones cercanos a las capas cerradas. Resulta imposible aplicar este modelo a los núcleos pesados. A medida que los núcleos incrementan su masa, los cálculos se complican. El modelo de capas fue desarrollado por María Meyer, Otto Haxel, Hans Jensen y Hans Suess.

Niels Bohr recurrió a otra analogía para explicar la estructura del núcleo. Bohr consideró que un nucleón en el interior del núcleo se encuentra rodeado por otros nucleones, que interactúan con este desde todas las direcciones por igual, de manera que la fuerza resultante es nula. Al mismo tiempo, los nucleones situados en la superficie se encuentran atraídos, solamente, hacia el interior del núcleo. Semejante interacción superficial recuerda la tensión superficial en una gota de agua; en ambos casos, la fuerza tiende a que el sistema adopte una forma esférica.

Las fuerzas nucleares enlazan a los protones y a los neutrones juntos, de manera que ellos se mueven al unísono, manteniéndose unidos por la tensión superficial de la gota. En este modelo, llamado colectivo