El descubrimiento del neutrón (2): la hipótesis de Chadwick

Experientia docet El núcleo Artículo 26 de 38

Foto: Avi Richards / Unsplash

Trabajando en el Reino Unido, James Chadwick encontró resultados igualmente desconcertantes que los de los Joliot-Curie para los núcleos de otros elementos ligeros, helio, litio, carbono, nitrógeno y argón incluidos.

En 1932 Chadwick propuso una hipótesis alternativa sobre la naturaleza de la radiación que tuvo mucho éxito. El primer artículo de Chadwick sobre su hipótesis era muy simple, solo la exposición de una idea. En un artículo posterior, más elaborado, The Existence of a Neutron, escribió:

Si suponemos que la radiación no es una radiación cuántica, sino que consta de partículas de masa muy cercana a la del protón, todas las dificultades relacionadas con las colisiones desaparecen, tanto en lo que respecta a su frecuencia como a las transferencias de energía a diferentes masas. Para explicar el gran poder de penetración de la radiación, debemos asumir además que la partícula no tiene carga neta. Debemos suponer que consiste en un protón y un electrón en estrecha combinación, el «neutrón» discutido por Rutherford [como una posibilidad] en su Bakerian Lecture de 1920.

Según la hipótesis de Chadwick, cuando un elemento como el berilio es bombardeado con partículas alfa, se puede producir una reacción nuclear que produce neutrones.

Aquí, el símbolo n representa el neutrón postulado por Chadwick, con carga cero y número de masa igual a 1. Estos neutrones, al no tener carga eléctrica, podrían penetrar ladrillos de un material tan denso como el plomo sin perder su energía. Cuando los neutrones atraviesan la parafina, como en el experimento de los Joliot-Curie, se producen colisiones ocasionalmente con núcleos de hidrógeno (protones). Los protones expulsados por el impacto pueden entonces observarse debido a la ionización que producen.

Por lo tanto, la hipótesis de las partículas sin carga de Chadwick podía explicar de manera cualitativa los efectos observados de la misteriosa radiación penetrante. Chadwick estimó que la masa de la partícula debe ser casi igual a la masa de un protón aplicando las leyes de conservación del momento y la energía al caso de colisiones perfectamente elásticas, es decir, simplemente aplicando las leyes que funcionan perfectamente para las bolas de billar y otras cosas objeto de estudio de la llamada física «clásica».

En una colisión frontal perfectamente elástica entre dos cuerpos casi toda la energía cinética del cuerpo inicialmente en movimiento se transferirá al cuerpo inicialmente estacionario solo si los cuerpos tienen masas aproximadamente iguales. En colisiones no frontales, se transferirá menos energía cinética. Por tanto, en promedio, una energía cinética de aproximadamente 5 MeV para los protones expulsados sería la esperable para colisiones producidas por neutrones con energías de aproximadamente 10 MeV, si las masas de neutrones y protones fueran aproximadamente iguales. Chadwick pudo hacer un cálculo más preciso de la masa del neutrón aplicando las leyes de conservación a los datos de colisiones con núcleos de diferentes masas.

Chadwick encontró que la masa del neutrón era 1,16 u [1]. Las dificultades para medir las energías cinéticas de los núcleos desplazados en las colisiones hicieron que este fuera sólo un valor aproximado, pero lo suficientemente bueno como para demostrar que el neutrón tiene una masa muy cercana a la del protón. La hipótesis de Chadwick ofreció una solución satisfactoria al problema de la «radiación» emitida cuando se bombardeaba con partículas el berilio o el boro.

Surgió toda una rama de estudio llamada física de neutrones. Su desarrollo llevó en pocos años, entre otras cosas, al descubrimiento de la fisión nuclear.

Nota:

[1] Los mejores métodos disponibles actualmente para determinar la masa de neutrones dan 1.00866491588(49) u, en una escala en la que se define que el carbono-12 tiene una masa de 12 u exactamente.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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