Cincuenta años de la fisión nuclear

por para Ciencia Hoy el . Publicado en Ciencia y Sociedad, Número 1.

Las reservas conocidas de uranio pueden proveer el suministro energético de la humanidad por un tiempo del orden de algunos siglos. Estas estimaciones dependen obviamente de la estabilización de la población del planeta y del consumo por cápita que hagan las sociedades futuras. Pero mientras tanto, las contradicciones de las sociedades actuales pueden resultar en una guerra nuclear para la cual las dos superpotencias han acumulado unos 6.000 WW2 de origen nuclear (una unidad de WW2 equivale al poder explosivo de todas las bombas usadas durante la segunda guerra mundial, incluyendo las dos nucleares). En estos procesos de liberación de energía interviene la fisión (división) del núcleo.

En 1938 los químicos O. Hahn y F. Strassmann mostraron que se producía bario como consecuencia del bombardeo de uranio con neutrones. Los físicos L. Meitner y O.R. Frisch interpretaron esta aparición del bario como debida a la fisión del núcleo de uranio en dos núcleos semejantes entre sí. Ambos trabajos aparecieron publicados en 1939; sin embargo, al menos desde 1934, se habían realizado en Europa experiencias en las cuales se producía la fisión nuclear, sin que el fenómeno fuese reconocido. Este bloqueo intelectual permitió nada más, ni nada menos, que la segunda guerra mundial se librara sin armas nucleares, salvo en su tramo final.

A principios de siglo, E. Rutherford había descubierto el núcleo atómico (1908), pero su estudio sistemático sólo comenzó en la década del treinta. El año 1932 resultó clave: E. 0. Lawrence construyo el primer ciclotrón en Berkeley, EE.UU., y J. D. Cockroft y E.T. Walton el primer acelerador capaz de producir transmutaciones nucleares en Cambridge, Gran Bretaña. También en Cambridge,J. Chadwick descubrió el neutrón, partícula de la misma masa que el protón, pero sin carga eléctrica. También en 1932, Roosevelt asumió la presidencia de EE.UU. y en enero de 1933 Hitler fue nombrado Canciller de Alemania. La fisión nuclear tuvo que ver con los últimos tres acontecimientos.

En 1932 se conocía el radio nuclear, unas 100.000 veces menor que el radio atómico. Se habían "pesado" los núcleos mediante el espectrómetro de masas (F.W. Aston, 1919,también en Cambridge). Resultó una densidad nuclear aproximadamente independiente del número A de nucleones que constituyen el núcleo (N neutrones y Z protrones). La relación de Einstein entre masa y energía permitió calcularla energía almacenada en un núcleo, y resultó que la división en dos fragmentos iguales con A mayor que 100 es energéticamente favorable, pudiéndose liberar unos200 MeV (millones de electrón?volt) en el caso del uranio. Sin embargo, cálculos teóricos predecían que este proceso demoraría un tiempo comparable con la edad del universo. Rutherford,jefe indiscutido de Cambridge, afirmó en 1933 que "cualquiera que espere una fuente de potencia a partir de la transformación de estos átomos (núcleos) habla disparates".

N. Bohr construyó en 1935 un modelo nuclear basado en una analogía con las moléculas de una gota líquida. Una gota de líquido se comporta como si estuviera rodeada por una membrana elástica que produce una tensión superficial proporcional a la superficie de la gota. En un proceso de fisión (véase la figura) aumenta la superficie del núcleo y con ella la tensión superficial. Los físicos creyeron que esta fuerza de restitución impedía la división del núcleo y la liberación consiguiente de energía.

El físico húngaro L. Szilard llegó a Inglaterra en 1933, huyendo de la persecución nazi a los judíos. Concibió un proceso en el cual, al ser bombardeado por una partícula, el núcleo se transforma en un emisor radiactivo capaz de expulsar dos o más partículas. Era posible imaginar así una reacción en cadena para liberarla energía almacenada en el núcleo. Desde el comienzo, Szilard temió las consecuencias de su trabajo y sugirió que los científicos no permitieran la divulgación de los descubrimientos peligrosos en países con regímenes dictatoriales. Los físicos británicos reaccionaron con frialdad ante esta propuesta, porque adherían a una tradición que exigía la libre difusión de las investigaciones para su crítica por la comunidad científica.

La posibilidad de una reacción en cadena se volvió más plausible cuando F. Joliot y su esposa I. Curie, del Instituto del Radium de París, descubrieron que los núcleos radiactivos podrían generarse en el laboratorio (radiactividad artificial). En 1934 bombardearon aluminio con partículas alfa (Z = 2) y detectaron positrones (electrones con carga positiva) emitidos con retardo respecto de la reacción original. Hacia 1934, las fuentes de neutrones eran mucho más débiles que las de partículas alfa. Sin embargo, E. Fermi pensó que podían usarse con ventajas por ser más eficientes: los neutrones no son repelidos eléctricamente por los núcleos ni frenados por los electrones. En Roma se descubrieron así varios fenómenos que resultaron muy importantes para la fisión y su utilización posterior: a) la intensidad de las reacciones nucleares aumentaba enormemente cuando los neutrones se termalizaban (frenaban), de acuerdo con la ley 1/v (v = velocidad); b) estas intensidades eran anormalmente grandes para el cadmio y el boro (fenómeno de resonancia); c) todo elemento se hace radiactivo al ser bombardeado con neutrones.

Fermi y sus colaboradores también creyeron que habían producido el elemento Z = 93 (un "transuránido"). Encontraron que al bombardear uranio la emisión radiactiva resultante no desaparecía después de una separación química que eliminaba todos los elementos entre el plomo (Z = 82) y el uranio (Z = 92). Como hasta ese momento nada más pesado que partículas alfa había sido emitido en una reacción nuclear, creyeron confirmado el descubrimiento de elementos transuránicos. Sólo en 1939 se demostró que Fermi y su equipo habían producido la fisión del uranio.

En 1938 Mussolini se alineó con Hitler e implementó leyes antisemitas en Italia. Casi todos los físicos nucleares italianos dejaron su país, incluyendo a Fermi, cuya esposa era de origen judío.

I. Noddack-Tacke repitió en Berlín la experiencia de Fermi y concluyó que "es concebible que, en la irradiación de núcleos pesados con neutrones, estos núcleos decaigan en algunos fragmentos grandes; estos fragmentos pueden ser isótopos de elementos conocidos, pero no vecinos del elemento irradiado". Nadie tomó en serio esta descripción del proceso de fisión realizada en 1934, en parte porque Noddack-Tacke no explicó cómo podían formarse los elementos más livianos, pero además porque tenía una reputación científica baja (también en física lo más importante que tenemos es el nombre).

Los Joliot-Curie reemplazaron el uranio de la experiencia de Fermi por torio (Z = 90). Encontraron nuevos elementos radiactivos transuránicos, uno de los cuales tenía un comportamiento químico "muy parecido" al del lantano (Z = 57). De haberse interpretado correctamente este resultado, la fisión nuclear hubiera sido anunciada por primera vez en París.

En otro laboratorio de Berlín, Hahn y Meitner también estudiaron las propiedades de los nuevos elementos transuránicos. Aunque de origen judío, la física austríaca Meitner había podido continuar una colaboración de 30 años con Hahn debido a que las leyes antisemitas no se aplicaban a extranjeros. Pero en febrero de 1938, el Tercer Reich anexó Austria y Meitner se refugió en Suecia, donde se incorporó al lnstituto Nobel de Estocolmo. Mientras tanto, Hahn, ahora en colaboración con Strassmann, encontró que uno de los elementos radiactivos formados sólo podía ser bario (Z = 56) o radio (Z = 88). Hahn era uno de los químicos más respetados de Europa. Treinta años antes había desarrollado un método para separar bario de radio. En 1938 el procedimiento indicó que el elemento obtenido era bario. Pero, "como todo el mundo sabía", esto era imposible desde el punto de vista físico. Hahn escribió a Meitner contándole su dilema.

Frisch, sobrino de Meitner, trabajaba por entonces en el Instituto de Bohr, en Copenhague. También él había escapado de Alemania. Tía y sobrino decidieron pasar juntos las fiestas de fin de año en el sur de Suecia y durante una caminata resolvieron el enigma de Hahn. Pensaron que la energía electrostática (otra contribución a la energía almacenada, en el modelo de la gota líquida) debía disminuir al deformarse el núcleo para un Z suficientemente grande (como el del uranio); este efecto podía anularla fuerza de restitución debida a la tensión superficial. Descubrieron que la fisión estaba implícita en el modelo de la gota si se incluye la deformación tanto en la tensión superficial como en la energía electrostática. Los dos fragmentos deberían repelerse eléctricamente con una energía de 200 MeV, que proviene de la diferencia de masas mencionada anteriormente. El proceso recuerda al de la fisión celular y por ello los físicos adoptaron tal nomenclatura (véase la figura).

Fases de la fisión de un núcleo pesado según el modelo de la gota. Elhomhardeo con neutrones (a) permite la deformación del núcleo (b); las fuerzas electrostáticas que resultan de la acumulación de cargas positivas (protones) en los extremos de la gota se sobreponen a la tensión superficial y acentúan el estrechamiento (c y d) hasta que el núcleo original se divide en dos (e) y ambas partes se separan violentamente emitiendo además algunos neutrones (f).

Fases de la fisión de un núcleo pesado según el modelo de la gota. Elhomhardeo con neutrones (a) permite la deformación del núcleo (b); las fuerzas electrostáticas que resultan de la acumulación de cargas positivas (protones) en los extremos de la gota se sobreponen a la tensión superficial y acentúan el estrechamiento (c y d) hasta que el núcleo original se divide en dos (e) y ambas partes se separan violentamente emitiendo además algunos neutrones (f).

Los grandes físicos creadores de la mecánica cuántica (que implicó incluso una nueva manera de pensar) no habían podido ver el fenómeno relativamente simple de la fisión nuclear. "¡Qué idiotas hemos sido todos!" exclamó Bohr apenas Frisch comenzó su explicación al regresar a Copenhague, el mismo día que Bohr partía para EE.UU. Bohr prometió mantener reserva hasta que Frisch pudiese verificar sus conclusiones detectando los productos de fisión. Pero olvidó mencionar su promesa al físico L. Rosenfeld, que viajaba con él, y Rosenfeld difundió la noticia en Princeton. Muchos físicos (Fermi entre ellos) se dieron cuenta inmediatamente de las implicaciones del descubrimiento. En la Universidad de Columbia (New York), en la Carnegie Institution (Washington), en Baltimore y en Berkeley se realizaron casi simultáneamente las mismas experiencias. El New York Times atribuyó el descubrimiento a Columbia. Después de mucho esfuerzo Bohr consiguió que las prioridades fueran respetadas. Al celebrarse el vigésimo quinto aniversario del experimento, el comunicado de prensa de Columbia decía que "sólo una persona había hecho un experimento similar: el físico 0. R. Frisch, alrededor de diez días antes en Copenhague".

En Princeton, Bohr y J. A. Wheeler desarrollaron la teoría de la fisión. Bohr predijo que el isótopo fisionable del uranio es el que corresponde a A = 235. En ese momento parecía inimaginable separar cantidades microscópicas del mismo, cien veces menos abundantes que el isótopo con A = 238. Bohr regresó a Dinamarca creyendo que era imposible construir una bomba nuclear "porque para ello se necesitarían todos los esfuerzos de un país". Más tarde, el objetivo se lograría con el esfuerzo de miles de personas provenientes de varios países.

Anderson, Fermi y Hanstein (en los EE.UU.), y Halban, Joliot y Kowarski(en Francia) mostraron en marzo de 1939 que durante el proceso de fisión eran emitidos de dos a cuatro neutrones. Esto permitió pensar en una reacción en cadena y motivó programas oficiales de investigación en energía nuclear en Gran Bretaña, Alemania y la U.R.S.S. En ese mismo momento las tropas alemanas invadieron le que había quedado de Checoslovaquia, después de Munich. La guerra era inevitable.

Por entonces Szilard renovó en EE.UU. sus esfuerzos de 1933 para lograrla censura de las publicaciones sobre fisión. Detuvo la publicación de un trabajo suyo en el que mostraba la posibilidad de construir un reactor nuclear si se encontrase un moderador apropiado (es decir, un frenador de neutrones). Trabajos similares (tampoco publicados) fueron realizados en Francia, Alemania y la U.R.S.S. Szilard también persuadió a Anderson y a Fermi para que no publicaran sus resultados sobre absorción de neutrones por carbono, que señalaban las ventajas de dicho elemento. Quizás esto fue decisivo para el curso de la guerra: los alemanes sólo consideraron como moderador el deuterio (del que nunca tuvieron cantidades suficientes) porque habían medido una absorción en carbono erróneamente alta. Los reactores nucleares (L.Turner, EE.UU.) se usaron para producir plutonio con A = 239, a partir del cual se construyó la bomba que destruyó Nagasaki.

En Gran Bretaña, Frisch y Peierls encontraron que sería posible aislar suficiente cantidad del isótopo del uranio con A = 235 mediante el procedimiento de difusión, que fue empleado posteriormente en la construcción de la bomba arrojada sobre Hiroshima. En la Argentina se lo utiliza actualmente para producir uranio enriquecido.

Daniel R Bes

Daniel R Bes

Departamento de Física, Comisión Nacional de Energía Atómica