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Breve historia de la física nuclear

A lo largo de la historia, fueron varios los modelos que trataron de describir cómo estaba hecha la materia. Hacia el año 400 a.C., el filósofo Demócrito describía la materia como una entidad formada por átomos, que por definición eran entes indivisibles, sus partículas fundamentales.

Pocos avances teóricos se realizaron hasta hace poco más de doscientos años, a principios del siglo XIX, y aun así la concepción que se tenía de la estructura de la materia era radicalmente distinta a la que se tiene hoy en día. Se pensaba, gracias al modelo atómico postulado por el científico inglés John Dalton en 1808, que la materia estaba compuesta por átomos, que no se podían dividir de ninguna manera, que eran iguales entre sí en cada elemento químico y que además no tenían carga eléctrica.

A finales de dicho siglo, en 1896, debido en gran parte a la casualidad, un científico francés llamado Henri Becquerel descubrió que algunos materiales que se podían encontrar en la naturaleza emitían partículas. Ese extraño fenómeno fue denominado posteriormente “radiactividad”.

Sólo un año después, el inglés J.J. Thompson descubría el electrón, una partícula muchísimo más pequeña que el tamaño de los denominados átomos y que además estaba cargada. Esos dos hechos desmontaban por completo la concepción que se tenía de la materia. El mismo Thompson, el año siguiente propuso un modelo de átomo en el que encajaba dicho descubrimiento: ese átomo anteriormente indivisible en realidad estaba compuesto por una masa de carga positiva que tenía alojados en su interior los electrones. El conjunto por tanto, era de carga neutra.

Ese mismo año 1898 el matrimonio francés formado por Pierre y Marie Curie descubrió nuevos materiales “radiactivos” como el radio y el polonio. Pero esta vez, lo que emitían era mucho más grande que un electrón y de carga positiva: una partícula alfa

Un reputado científico neozelandés llamado Ernest Rutherford, discípulo de Thompson, quiso verificar lo bueno que era el modelo propuesto por Thompson y bombardeó láminas de oro muy finas con dichas partículas alfa. Los resultados que se esperaban eran que la mayoría de las partículas alfa (de carga positiva) rebotase debido a la dificultad de atravesar la densa masa positiva con electrones que era la materia en el modelo de Thompson. Para sorpresa de todos, la mayoría de las partículas alfa atravesaron la materia, algunas de ellas desviándose cierto ángulo, otras pocas fueron rebotadas. Eso no encajaba con el modelo anterior, había que pensarse las cosas de nuevo.

El mismo Rutherford propuso un modelo de átomo en 1911 que estaba de acuerdo con su experiencia: el átomo en realidad estaba constituido por un núcleo de carga positiva en el centro con electrones alrededor. Ese núcleo se sospechaba que estaba compuesto por partículas positivas (protones) y neutras (lo que más tarde se denominó neutrones). El tamaño del núcleo en relación con el del átomo era como un balón de fútbol en el centro de un estadio: es decir, el átomo estaba prácticamente hueco, por eso las partículas alfa pasaban a través de él, y sólo unas pocas conseguían colisionar con el pequeñísimo núcleo o eran desviadas si pasaban cerca.

Ese modelo fue completado de forma inmediata por otro de los mayores científicos del siglo XX, el danés Niels Bohr, joven discípulo de Rutherford, que a los 26 años introdujo un modelo más sólido, que tenía en cuenta la física cuántica para explicar los movimientos de los electrones alrededor del núcleo y los organizaba en distintas capas.

Unos años después, la total irrupción de la mecánica cuántica llegó al modelo atómico de la mano del austríaco Erwin Schrödinger, cuyo modelo propuesto en 1926 sigue aún vigente.

Años más tarde, en 1932, se verifica la existencia de esa partícula denominada neutrón, mediante una serie de experimentos realizados por el inglés James Chadwick.

Hoy se sabe que un átomo consta de un núcleo que porta casi la totalidad de la masa del átomo y unos electrones dispuestos en torno al núcleo de acuerdo con unas distribuciones de probabilidad que determina la física cuántica. El núcleo del átomo no es un ente fundamental, sino que puede ser dividido en partes más pequeñas. Está formado por neutrones (sin carga eléctrica) y protones (con carga eléctrica positiva), y se sabe que estas dos partículas (llamadas genéricamente nucleones) tampoco son indivisibles, sino que están compuestas de otras más pequeñas denominadas quarks.

Después del descubrimiento del neutrón, muchos científicos famosos realizaron experimentos en los que bombardeaban al material más pesado de la naturaleza (uranio) con neutrones. El primero en hacer experimentos mediante el bombardeo de núcleos de uranio con neutrones fue el italiano Enrico Fermi; sus trabajos le valieron el Premio Nobel de Física en 1938. Sus investigaciones alentaron a Otto Hahn, Lise Meitner y Fritz Strassmann, que en 1939 demostraron que después de bombardear uranio con neutrones, aparecían núcleos de bario, que tenía una masa aproximadamente la mitad que el uranio. Estos resultados crearon una gran controversia en la comunidad científica, pero fueron rápidamente corroborados por nuevos experimentos que disiparon todas las dudas al respecto: se había descubierto la fisión nuclear. Estos trabajos le valieron a Otto Hahn el Premio Nobel de Química en 1944.

Gran parte de los científicos implicados en estas investigaciones eran de origen judío, y acabaron emigrando a Estados Unidos a medida que los regímenes totalitarios se adueñaban de sus respectivos países. Tal fue el caso de Enrico Fermi, que aprovechando la ceremonia de entrega de los Nobel escapó junto con toda su familia de Italia. Este insigne físico, uno de los más grandes de la historia, condujo a su equipo de investigación a uno de los mayores logros de la historia de la ciencia, la primera reacción nuclear en cadena autosostenida, que tuvo lugar a las 15:20 horas del día 2 de diciembre de 1942. Ese día se logró iniciar una reacción en cadena y posteriormente detenerla, consiguiendo liberar de forma controlada energía nuclear.

Pocos años después, impulsado por los intereses bélicos de Estados Unidos, se logró poner en marcha el primer reactor que opera de forma continuada en 1944 en Hanford y en 1951 el primer reactor que produce electricidad, el EBR-1 en el laboratorio nacional de Los Álamos.

En 1953 el entonces presidente de los Estados Unidos, Dwight D. Eisenhower pronunció su famoso discurso de Atoms for Peace en el que EEUU abrió la tecnología nuclear al mundo para su uso civil, en producción de electricidad. En 1956 se puso en operación el primer reactor de producción eléctrica de Europa, Calder Hall (Reino Unido). En los años posteriores se comenzaría la construcción de centrales nucleares en el mundo, hasta los aproximadamente 400 reactores en operación.