Descubrimiento del neutrón: resumen histórico y experimento de Chadwick

El átomo está formado por un núcleo y una región exterior en la que se encuentran los electrones. En el núcleo hay protones, con carga positiva, y neutrones, sin carga eléctrica neta. Aunque hoy sabemos que estas partículas están compuestas por unidades todavía más pequeñas, durante mucho tiempo se consideraron los componentes básicos del átomo.

El neutrón fue la última de las tres partículas subatómicas clásicas en ser identificada. Su descubrimiento se confirmó en 1932, cuando el físico británico James Chadwick interpretó correctamente una radiación capaz de expulsar protones de ciertos materiales. La existencia de una partícula neutra ya había sido planteada años antes por Ernest Rutherford.

Resumen

El neutrón es una partícula subatómica sin carga eléctrica neta que, junto con los protones, se encuentra en el núcleo y contribuye a formar los isótopos. Su detección fue difícil porque no dejaba señales propias de partículas cargadas. En 1932, James Chadwick demostró su existencia al bombardear berilio con partículas alfa y estudiar la radiación resultante. Esta expulsaba protones y núcleos de retroceso, algo explicado por partículas neutras con masa semejante al protón, no por rayos gamma.

¿Qué es un neutrón?

Un neutrón es una partícula subatómica que se encuentra, junto con los protones, en el núcleo de la mayoría de los átomos. Su característica más conocida es que su carga eléctrica total es neutra. Esto no significa que no tenga estructura interna: el neutrón está formado por tres quarks, cuyas cargas eléctricas se compensan entre sí.

Los neutrones tienen una masa parecida a la de los protones y resultan esenciales para comprender la composición de los núcleos atómicos. El número de protones determina qué elemento es un átomo, mientras que la cantidad de neutrones puede variar y dar lugar a distintos isótopos de un mismo elemento.

¿Por qué fue difícil descubrirlo?

La ausencia de carga eléctrica dificultó mucho la detección del neutrón. Las partículas cargadas pueden dejar señales claras al atravesar determinados materiales o al desviarse en campos eléctricos y magnéticos. El neutrón, en cambio, no se comporta de esa manera, por lo que debía identificarse mediante los efectos que producía al chocar con otras partículas.

Además, el descubrimiento se retrasó por motivos históricos y científicos. Rutherford había sospechado que el núcleo podía contener una partícula sin carga, pero con una masa semejante a la del protón. Utilizó el término neutrón en una conferencia de 1920, aunque todavía no existían pruebas experimentales concluyentes.

Chadwick tampoco pudo continuar con normalidad sus investigaciones durante un periodo importante. Al comenzar la Primera Guerra Mundial fue retenido como prisionero en Alemania y se le impidió proseguir sus experimentos. Regresó a Inglaterra en 1918 y más tarde pudo trabajar de nuevo junto a Rutherford.

Los experimentos que condujeron al descubrimiento

En 1932, los físicos franceses Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot estudiaron una radiación muy penetrante que había sido observada anteriormente por Walther Bothe y Herbert Becker. Para ello, dirigieron esa radiación contra sustancias ricas en hidrógeno, como la parafina.

Al realizar el experimento observaron que de la parafina salían protones con mucha energía. Su primera interpretación fue que se trataba de fotones de alta energía, semejantes a los rayos gamma, que chocaban con los núcleos de hidrógeno y los expulsaban.

Sin embargo, esta explicación presentaba dificultades. Un protón tiene una masa aproximadamente 1.836 veces mayor que la de un electrón. Por tanto, para ponerlo en movimiento mediante una colisión con fotones habría sido necesaria una cantidad de energía muy elevada. Además, la frecuencia esperada de esas colisiones no coincidía con la intensidad del efecto observado.

Chadwick consideró que la explicación de los investigadores franceses no resolvía de forma satisfactoria el problema. Por ello, repitió y amplió los experimentos bajo la dirección de Rutherford.

El experimento de Chadwick

El montaje utilizado por Chadwick incluía una fuente de partículas alfa, una placa de berilio y un sistema para detectar la radiación producida. La fuente radiactiva era de polonio. Sus partículas alfa se dirigían contra el berilio y originaban una radiación desconocida.

La radiación llegaba después a una cámara de ionización. Cuando una partícula atravesaba el gas de la cámara, podía producir ionización. Esta señal se amplificaba y se registraba mediante un oscilógrafo, lo que permitía estudiar indirectamente las propiedades de la radiación.

Chadwick colocó delante de la cámara distintos materiales que podían actuar como blancos. En lugar de limitarse a la parafina, empleó también otros elementos y añadió láminas de aluminio entre el material sometido a la radiación y el gas detector. Después observó cómo cambiaba la ionización al aumentar el grosor del aluminio.

Los resultados mostraron que la radiación era capaz de expulsar núcleos de retroceso de diferentes materiales. Si la radiación estuviera formada por fotones, los cálculos basados en la conservación de la energía exigían valores de energía que no encajaban con las observaciones. La dificultad se hacía más evidente al utilizar núcleos de mayor masa.

La hipótesis del neutrón

Para explicar los resultados, Chadwick propuso que la radiación no estaba formada por rayos gamma, sino por partículas sin carga eléctrica. Estas partículas podían atravesar los materiales con mayor facilidad que las partículas cargadas y, al chocar con los núcleos, transferirles energía y producir los protones o núcleos de retroceso observados.

La propuesta resolvía dos problemas al mismo tiempo. Por una parte, explicaba la capacidad de la radiación para atravesar ciertos materiales sin desviarse como lo haría una partícula cargada. Por otra, permitía aplicar correctamente la conservación de la energía y del movimiento en las colisiones. La nueva partícula fue identificada como el neutrón previsto anteriormente por Rutherford.

El trabajo de Chadwick proporcionó la primera demostración experimental convincente de la existencia del neutrón. Su descubrimiento también ayudó a comprender mejor la masa de los núcleos y la existencia de isótopos, ya que permitía explicar por qué algunos átomos del mismo elemento podían tener masas diferentes.

Importancia del descubrimiento

En diciembre de 1935, Chadwick recibió el Premio Nobel de Física por el descubrimiento del neutrón. Al principio, él mismo imaginó que esta partícula podía ser una combinación de un protón y un electrón. Más adelante, los trabajos de Werner Heisenberg contribuyeron a establecer que el neutrón no debía entenderse simplemente como esa combinación.

Actualmente se sabe que el neutrón no es una partícula elemental en sentido estricto, porque está compuesto por quarks. Aun así, forma parte de la descripción fundamental del núcleo atómico y sigue siendo una pieza esencial para explicar la estructura de la materia.

El descubrimiento se produjo cuando Chadwick comprobó que una radiación generada al bombardear berilio con partículas alfa podía expulsar protones de materiales ricos en hidrógeno. La hipótesis de una partícula neutra con masa permitió interpretar esos resultados de manera coherente y confirmó una idea que Rutherford ya había planteado años antes.