En la actualidad, los científicos imaginan que los átomos están compuestos de núcleos diminutos, pesados y cargados positivamente rodeados por nubes de electrones extremadamente ligeros y cargados negativamente. Este modelo se remonta a la década de 1920, pero tiene su origen en la antigua Grecia. El filósofo Demócrito propuso la existencia de átomos alrededor del 400 a.C. Nadie realmente asumió el idea con fervor hasta que el físico inglés John Dalton introdujo su teoría atómica a principios de 1800. El modelo de Dalton estaba incompleto, pero persistió básicamente sin cambios durante la mayor parte del siglo XIX.
Una oleada de investigación sobre el modelo atómico se produjo a finales del siglo XIX y bien entrado el siglo XX, que culminó en el modelo de Schrodinger del átomo, que se conoce como modelo de nube. Poco después de que el físico Erwin Schrodinger lo presentara en 1926, James Chadwick, otro físico inglés, agregó una pieza crucial a la imagen. Chadwick es el encargado de descubrir la existencia del neutrón, la partícula neutra que comparte núcleo con el protón cargado positivamente.
El descubrimiento de Chadwick obligó a revisar el modelo de nubes, y los científicos a veces se refieren a la versión revisada como el modelo atómico de James Chadwick. El descubrimiento le valió a Chadwick el Premio Nobel de Física de 1935 e hizo posible el desarrollo de la bomba atómica. Chadwick participó en el proyecto súper secreto de Manhattan, que culminó con el despliegue de bombas nucleares en Hiroshima y Nagasaki. La bomba contribuyó a la rendición de Japón (muchos historiadores creen que Japón se habría rendido de todos modos) y al final de la Segunda Guerra Mundial. Chadwick murió en 1974.
¿Cómo descubrió Chadwick el neutrón?
J.J. Thompson descubrió el electrón utilizando tubos de rayos catódicos en la década de 1890, y el físico británico Ernest Rutherford, el llamado padre de la física nuclear, descubrió el protón en 1919. Rutherford especuló que los electrones y protones podrían combinarse para producir una partícula neutra con aproximadamente la misma masa que un protón, y los científicos creían que tal partícula existía durante varios razones. Por ejemplo, se sabía que el núcleo de helio tiene un número atómico de 2 pero un número de masa de 4, lo que significa que contiene algún tipo de masa misteriosa neutra. Sin embargo, nadie había observado nunca un neutrón ni probado que existiera.
Chadwick estaba particularmente interesado en un experimento realizado por Frédéric e Irène Joliot-Curie, quienes habían bombardeado una muestra de berilio con radiación alfa. Observaron que el bombardeo produjo una radiación desconocida, y cuando permitieron que golpeara una muestra de cera de parafina, observaron que salían del material protones de alta energía.
Insatisfecho con la explicación de que la radiación estaba hecha de fotones de alta energía, Chadwick Duplicó el experimento y concluyó que la radiación tenía que estar compuesta de partículas pesadas con sin cargo. Al bombardear otros materiales, incluidos helio, nitrógeno y litio, Chadwick pudo determinar que la masa de cada partícula era un poco más que la de un protón.
Chadwick publicó su artículo "La existencia de un neutrón" en mayo de 1932. En 1934, otros investigadores habían determinado que el neutrón era de hecho una partícula elemental y no una combinación de protones y electrones.
La importancia de la teoría atómica de Chadwick
La concepción moderna del átomo conserva la mayoría de las características del modelo planetario establecido por Rutherford, pero con importantes modificaciones introducidas por Chadwick y el físico danés Neils Bohr.
Fue Bohr quien incorporó el concepto de órbitas discretas a las que estaban confinados los electrones. Él basó esto en principios cuánticos que eran nuevos en ese momento pero que se han establecido como realidades científicas. Según el modelo de Bohr, los electrones ocupan órbitas discretas, y cuando se mueven a otra órbita, emiten o absorben no en cantidades continuas, sino en haces de energía, llamados cuantos.
Al incorporar el trabajo de Bohr y Chadwick, la imagen moderna del átomo se ve así: la mayor parte del átomo es espacio vacío. Los electrones cargados negativamente orbitan un núcleo pequeño pero pesado compuesto de protones y neutrones. Debido a que la teoría cuántica, que se basa en el principio de incertidumbre, considera a los electrones como ondas y partículas, no pueden ubicarse definitivamente. Solo se puede hablar de la probabilidad de que un electrón esté en una posición particular, por lo que los electrones forman una nube de probabilidad alrededor del núcleo.
El número de neutrones en el núcleo suele ser el mismo que el número de protones, pero puede ser diferente. Los átomos de un elemento que tienen un número diferente de neutrones se denominan isótopos de ese elemento. La mayoría de los elementos tienen uno o más isótopos y algunos tienen varios. El estaño, por ejemplo, tiene 10 isótopos estables y al menos el doble de los inestables, lo que le da una masa atómica promedio significativamente diferente al doble de su número atómico. Si el descubrimiento del neutrón por James Chadwick nunca hubiera ocurrido, sería imposible explicar la existencia de isótopos.
Contribución de James Chadwick a la bomba atómica
El descubrimiento de Chadwick del neutrón condujo directamente al desarrollo de la bomba atómica. Dado que los neutrones no tienen carga, pueden penetrar más profundamente en los núcleos de los átomos objetivo que los protones. El bombardeo de neutrones de núcleos atómicos se convirtió en un método importante para obtener información sobre las características de los núcleos.
Sin embargo, los científicos no tardaron en descubrir que bombardear el uranio 235 superpesado con neutrones era una forma de romper los núcleos y liberar una enorme cantidad de energía. La fisión del uranio produce más neutrones de alta energía que rompen otros átomos de uranio y el resultado es una reacción en cadena incontrolable. Una vez que se supo esto, solo fue cuestión de desarrollar una forma de iniciar la reacción de fisión a pedido en una carcasa entregable. Fat Man y Little Boy, las bombas que destruyeron Hiroshima y Nagasaki, fueron el resultado del esfuerzo de guerra secreta conocido como el Proyecto Manhattan que se llevó a cabo para hacer precisamente eso.
Neutrones, radiactividad y más
La teoría atómica de Chadwick también permite comprender la radiactividad. Algunos minerales naturales, así como los artificiales, emiten radiación de forma espontánea, y la razón tiene que ver con el número relativo de protones y neutrones en el núcleo. Un núcleo es más estable cuando tiene un número igual y se vuelve inestable cuando tiene más de uno que de otro. En un esfuerzo por recuperar la estabilidad, un núcleo inestable arroja energía en forma de radiación alfa, beta o gamma. La radiación alfa está compuesta de partículas pesadas, cada una de las cuales consta de dos protones y dos neutrones. La radiación beta se compone de electrones y la radiación gamma de fotones.
Como parte del estudio de los núcleos y la radiactividad, los científicos han diseccionado más protones y neutrones para descubrir que ellos mismos están compuestos de partículas más pequeñas llamadas quarks. La fuerza que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo se llama fuerza fuerte, y la que mantiene unidos a los quarks se conoce como fuerza del color. La fuerza fuerte es un subproducto de la fuerza del color, que a su vez depende del intercambio de gluones, que son otro tipo de partícula elemental.
La comprensión que hizo posible el modelo atómico de James Chadwick ha llevado al mundo a la era nuclear, pero la puerta a un mundo mucho más misterioso e intrincado está abierta de par en par. Por ejemplo, los científicos pueden demostrar algún día que todo el universo, incluidos los núcleos atómicos y los quarks de los que están hechos, está compuesto por cadenas infinitesimales de energía vibrante. Cualquier cosa que descubran, lo harán apoyándose en los hombros de pioneros como Chadwick.