James Chadwick (1891-1974) fue un destacado físico inglés reconocido por el descubrimiento del neutrón en 1932. Poco después, en 1935, fue premiado con Nobel de Física por su aporte a la comunidad científica. El interés de Chadwick por las cargas neutras surgió unos 10 años antes de que lograra comprobar su existencia.
Previo a esta comprobación, Chadwick realizó varios experimentos que resultaron fallidos. Tuvo éxito en 1932, cuando se basó en los experimentos de los franceses Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot. Más adelante, Chadwick se dedicó a investigar sobre la utilización de la fisión nuclear para la creación de armamento de guerra.
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Biografía
Orígenes
Chadwick nació en el poblado de Bollington, al noreste de Inglaterra, el 20 de octubre de 1891. Era hijo de dos trabajadores humildes: su padre laboraba en el sistema ferroviario y su madre era trabajadora doméstica.
Desde muy pequeño Chadwick destacó por ser un niño introvertido y extremadamente inteligente. Inició estudios secundarios en Mánchester, y a los 16 años de edad ganó una beca para estudiar física pura en la extinta Universidad Victoria de Mánchester.
Formación académica
El joven promesa de la física inició sus estudios universitarios formalmente en el año 1908, a los 17 años.
Tuvo un paso destacado por la academia, y en el último año de carrera asistía las investigaciones del premio nobel Ernest Rutheford sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radioactivas.
Luego de obtener su título en Física en 1911, se enroló en la maestría en Física, la cual culminó exitosamente en 1913. Durante ese lapso continuó trabajando de la mano con Rutheford en su laboratorio.
Posteriormente, resultó beneficiado por una beca profesional que permitió su traslado a Berlín, Alemania, para profundizar las investigaciones sobre la radiación beta junto al físico alemán Hans Geiger en la Technische Hochschule.
Durante su estadía en Berlín inició la Primera Guerra Mundial, en julio de 1914. Debido a una acusación de espionaje, fue internado en un campo de concentración para civiles en Ruhleben hasta 1918.
En 1919 Chadwick volvió a Inglaterra e inició su doctorado en la Universidad de Cambridge. Entretanto, se reincorporó a las labores de investigación de Rutheford, quien para entonces lideraba el Laboratorio Cavendish de la reconocida institución.
En 1921, a los 21 años de edad, obtuvo su título de doctorado (Ph.D. por sus siglas en inglés: Philosophie Doctor), al presentar un trabajo especial de investigación sobre fuerzas nucleares y números atómicos.
En 1923 fue designado como director asistente de investigación en el Laboratorio Cavendish de Cambridge. Chadwick se desempeñó en este rol hasta 1935, cuando decidió mudarse a la Universidad de Liverpool.
Carrera profesional
Gracias a sus aportaciones científicas se hizo merecedor de la medalla Hughes en 1932. Este reconocimiento, otorgado por la Real Sociedad de Londres, premia a aquellos que realizan descubrimientos sobre las ciencias físicas y/o sus aplicaciones prácticas.
En 1935 le fue concedido el Premio Nobel de Física por el descubrimiento del neutrón como partícula elemental sin carga eléctrica ubicada en el núcleo atómico.
Durante la Segunda Guerra Mundial Chadwick tuvo una participación activa en el Comité Británico de la MAUD, una comisión creada para analizar la factibilidad de utilizar tecnología nuclear en la fabricación de una bomba.
James Chadwick también formó parte neurálgica del Tube Alloys Project, un programa de investigación autorizado y financiado por el Reino Unido con apoyo de Canadá, para desarrollar armas nucleares durante la Segunda Guerra Mundial.
Chadwick destacó por su ingenio y aplomo político durante este período, ya que sus propuestas sirvieron de puente para las negociaciones de colaboración investigativa entre el Reino Unido, Canadá y los Estados Unidos.
Proyecto Manhattan
Hacia el desenlace de la Segunda Guerra Mundial, Chadwick tomó la batuta de la misión británica en el Proyecto Manhattan. Este último fue un proyecto de investigación conjunto entre Estados Unidos, el Reino Unido y Canadá, con el objeto de desarrollar la primera bomba atómica.
Chadwick tuvo libre acceso a toda la información confidencial del proyecto: diseños, planos, datos, presupuestos, etc., a pesar de ser un civil y de no ser estadounidense; vale destacar que ambas condiciones eran excluyentes para participar en el proyecto.
Posteriormente fue nombrado caballero inglés en 1945, y un año después EE. UU. le otorgó la Medalla de Mérito por su aporte de valor en el Proyecto Manhattan.
Arsenal nuclear para Inglaterra
Al finalizar la Segunda Guerra Mundial Chadwick promovió con gran ímpetu la iniciativa de que el Reino Unido desarrollase un arsenal nuclear propio.
Para lograr ese objetivo, Chadwick fue elegido como miembro del Comité Asesor Británico de Energía Atómica, y también participó como representante del Reino Unido ante la Comisión de Energía Atómica de las Naciones Unidas.
Hacia 1948 James Chadwick se desempeñó como profesor en el Gonville & Caius College de la Universidad de Cambridge. Más tarde, en 1950, fue laureado nuevamente por la Real Sociedad de Londres al recibir la Medalla Copley.
Muerte
8 años más tarde decidió retirarse voluntariamente al norte de Gales. James Chadwick falleció el 24 de julio de 1974 en la ciudad de Cambridge.
Modelo atómico de Chadwick
El modelo atómico de Chadwick se centra en la modelación del núcleo atómico constituido no solo por protones (cargas positivas), sino también por neutrones (cargas neutras).
A partir del descubrimiento del neutrón por Chadwick, el átomo se entendía como un núcleo con protones y neutrones, suponiendo casi toda la masa del átomo, orbitando los electrones el núcleo en sus niveles de energía correspondientes.
Descubrimiento del neutrón
El interés de Chadwick en demostrar la existencia de partículas neutras se generó en los años 20. Sin embargo, en esa época el destacado científico realizó múltiples intentos en vano. Una década más tarde Chadwick replicó los experimentos de Irène Joliot-Curie (hija de Marie Curie y Pierre Curie) y Frédéric Joliot (esposo de Irène) en Francia.
Esta pareja de científicos había logrado la expulsión de los protones de una muestra de cera de parafina utilizando rayos gamma.
Chadwick pensaba que la emisión de rayos gamma contenía partículas neutras, y que estas partículas eran las que habían chocado contra la muestra de cera, induciendo posteriormente la liberación de los protones de la cera.
Por ende, trató de replicar estos experimentos en el Laboratorio de Cavendish y empleó el polonio —que había sido utilizado por los Curie como fuente de rayos gamma— para irradiar berilio con partículas alfa.
Luego, esta radiación impactó sobre una muestra similar de cera de parafina, y los protones de dicha muestra fueron violentamente expulsados del material.
El comportamiento de los protones fue observado mediante una pequeña cámara de ionización, adaptada al experimento por el propio Chadwick.
Chadwick detectó que el comportamiento de los protones liberados por la cera solo podía explicarse si esas partículas hubiesen chocado contra otras partículas eléctricamente neutras, y con una masa muy parecida.
Dos semanas más tarde, James Chadwick publicó un artículo en la revista científica Nature sobre la posible existencia de neutrones.
Sin embargo, Chadwick concibió el modelo inicialmente considerando que el neutrón era un arreglo constituido por un protón y un electrón, lo cual generaba la carga neutra. Más adelante, el físico alemán Werner Heisenberg demostró que el neutrón era una partícula única y elemental.
Experimentos de Chadwick
Tras el descubrimiento del neutrón, Chadwick se enfocó en ir cada vez más allá con respecto a la caracterización de este nuevo componente atómico.
El hallazgo del neutrón y el modelo atómico de Chadwick revolucionó la visión tradicional de la ciencia, dados los choques de los neutrones con los núcleos atómicos y la expulsión de los protones fuera del átomo.
La descomposición beta es un proceso a través del cual se emiten partículas beta (electrón o positrón) desde el núcleo del átomo, para equilibrar la presencia de protones y neutrones en el núcleo atómico.
Debido a este proceso se realizaron infinidad de experimentos a nivel mundial, motivados por el descubrimiento de Chadwick, para inducir la conversión de algunos neutrones en protones.
A causa de que cada elemento químico está identificado según el número de protones que posee, los experimentos anteriores abrieron la puerta para la creación y/o descubrimiento de nuevos elementos químicos con un mayor número de protones en su haber.
Fisión nuclear
Chadwick enfatizó sus análisis posteriores en el uso de los neutrones para dividir átomos de núcleos pesados en varios núcleos más pequeños mediante el proceso de fisión nuclear.
Se denomina de esta forma porque la división ocurre en el núcleo del átomo y produce una cantidad de energía sumamente grande. Dicho concepto fue empleado para el diseño de poderosas armas nucleares.
Chadwick incluso financió la compra de un acelerador de partículas durante su estadía en Liverpool, y para ello utilizó una porción de los fondos obtenidos al ganar el Premio Nobel en 1935.
Aportaciones de Chadwick a la ciencia
Entre las aportaciones de James Chadwick a la ciencia destaca el descubrimiento del neutrón, por el que ganó el Premio Nobel de Física de 1935. También participó en la construcción de la bomba atómica en Estados Unidos, escribió sobre radiaciones de sustancias radiactivas y descubrió el tritio.
El descubrimiento del neutrón
Durante sus investigaciones en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, Rutherford y Chadwick realizaron experimentos con partículas alfa para indagar sobre la naturaleza del núcleo atómico. Vale destacar que el núcleo atómico fue descubierto por Rutherford en 1911.
Estas investigaciones se llevaron a cabo analizando una radiación nunca antes vista emanada del berilio, cuando este material era expuesto al bombardeo de partículas alfa.
Dicha radiación estaba constituida por partículas de masa muy similar a la masa del protón, pero sin carga eléctrica. Estas partículas fueron denominadas neutrones, debido a la neutralidad de su composición.
Chadwick llevó a cabo este descubrimiento a mediados de 1932, y con ello definió las premisas del modelo atómico de Chadwick, cuyo detalle se desglosa en la siguiente sección de este artículo.
Investigaciones nucleares
El descubrimiento del neutrón por parte de Chadwick créo el escenario propicio para el descubrimiento de la fisión nuclear y el desarrollo de armas bélicas con esta tecnología.
Chadwick detectó que al bombardear el átomo de un elemento con neutrones, el núcleo de este material puede ser penetrado y dividido, generando una cantidad significativa de energía.
De allí, Chadwick anunció el carácter inevitable de este tipo de tecnología para el desarrollo de armas de guerra, y se involucró directamente en los asuntos diplomáticos relacionados con este proceso en Estados Unidos e Inglaterra.
Chadwick colaboró en la construcción de la bomba atómica junto con otros científicos estadounidenses y canadienses entre 1943 y 1945.
Fue el encargado de dirigir la delegación científica inglesa que trabajó en el laboratorio Los Álamos, en Nuevo México, Estados Unidos. En 1939 Estados Unidos inicia las investigaciones del Proyecto Manhattan, el nombre en clave que recibió la bomba atómica.
El presidente Franklin Delano Roosevelt fue advertido por los científicos nucleares Edward Teller, Leó Szilárd y Eugene Wigner, a través de Albert Einstein, sobre la utilización de la fisión nuclear para la producción de bombas por parte de los nazis.
Descubrimiento del tritio
El tritio ya había sido identificado en 1911 por el también científico inglés Joseph John Thomson, pero este creyó que se trataba de una molécula triatómica.
También Ernest Rutherford ya la había anunciado, pero no fue sino hasta 1934 cuando Chadwick, trabajando para el equipo de Rutherford, la cataloga como un isótopo de hidrógeno.
El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno, cuyo símbolo es ³H. Consta de un núcleo formado por un protón y dos neutrones.
El tritio se genera por el bombardeo con neutrones libres de blancos de nitrógeno, litio y boro.
Facilitación de la fisión del uranio 235
El descubrimiento del neutrón por parte de James Chadwick facilitó la fisión nuclear; es decir, la separación del uranio 235 del uranio -238, un elemento químico que se encuentra en la naturaleza.
El enriquecimiento del uranio 235 es el proceso al cual se somete el uranio natural para poder obtener el isótopo 235 y producir la energía nuclear. La fisión es una reacción nuclear; es decir, que se desencadena en el núcleo del átomo.
Esta reacción química se produce cuando un núcleo pesado es dividido en dos o más núcleos más pequeños y en algunos subproductos tales como fotones (rayos gamma), neutrones libres y demás fragmentos del núcleo.
Tratado sobre radiaciones de sustancias radiactivas
En 1930 James Chadwick escribió un tratado sobre las radiaciones de sustancias radiactivas. Logró medir la masa del neutrón y dedujo que era similar a la del protón con una diferencia: que tenía carga eléctrica neutra.
Entonces, concluyó que el núcleo atómico se componía de neutrones y protones y que la cantidad de protones era similar a la de electrones.
Sus investigaciones y aportaciones al trabajo del laboratorio de física de la Universidad de Mánchester y en la Universidad de Cambridge en Inglaterra, fueron claves para el conocimiento de la energía nuclear y la construcción del modelo atómico de Rutherford.
Artículos de interés
Modelo atómico de Schrödinger.
Modelo atómico de Dirac Jordan.
Referencias
- J. Chadwick, The Existence of a Neutron, Proc. Roy. Soc. A 136 (1932). Tomado de chemteam.info
- Pérez Aguirre, Gabriela. Química 1. Un Enfoque Constructivista, Volumen 1.
- James Chadwick. Consultado de es.wikipedia.org
- James Chadwick (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Recuperado de: britannica.com
- James Chadwick (s.f.). Recuperado de: atomicheritage.org
- James Chadwick (s.f.). Recuperado de: famousscientists.org
- James Chadwick – Biographical (2014). Nobel Media AB. Recuperado de: nobelprize.org
- James Chadwick: Biography & Atomic Theory (s.f.). Recuperado de: study.com
- Principles of physical science (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. Recuperado de: britannica.com