25. RUTHERFORD I LAWRENCE

Van dividir l’àtom

El que Ernest Rutherford perseguia era caça major, o almenys ho era en el món de la ciència, tot i que la presa darrere la qual anava era un element minúscul, l’àtom, amb un diàmetre de tan sols unes mil milionèsimes de centímetre. La pregunta era: què hi havia dins d’aquell àtom?

Durant un segle, els científics havien pensat que l’àtom era la partícula més petita que podia existir, i que tenia la forma d’una bola de billar. Però a la darrera dècada del segle passat van descobrir partícules encara més petites, i van comprovar que els àtoms radioactius es desintegren i llancen partícules «subatòmiques» en totes les direccions.

Així doncs Rutherford, per tal d’esbrinar què s’amagava dins del minúscul àtom, el bombardejà amb projectils encara més petits: les partícules «subatòmiques» que llançaven els àtoms radioactius.

Aquestes partícules eren tan petites i es movien tan de pressa que travessaven làmines fines de matèria ordinària com si no hi hagués res. Un feix estret de partícules deixava un puntet fosc en una placa fotogràfica després de travessar una fina làmina de metall col·locada al davant per barrar-li el pas. Rutherford observà l’any 1906 que el metall tenia un efecte estrany: el puntet fosc era difús, com si algunes de les partícules, en travessar el metall, s’haguessin desviat cap a una banda.

L’any 1908 Rutherford i el seu ajudant, Hans Geiger, van decidir investigar aquest fenomen. L’estratègia consistiria a bombardejar amb partícules una làmina d’or d’un gruix de tan sols unes quantes deumil·lèsimes de centímetre que, tot i la primesa, formava un mur de 2.000 àtoms de gruix. Si els àtoms omplien tot l’espai, raonà Rutherford, les partícules no tindrien cap probabilitat de travessar la làmina.

Però les partícules sí que van passar. Pràcticament totes van arribar a l’altra banda en línia recta, tot i que algunes ho van fer amb un petit angle de desviació, com quan es colpeja una bola de billar de cantó. I de cada 20.000 partícules, n’hi havia una que de fet rebotava.

Com podia ser allò? Més endavant, Rutherford va dir que era com si hagués disparat una bala de canó contra un full de paper i la bala hagués sortit rebotada i hagués tornat a entrar al canó.

Finalment va trobar l’explicació: la major part de l’àtom era espai buit, a través del qual les subpartícules passaven amb facilitat. Al centre de cada àtom, però, hi havia un nucli minúscul que contenia pràcticament tota la massa de l’àtom. Aquest nucli estava envoltat de partícules que giravoltaven en òrbites, com els planetes.

D’aquesta manera Rutherford va ser el primer de descobrir com era l’àtom per dintre. Els experiments els va dur a terme l’any 1908, i aquell mateix any va rebre el Premi Nobel de Química, però per treballs que havia fet abans; és a dir, que els seus descobriments més importants van tenir lloc després d’obtenir el premi.

Ernest Rutherford va ser realment un científic de l’Imperi Britànic. Va treballar a Canadà i a Anglaterra, però va néixer a Nova Zelanda el 30 d’agost de 1871. A la universitat, on es posà de manifest per primera vegada el seu talent per a la física, va guanyar una beca de la Universitat de Cambridge, on estudià sota el guiatge del gran científic britànic J. J. Thomson.

Rutherford va començar el seu treball en el camp de l’electricitat i el magnetisme, però el 189S, l’any en què va arribar a Anglaterra, Wilhelm Roentgen sacsejà el món científic amb el descobriment dels raigs X. Thomson va decidir immediatament continuar en aquella direcció, i Rutherford l’hi acompanyà de bon grat.

Rutherford mostrà un talent tan extraordinari que, quan va quedar una vacant al claustre de professors de la Universitat McGill de Montreal, Thomson va decidir recomanar-lo. Així doncs, l’any 1898 Rutherford va marxar cap a Canadà.

Un any més tard va comprovar que les substàncies radioactives emetien almenys dos tipus de radiacions. Les va designar amb els noms de «raigs alfa» i «raigs beta», d’acord amb les dues primeres lletres de l’alfabet grec. Més endavant es va descobrir que tant els uns com els altres eren corrents de partícules subatòmiques. Els raigs alfa estaven formats per partícules d’una gran densitat de massa i Rutherford els utilitzà posteriorment com a projectils per sondar l’àtom. L’any 1903, ell i un estudiant anomenat Frederick Soddy van calcular les fórmules matemàtiques que descrivien l’índex de desintegració d’una substància radioactiva.

El 1908 Rutherford ja havia descobert la manera de detectar partícules subatòmiques individuals: una partícula, en xocar contra una pel·lícula de sulfur de zinc, provocava una petita llambregada. El sulfur de zinc «espurnejava». I mitjançant aquesta «pantalla d’espurneig», Rutherford podia seguir i comptar cadascuna de les partícules.

Amb els projectils que havia descobert i el comptador que havia enginyat, Rutherford tenia tot el que calia per explorar l’interior de l’àtom. Deu anys més tard, va fer una cosa encara més sorprenent: utilitzà els seus projectils no en metalls, sinó en gasos.

Quan bombardejava hidrogen gasós amb raigs alfa, aquests raigs xocaven contra els nuclis dels àtoms d’hidrogen, formats per partícules simples anomenades «protons». Aquests protons, en estavellar-se contra una pantalla de sulfur de zenc, produïen una mena d’espurneig molt brillant. En canvi, si bombardejava oxigen, diòxid de carboni i vapor d’aigua, no passava res especial. Però quan bombardejava nitrogen, l’espurneig característic dels protons tomava a aparèixer de sobte.

D’on sortien aquests protons? Només hi havia una resposta possible. Els raigs alfa, en colpir el nucli de l’àtom de nitrogen, en feien desprendre protons, i el nitrogen es transformava en un isòtop rar de l’oxigen. El protó s’observava com a producte de la reacció. Rutherford va ser el primer de transformar un element (nitrogen) en un altre (oxigen): havia aconseguit, el 1919, la primera reacció nuclear artificial.

AI llarg dels anys es van dur a terme més investigacions sobre l’estructura de l’àtom, i va caldre l’ajut de projectils subatòmics cada vegada més nombrosos i més ràpids. Els raigs alfa anaven bé, però l’energia que posseïen no era prou alta i, a més, les substàncies radioactives que emetien raigs alfa eren difícils d’obtenir.

Els científics van intentar utilitzar protons, que podien obtenir-se fàcilment de l’hidrogen. Els protons no eren tan pesants com les partícules dels raigs alfa, però podien accelerar-se fins a energies molt altes mitjançant un camp elèctric que, amb l’ajut d’imants, els mantenia en la trajectòria desitjada. L’home que va demostrar la manera millor de fer-ho també es deia Ernest: Ernest Orlando Lawrence, nascut a Canton, Dakota del Sud, el 8 d’agost del 1901.

L’any 1930, a la Universitat de Califòrnia, Lawrence començà a pensar en la manera d’accelerar protons. El problema era que sempre s’escapaven de la força dels imants amb què intentava mantenir-los en la trajectòria correcta. ¿Com ho podia fer per retenir-los dins de l’instrument fins que haguessin guanyat prou velocitat per ser útils? Potser podria intentar fer-los girar en cercles, pensà Lawrence.

Immediatament va començar a construir un instrument de fabricació casolana en el qual col·locà una sèrie d’electroimants d’una manera força enginyosa. Els protons es veien forçats a seguir una trajectòria circular, augmentant constantment la velocitat. Finalment, sortien llançats de l’instrument amb una força extraordinària. Lawrence va batejar l’instrument amb el nom de «ciclotró», a causa de la trajectòria circular que seguien les partícules.

L’any 1931 es va construir un ciclotró més gran que el model original. Va costar 1000 dòlars, i era capaç de produir protons amb una energia superior a un milió d’electró-volts. Al cap de poc, utilitzant ciclotrons encara més grans, es va aconseguir que les partícules assolissin energies de 100 milions d’electró-volts. Avui en dia hi ha instruments basats en el principi del ciclotró que poden produir partícules amb energies de milers de milions d’electró-volts.

Els «projectils» originals de Rutherford havien experimentat millores increïbles. Ara era possible esclafar un àtom i estudiar-ne la runa d’una manera que hauria estat impensable tan sols uns anys abans.

Rutherford morí l’any 1937, havent vist el ciclotró en funcionament. Lawrence va viure prou per veure com el seu instrument contribuïa a augmentar els coneixements sobre l’àtom fins a un punt en què l’energia atòmica va esdevenir una realitat. De fet, a principis de la dècada del 1940, Lawrence participà en la recerca que va desembarcar en la fabricació dels primers reactors nuclears. Va dirigir un programa que tenia com a objectiu separar grans quantitats de l’isòtop urani-235 i aconseguir la producció de l’element artificial plutoni. Els àtoms d’aquests dos elements podien dividir-se en una reacció contínua per proporcionar energia útil, o bé provocar l’explosió devastadora d’una bomba atòmica. Lawrence va morir l’any 1958.

Mentre la radioactivitat va ser tan sols una propietat insòlita de certs elements rars, va tenir molta importància en la física teòrica, però molt poca influència sobre les activitats de l’home.

El que va fer Ernest Rutherford va ser transformar la radioactivitat d’un fenomen en una eina. Mitjançant la utilització de partícules subatòmiques com a projectils va aconseguir rompre l’àtom, la qual cosa li va permetre explorar-ne el nucli atòmic.

Ernest Lawrence inventà una eina millor per fer tot això. Com a resultat del treball de tots dos, l’interior de l’àtom revelà els seus secrets en un període de temps increïblement breu. Vint-i-tres anys després de la primera reacció nuclear artificial, l’home ja sabia com engegar una d’aquestes reaccions i mantenir-la controlada com una mena de «forn» nuclear. Fa molts milers d’anys l’home havia après, d’una manera semblant, a fer foc i utilitzar-lo per a les seves necessitats.

Les conflagracions nuclears poden representar un gran perill per a la humanitat, però també podríem dir el mateix de les guerres convencionals. D’una cosa aparentment tan simple com el foc, l’home, malgrat els perills, n’ha tret beneficis incalculables. Serà capaç de demostrar el mateix seny amb els focs nuclears que ara controla?