3.2: Serendipia en la Ciencia - Rayos X y Radiactividad
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- Comprender la significación del descubrimiento de los rayos X y la radiactividad para la visión moderna de la estructura del átomo.
El descubrimiento de la radiactividad tuvo lugar a lo largo de varios años comenzando con el descubrimiento de radiografías en 1895 por Wilhelm Conrad Roentgen y continuando con personas como Henri Becquerel y la familia Curie. La aplicación de rayos X y materiales radiactivos es de gran alcance en la medicina y la industria. El material radiactivo se utiliza en todo, desde reactores nucleares hasta soluciones salinas infundidas con isótopos. Estas tecnologías nos permiten utilizar grandes cantidades de energía y observar sistemas biológicos de formas impensables hace menos de un siglo. Como se discutirá en la sección3.4, el físico británico Ernest Rutherford (1871-1937) realizó experimentos (basados en la obra de Curies) que llevaron a la visión moderna de la estructura del átomo.
Roentgen: El descubrimiento de los rayos X
De la Sección 3.1, vimos cómo J. J. Thomson descubrió el electrón 
usando tubos de rayos catódicos (CRT). En noviembre de 1895, un físico alemán llamado Wilhelm Roentgen (Röntgen) utilizó esta misma tecnología para descubrir la radiografía. El rayo de Roentgen se originó en el TRC y reaccionó con una pantalla de platinocianido de bario para fluorescer. Después de ver esto, Roentgen colocó objetos entre este rayo y la pantalla. Señaló que el rayo seguiría penetrando sustancias y dejaría una imagen en película fotográfica.
Al nombrar este tipo de radiación, Roentgen reflexionó sobre sus experimentos. No pudo explicar con confianza sus observaciones. Por ello, decidió llamar a este nuevo tipo de radiación la radiografía. A lo largo de su vida, continuó explorando esta tecnología e incluso utilizó a su esposa como sujeto de prueba (consulte el capítulo 1 para su imagen de rayos X). Al no patentar nunca esta invención, Roentgen compartió libremente la radiografía con otros investigadores y profesionales médicos. En 1901, fue galardonado con el Premio Nobel de Física por su trabajo con la radiografía.
Al igual que con cualquier nueva tecnología, la gente buscó formas de aplicar la radiografía a la vida cotidiana. Thomas Edison, el inventor de la bombilla, pensó que la persona promedio debería tener una máquina de rayos X en su hogar. Diseñó máquinas de rayos X para que fueran más pequeñas y portátiles. Desafortunadamente, muchos de sus técnicos murieron por envenenamiento por radiación.
Hand mit Ringen (Mano con anillos): impresión de la primera radiografía “médica” de Wilhelm Röntgen, de la mano de su esposa, tomada el 22 de diciembre de 1895.
Figura\(\PageIndex{2}\): (izquierda) Foto de Wilhelm Conrad Roengten, el descubridor de radiografías. (derecha) Operación quirúrgica durante la Primera Guerra Mundial usando un fluoroscopio que utilizó rayos X para encontrar balas incrustadas
Durante la época de Edison, la gente organizaba fiestas de rayos X en sus hogares. El anfitrión de estas reuniones permitiría a los invitados radiografiar diferentes partes de su cuerpo. La gente dejaría estos eventos con sus recuerdos enmarcados. Incluso se utilizaron radiografías para medir el tamaño del pie. Aparatos como el fluoroscopio fueron colocados en zapaterías. Técnicos, consumidores y observadores podían mirar en los oculares mientras el pie estaba siendo radiografiado. La exposición innecesaria a la radiación no se consideró como un peligro durante estos tiempos. En esta época, la mayoría creía que esta era la forma más precisa de medir el pie.
En noviembre de 1896 se publicó en Nature un artículo titulado “Los efectos nocivos de los rayos X”. El testigo fue un demostrador de rayos X durante el verano en Londres. Por lo tanto, se pagó durante todo el verano a razón de varias horas diarias de exposición. Testificó: “En las dos o tres primeras semanas no sentí ningún inconveniente, pero después de un tiempo aparecieron en los dedos de mi mano derecha muchas manchas oscuras que perforaban debajo de la piel, y poco a poco se volvieron muy dolorosas; el resto de la piel estaba roja y fuertemente inflamada Mi mano estaba tan mala que estaba constantemente obligado a bañarlo en agua muy fría Una pomada calma momentáneamente el dolor pero la epidermis se había secado se había vuelto dura y amarilla como pergamino y completamente insensible, así que no me sorprendió cuando mi mano comenzó a pelarse. “
“Pronto la piel y las uñas se caen y los dedos se hinchan, permaneciendo constante el dolor. Perdí la piel de mis manos derecha e izquierda, y cuatro de mis uñas han desaparecido de la mano derecha y dos izquierda y otras tres estaban listas para caerse. Durante más de seis semanas no pude sostener nada en mi mano derecha y no puedo sostener una pluma desde la pérdida de mis uñas...”
Figura\(\PageIndex{3}\): Intoxicación por radiación por sobreexposición de radiografías.
Diferentes aplicaciones utilizan diferentes partes del espectro de rayos X.
Figura\(\PageIndex{4}\): Los rayos X forman parte del espectro electromagnético, con longitudes de onda más cortas que la luz visible.
El descubrimiento de la radiactividad
Cuando Becquerel se enteró del descubrimiento de Roentgen, se preguntó si sus minerales fluorescentes darían las mismas radiografías. Becquerel colocó algunos de sus cristales de roca sobre una placa fotográfica bien cubierta y los sentó a la luz del sol. La luz del sol hizo que los cristales brillaran con una luz fluorescente brillante, pero cuando Becquerel desarrolló la película se sintió muy decepcionado. Encontró que sólo uno de sus minerales, una sal de uranio, había empañado la placa fotográfica. Decidió volver a intentarlo, y esta vez, dejarlos afuera al sol por un periodo de tiempo más largo. Afortunadamente, el clima no cooperó y Becquerel
tuvo que dejar los cristales y la película almacenados en un cajón durante varios días nublados. Antes de continuar con sus experimentos, Becquerel decidió revisar una de las placas fotográficas para asegurarse de que los químicos seguían siendo buenos. Para su asombro, encontró que la placa había sido expuesta en manchas donde había estado cerca de las rocas que contenían uranio y algunas de estas rocas no habían sido expuestas en absoluto a la luz solar. En experimentos posteriores, Becquerel confirmó que la radiación del uranio no tenía conexión con la luz o la fluorescencia, pero la cantidad de radiación era directamente proporcional a la concentración de uranio en la roca. Becquerel había descubierto radiactividad.
Figura\(\PageIndex{5}\): Imagen de la placa fotográfica de Becquerel la cual ha sido empañada por la exposición a la radiación de una sal de uranio. La sombra de una Cruz de Malta metálica colocada entre la placa y la sal de uranio es claramente visible (Dominio Público).
Los Curies y el Radio
Una de las ayudantes de Becquerel, una joven científica polaca llamada Maria Sklowdowska (para convertirse en Marie Curie después de casarse con Pierre Curie), se interesó por el fenómeno de la radiactividad. Con su marido, decidió averiguar si los productos químicos distintos al uranio eran radiactivos. El gobierno austriaco se mostró contento de enviar a los Curies una tonelada de pitchblende de la región minera de Joachimstahl porque era material de desecho que tenía que desecharse de todos modos. Los Curies querían la pitchblende porque era el residuo de la minería de uranio. De la tonelada de pitchblende, los Curies se separaron\(0.10 \: \text{g}\) de un elemento previamente desconocido, el radio, en forma del cloruro de radio compuesto. Este radio era muchas veces más radiactivo que el uranio.
Para 1902, el mundo estaba al tanto de un nuevo fenómeno llamado radiactividad y de nuevos elementos que exhibían radiactividad natural. Para esta obra, Becquerel y los Curies compartieron el Premio Nobel de Física 1903. Estos tres investigadores continuaron trabajando con materiales radiactivos peligrosos. Experimentaron diversos padecimientos entre ellos quemaduras y debilidad al tocar estas sustancias. En 1906, Pierre Curie cayó por accidente debajo de un carro tirado por caballos. Inmediatamente murió a causa de sus heridas y dejó a Marie con dos hijos pequeños (Irene, de 9 años y Eva, de 2 años). Después de su muerte, Marie continuó su investigación identificando un nuevo elemento, el Polonio. En 1911, fue galardonada con el Premio Nobel de Química por los descubrimientos de radio y polonio. A partir de hoy, Marie Curie es la única persona que ha recibido dos premios Nobel en las ciencias.
Video\(\PageIndex{2}\): Todo el mundo sabe que ganar el Premio Nobel es un gran problema, pero ¿por qué tenemos siquiera un Premio Nobel? ¿Y por qué importa?
Resumen
- Henri Becquerel, Marie Curie y Pierre Curie compartieron el descubrimiento de la radiactividad.
- Wilhelm Roengtgen utilizó tubos de rayos catódicos para descubrir los rayos X.
Colaboradores y Atribuciones
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