El átomo se rompe

La física de partículas empieza con una ironía: la palabra átomo viene del griego átomos, «que no se puede cortar». Entre 1897 y 1932 se cortó cuatro veces. Cada corte fue un experimento concreto, con un aparato que cabía en una mesa, y cada uno dejó un número que merece la pena mirar de cerca. Antes de entrar, el mapa completo del siglo — vuelve a él cuando quieras situarte:

1897 · El electrón: el átomo tiene piezas

En el laboratorio Cavendish, J. J. Thomson estudiaba los rayos catódicos: ese resplandor que cruza un tubo de vacío cuando se aplica un voltaje entre dos electrodos. La pregunta del momento era si eran ondas o partículas. Thomson los desvió con campos eléctricos y magnéticos a la vez, y de ahí extrajo el cociente entre su carga y su masa, $e/m$.

El resultado era escandaloso: $e/m$ salía unas 1.800 veces mayor que el del ion de hidrógeno, el átomo más ligero conocido. Solo había dos salidas: o la carga era enorme, o la masa era diminuta. Y lo decisivo — el detalle que convierte una curiosidad en un descubrimiento — es que el valor era el mismo cambiara lo que cambiara: el gas del tubo, el metal del cátodo. No era un fragmento de ningún átomo en particular. Era un ingrediente universal de todos. Thomson lo llamó «corpúsculo»; el nombre que cuajó fue electrón.

1911 · El núcleo: el átomo está casi vacío

Si el átomo tiene electrones con carga negativa y es neutro, ¿dónde está la carga positiva? El propio Thomson propuso el modelo del pudin de pasas: una esfera difusa de carga positiva con los electrones incrustados como pasas. Razonable, elegante — y falso.

Rutherford, con Geiger y Marsden, disparó partículas alfa — proyectiles pesados y rápidos que escupe la radiactividad — contra una lámina de oro de menos de una micra. Si el pudin fuera cierto, la carga positiva estaría tan repartida que ninguna alfa notaría gran cosa: desviaciones de fracciones de grado. La mayoría, en efecto, pasaba de largo. Pero una de cada 8000 rebotaba hacia atrás, más de 90 grados. Rutherford lo contó así: era «como disparar un obús de 15 pulgadas contra un papel de fumar y que el obús rebote y te golpee».

Un rebote así exige un choque contra algo compacto y masivo: toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo concentradas en una mota central — el núcleo. En 1919 Rutherford remató la faena: bombardeando nitrógeno arrancó núcleos de hidrógeno. El núcleo de hidrógeno era, pues, un ladrillo universal de los demás núcleos, y le dio nombre propio: protón, con masa $938{,}3\ \mathrm{MeV}/c^2$ — 1836 electrones.

1905 · El fotón: la luz también viene en paquetes

Mientras el átomo se rompía, a la luz le pasaba algo igual de grave. Planck había descubierto en 1900 que solo podía explicar la radiación de los cuerpos calientes si la energía se intercambiaba en paquetes discretos — y lo consideró un truco matemático. Einstein en 1905 se lo tomó en serio: en el efecto fotoeléctrico, la luz arranca electrones de un metal como si fuera una lluvia de proyectiles, cada uno con energía

donde $f$ es la frecuencia de la luz y $h$ la constante de Planck. Subir la intensidad de la luz arranca más electrones, pero no más rápidos; subir la frecuencia los arranca más rápidos. Eso solo tiene sentido si la luz llega en paquetes: fotones. El escepticismo duró hasta 1923, cuando Compton mostró que un fotón rebota contra un electrón exactamente como una bola de billar: con energía y momento que se conservan choque a choque.

Para calibrar la escala: un fotón de luz verde ($\lambda = 550$ nm) lleva unos 2,3 eV. Una bombilla de 60 W emite del orden de $10^{20}$ fotones por segundo — por eso la luz cotidiana parece continua: el paquete es minúsculo y llegan a espuertas. Un fotón de radio FM (100 MHz) lleva $4 \times 10^{-7}$ eV; uno de rayos gamma, millones de eV. Misma partícula, catorce órdenes de magnitud de energía.

1932 · El neutrón: la pieza que faltaba

Quedaba una contabilidad sin cuadrar. El helio tiene carga $+2e$ (dos protones) pero pesa como cuatro protones. ¿De dónde salen las otras dos unidades de masa? Durante los años veinte se parcheó con electrones y protones extra dentro del núcleo, pero nada funcionaba bien.

En 1932 Chadwick estudió una radiación misteriosa que salía del berilio bombardeado con alfas: penetrante, sin carga, y capaz de arrancar protones veloces de la parafina. ¿Podían ser fotones? Chadwick hizo la cuenta: para dar esos empujones a un protón, un fotón necesitaría unos 50 MeV — diez veces más de lo que ninguna reacción nuclear conocida podía suministrar. En cambio, una partícula neutra con la masa del protón lo explicaba todo sin forzar nada: en un choque frontal entre masas iguales, como en el billar, el proyectil cede su energía de golpe. Era el neutrón: masa $939{,}6\ \mathrm{MeV}/c^2$, apenas un 0,1% más que el protón.

Con él, el átomo quedó cerrado y la tabla periódica explicada: helio = 2 protones + 2 neutrones + 2 electrones; los isótopos de un elemento son núcleos con los mismos protones y distinto número de neutrones. Tres piezas bastaban para toda la química. La física de partículas podría haberse acabado aquí.

El mismo año, la primera grieta

No se acabó. En agosto de 1932 — el mismo año del neutrón — Carl Anderson fotografió en una cámara de niebla, entre las trazas de los rayos cósmicos, una partícula con la masa del electrón que se curvaba hacia el lado equivocado: carga positiva. Era el positrón, la primera antipartícula — y Dirac la había predicho cuatro años antes con pura matemática, al unir mecánica cuántica y relatividad.

Fíjate en el cambio de guion. Electrón, núcleo, protón, neutrón: piezas que explicaban la materia de siempre. El positrón no explicaba nada pendiente; nadie lo había pedido. La naturaleza empezaba a entregar partículas por su cuenta, y durante las dos décadas siguientes no pararía — muones, piones, partículas «extrañas» — hasta desbordar todos los esquemas. Ese desconcierto es el próximo artículo.

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