Els empèdocles moderns – James Chadwick (1932) i l’element 0 (n) – neutroni (nilnilnili, Nnn)

Després d’haver recorregut les 110 entrades del catàleg de nebuloses i cúmuls estel•lars de Charles Messier i Pierre Méchain, emprendrem ara un camí d’extensió similar. Tècnicament, el nombre d’elements químics és obert, però si ens centrem en els elements químics descoberts, el nombre, a hores d’ara (2014) és de 118. Un nombre gens elemental. Elements. Elementa, en llatí. Στοιχεῖα, en grec. La paraula “στοιχεῖον”, aplicada habitualment a les lletres de l’alfabet, Plató l’empra per referir-se als “στοιχεῖα τοῦ παντός”, en referència a les quatre “ῥιζὤματα” que Empèdocles d’Agrigent identificava com a “arrels” materials de tot l’univers: “τέσσαρα γὰρ πάντων ῥιζώματα πρῶτον ἄκουε· Ζεὺς ἀργὴς Ἥρη τε φερέσβιος ἠδ’ Ἀιδωνεύς Νῆστίς θ’, ἣ δακρύοις τέγγει κρούνωμα βρότειον” (“I primer sentireu les arrels quàdruples de totes les coses: Zeus flamejant, Hera vivificadora, Aidoneu i Nestis que amb les llàgrimes omple les fonts peribles”). Zeus és el foc, Hera l’aire, Aidoneu és la terra i Nestis és l’aigua. És discutible fins quin punt els “quatre elements” entren en el pensament de la Mediterrània a través del filòsof greco-sicilià, però és a través d’Empèdocles que els adopta l’Acadèmia platònica i, especialment, el Liceu aristotèlic. La idea dels “quatre elements” es mantindrà durant més de dos mil•lennis, i s’empeltarà en la formulació dels “elements químics”, una primera expressió dels quals trobem en el “Traité élémentaire de chimie” (1789), d’Antoine de Lavoisier on s’ofereix una llista de trenta-tres “substàncies simples” o “elements dels cossos” (llum, calor, oxigen, azot, hidrogen, sofre, fòsfor, carbó, radical muriàtic, radical fluòric, radical boràcic, antimoni, arsènic, bismut, cobalt, coure, or, ferro, plom, manganès, mercuri, molibdè, níquel, platí, argent, estany, tungstè, zinc, cal, magnesi, barita, argila, sílex). En temps de Jöns Jakob Berzelius la llista s’havia modificat i ampliat fins a quaranta-nou elements químics (1818). Aquesta proliferació d’elements fou combatuda amb un esforç d’ordenament dels mateixos, que culmina en el 1869 amb la publicació de la taula periòdica de Dmitri Mendeleev, que incloïa els 66 elements coneguts i espais per a elements químics teòrics desconeguts. Hom havia passat ja del concepte d’element químic al d’element atòmic, i Mendeleev ordenava els elements d’acord amb el seu “pes atòmic”, amb alguna excepció. El desplegament de la taula periòdica dels elements permeté parlar d’un “nombre elemental”, en la idea que cada element químic era definit per un nombre natural. El concepte d’àtom també havia estat manllevat de la filosofia clàssica (per bé que rebutjat per l’aristotelisme). Àtom vol dir, etimològicament indivisible, però els corpuscles de càrrega elèctrica negativa descoberts per J. J. Thomson (1897) alterarien aquesta visió. L’àtom era integrat, doncs, per partícules de càrregues positives i negatives que s’autocompensaven. Ja en el 1911, Antonius van den Broek suggeria que el “nombre elemental” era equivalent a la càrrega positiva central de l’àtom tal com l’havia modelitzat Ernest Rutherford. En el model de Rutherford, un àtom es defineix químicament pel nombre de protons (les partícules centrals o nuclears), el qual determina el nombre d’electrons de la coberta (del qual depenen les propietats “químiques”). Les taules periòdiques comencen gairebé sempre pel nombre 1, corresponent a l’hidrogen. Però ja en el segle XIX apareix la discussió de si el conjunt de “nombres naturals” inclou o no el nombre 0. En el 1926, Andreas von Antropoff presentava “una nova forma del sistema periòdic d’elements” que contemplava “l’element de nombre atòmic zero”, al qual donava el nom de “neutroni”, bo i admetent el caràcter conjectural d’aquest element. El cas és que en aquella època encara era per explicar, en termes rutherfordians, la discrepància entre el “nombre atòmic” i el “pes atòmic”. Alguns autors sostenien que en el nucli atòmic hi devia haver una partícula neutra, de massa lleugerament superior a la del protó. Aquesta partícula fou descoberta en el 1932, per James Chadwick. La proposta de Von Antropoff ha caigut, però, en sac foradat. Ens sembla, però, que hem de començar aquesta sèrie pel nombre 0.

Al•legoria dels quatre elements, dos de femenins (l’aigua i la terra) i dos de masculins (el foc i l’aire), dos de joves (aigua i foc) i dos de vells (aire i terra), pintat en el 1611 per Louis Finson (mort el 1617).

James Chadwick i la descoberta del neutró

James Chadwick (*Bollington, Cheshire, Anglaterra, 20.10.1891) s’havia format en el Departament de Física de la Victoria University of Manchester, encapçalat per Ernest Rutherford. Sota la direcció de Rutherford, Chadwick realitzà el projecte de recerca del darrer curs de física sobre un mètode per comparar quantitativament les emissions radioactives de dues fonts diferents. En el 1911, es graduà en física, i continuà en el departament fer un mestratge (1912) adreçat a la mesura d’absorció de radiacions gamma per part de gasos i líquids. Chadwick havia depès sempre de beques per continuar els estudis, i fou gràcies al programa “1851 Exhibition Scholarship”, que va poder fer una estada al Physikalisch-Technische Reichsanstalt, de Berlín, per estudiar la radiació beta sota la direcció de Hans Geiger, antic col•laborador de Rutherford. En l’estada a Berlín, iniciada el 1913, Chadwick mostrà que la radiació beta produïa un espectre electromagnètic continu. L’esclat bèl•lic de l’agost del 1914 va suposar que els residents anglesos a Alemanya fossin internats. Chadwick anà a parar al camp de Ruhleben, prop de Berlín. Les autoritats del camp permeten Chadwick d’establir un petit laboratori. La comercialització de productes radioactius de tota mena, començant per pasta de dents enriquida amb minerals radioactius, feia relativament fàcil obtenir reactius per a la recerca sobre partícules radioactives. No obstant, amb l’ajut de Charles D. Ellis, la recerca de Chadwick en condicions tan precàries s’orientà a temes diversos, com la ionització del fòsfor, la reacció fotoquímica del monòxid de carboni i de clorur, etc. Chadwick no fou alliberat fins després de l’Armistici, quan va poder tornar a Manchester. Rutherford l’acollí de nou, i Chadwick compaginà la docència i la recerca.

Estudis de Chadwick sobre la càrrega elèctrica dels nuclis de platí, argent i coure demostraven empíricament la identitat entre aquesta càrrega nuclear i el nombre atòmic. Quan Rutherford esdevingué (abril del 1919), director del Laboratori Cavendish, de la Universitat de Cambridge, Chadwick el seguí, alhora que començava el treball de tesi doctoral. La tesi, defensada reeixidament el 1921, la dedicà a la qüestió dels nombres atòmics i a les forces internes del nucli atòmic. Rutherford (1920) suggeria que la discrepància entre el nombre atòmic i la massa atòmica es podia explicar per l’existència en el nucli d’una partícula de càrrega neutra. Segons Rutherford, no calia pensar en una partícula subatòmica nova, sinó que podia tractar-se d’un complex protó-neutró. Per exemple, el nombre atòmic del platí és de 78, mentre la massa atòmica és de 195. Això es podria explicar si el nucli del platí (Pt) contingués 195 protons i 117 electrons, de manera que la càrrega nuclear neta fos de 78 càrregues positives, contrarestades pels 78 electrons addicionals de l’escorça atòmica.

El laboratori de Rutherford, en el 1926

Chadwick ja havia creuat la frontera de la trentena. En el 1923 ocupà la posició de Director Ajudant de Recerca, des d’on, al costat de Rutherford, participava en la selecció, orientació i supervisió dels estudiants de doctorat. L’agost del 1925 es casà amb Aileen Stewart-Brown, filla d’un corredor de la borsa de Liverpool, amb la qual seria pare de dues bessones, el febrer del 1927, que rebrien els noms de Joanna i Judy.

La qüestió del nombre atòmic i de la seva relació amb el nucli atòmic era més oberta que mai. La proposta del “neutroni”, d’Andreas von Antropoff (1926), recollida en la representació espiral de la taula periòdica de Charles Janet (1928), tampoc no ajudava gaire. Més amenaçadora era la introducció de la física quàntica a la comprensió del nucli atòmic. En el 1925, s’havia consolidat el concepte d’espín, com a moment angular intrínsec associat amb partícules, i que servia per explicar els espectres atòmics i l’anomenat efecte Zeeman. La idea dels electrons nuclears, però, era incompatible amb l’espín. Rutherford també havia sostingut la possibilitat alternativa d’una partícula nuclear neutra: però calia demostrar-la.

En una Conferència a Cambridge partícules beta i raigs gamma, Chadwick retrobà al seu antic mentor alemany, Geiger. Amb el comptador Geiger-Müller i amb una mostra de poloni (Po), procedent del laboratori de Lise Meitner, Chadwick encomanà a Hugh Webster que examinés els experiments que havien fet Walter Bothe i Herbert Becker. Bothe i Becker havien estudiat una radiació inusual procedent d’una reacció de bombardeig de beril•li (Be) amb partícules de poloni. Webster i Chadwik construïren un cilindre que contingués una font de poloni i una diana de beril•li, i que conduís la radiació resultant a una parafina i a una cambra d’ionització vinculada a un oscil•loscopi. Dues setmanes després dels primers experiments, Chadwick trametia una lletra a la revista Nature, titulada “Possible Existence of a Neutron”, que fou publicada el 27 de febrer del 1932. La hipòtesi de Chadwick servia per explicar les observacions de Bothe & Becker i les dels Joliot (1932).

La descoberta del neutró resolia un problema teòric, tal com posaren ben aviat de manifest Robert Backer i Edward Condon, o Niels Bohr i Werner Heisenberg. Però també obria la possibilitat de sintetitzar en el laboratori elements transurànics. La rellevància de la descoberta del neutró li valgué a Chadwick rebre el Premi Nobel de Física del 1935, a menys de quatre anys de la publicació de la troballa.

Chadwick i Rutherford s’allunyaren progressivament en aquells anys. Rutherford no entenia la insistència de Chadwick en la rellevància de les grans instal•lacions, com el ciclotró d’Ernest Lawrence a Califòrnia, en la recerca en física nuclear. Així, el març del 1935, Chadwick acceptà la càtedra “Lyon Jones” de física de la Universitat de Liverpool, que assumí el mes d’octubre. Tot era per fer, però Chadwick aconseguí que, el juliol del 1939, Liverpool tingués el seu ciclotró. El cost total fou de 5.184 lliures, de les quals 4.000 lliures provingueren de la mateixa Universitat i de la Royal Society, i la resta les hi posà ell.

L’estiu del 1939, Chadwick viatjà amb la família per passar unes merescudes vacances al nord de Suècia. L’esclat de la guerra li recordà els fets viscuts vint-i-cinc anys abans. Suècia, teòricament, era un país neutral, però la perspectiva de patir un nou internament i, a més fer-ho ara amb família, li era terrible. Aconseguiren arribar a Estocolm, però l’espai aeri ja havia quedat tancat per la situació bèl•lica. Van embarcar-se en un mercant i arribaren sans i estalvis a Liverpool. A Liverpool acollí Joseph Rotblat, refugiat de la Polònia envaïda per alemanys i russos. Li arribà un encàrrec del Departament de Recerca Científica i Industrial del govern britànic relacionat amb la factibilitat d’una bomba atòmica. Chadwick & Rotblat investigaren les possibilitats de l’òxid d’urani (UOx), però tant els resultats empírics com les consideracions teòriques consideraven morta aquella via. Altres investigadors, però, havien determinat que la massa crítica d’una bomba d’urani-235 pur podia no arribar a les 2,2 lliures i produir la potència explosiva a tones de dinamita. Chadwick fou cridat a formar part d’un subcomitè especial, presidit per sir George Thomson. Chadwick va dir en una ocasió a George Pegram i Harold Urey: “m’agradaria poder dir-vos que la bomba no funcionarà, però estic segur en 90% que ho farà”. Les filles de Chadwick foren evacuades al Canadà. El novembre del 1943, Chadwick visità les instal•lacions del Projecte Manhattan. La primavera del 1944 aconseguia reunir la família, sota el nom de James Chaffee, a Los Alamos (New Mexico). L’aparell que havia fet servir 13 anys abans per descobrir el neutró ara es reencarnava en l’iniciador de poloni-beril•li de la bomba d’urani. L’abril del 1945, s’instal•laren a Washington. El juliol del 1945, es feia la primera detonació nuclear i l’agost del 1945, dues bombes atòmiques queien sobre les ciutats d’Hiroschima i Nagasaki. Chadwick va rebre el títol de Sir. En el 1948, esdevenia Master del Gonville and Caius College, de Cambridge, el col•legi on havia fet la seva preparació pre-doctoral. Ocupà el càrrec fins a retirar-se, en el 1958. El Cap d’Any del 1970 assistí al Palau de Buckingham, on fou fet “Companion of Honour” pels “serveis a la ciència”. Va morir-se a Cambridge, mentre dormia, el 24 de juliol del 1974, a 82 anys.

El neutroni: isòtops i abundància

El neutroni o neutri seria, doncs, la substància integrada exclusivament per neutrons. El nucli del neutroni consistiria en un o més neutrons, i en cap protó. L’absència de protons li dóna el nombre atòmic de 0.

Fragment de la taula periòdica dels elements on s’inclou el neutroni (n) o element zero (Ez). James Paily es feia ressò el febrer del 2012 de “Mass Effect 3”, un dels nombrosos exemples de ficcions on s’anomena l’element de nombre atòmic nul. El neutroni apareix en algunes representacions espirals del sistema periòdic, com les d’E. I. Emerson (1944), John D. Clark (1950) o Philip Stewart (2005)

Tècnicament, el neutroni-1 (1n) equival al neutró lliure o mononeutró. La vida mitjana del neutró lliure és de 881,5 ± 1,5 s. El neutró lliure dóna lloc aviat a un protó:

n0 → p+ + e + νe

O, si es vol, podem dir que l’element n (Z=0, A=1) és inestable i decau a l’element H (Z=1, A=1) amb una semivida de 10.24±0.02 minuts (vegeu un exemple d’aquest tractament)

Que en un diagrama de Feynman s’escriu així:

Com indica el diagrama, el neutró no és una partícula fonamental, com tampoc no ho és el protó. El neutró resulta de la combinació gluònica de tres quarks, dos de sabor ‘down’ (d) i un de sabor ‘up’ (u). Els tres quarks, cadascun d’un “color” diferent (vermell, verd, blau) donen lloc a una partícula cròmicament neutra. El neutró és una partícula neutra elèctricament perquè la càrrega del quark up (+ 2/3) és compensada per la dels dos quark down (- 1/3, cadascun). L’antineutró, descobert per Bruce Cork (1956), és igualment neutre, però és integrat per un antiquark up (de càrrega elèctrica – 2/3) i dos antiquarks down (+ 1/3, cadascun).

La “Galàxia Química”, de Philip Stewart, inclou en el centre radial el neutroni (n). Cal evitar l’ús de la N0 com a símbol del neutró, per la possible confusió amb el nitrogen (N)

El dineutró (2n) és una partícula (Z=0, A=2), formada per dos neutrons. Spyrou et al. (2012) reportaren l’observació d’emissió de dineutrons en la descomposició del beril•li-16 (16Be). Aquesta observació és un punt a favor d’incloure el neutroni en la taula periòdica o, si més no, en la taula de nuclis atòmics

El trineutró (3n) no ha estat ni hipotetitzat ni observat.

El tetraneutró (4n) és una partícula hipotètica (Z=0, A=4), formada per quatre neutrons. Francisco-Miguel Marqués ha hipotetitzat l’emissió de tetraneutrons en la descomposició del beril•li-14 (14Be).

El pentaneutró (5n) ha estat estudiat teòricament per J. J. Bevelacqua (1981). Ni el pentaneutró ni isòtops més massius del neutroni no han estat ni predits ni observats.

Hom pot argumentar fortament en favor de l’exclusió del neutroni de qualsevol “taula periòdica dels elements” el fet que el neutró lliure (i el dineutró i el tetraneutró) no té cap coberta electrònica i, per tant, no és cap àtom. Tot el més, és un “nucli atòmic” o, per més ben dir, un “núclid”. Com que no hi ha coberta electrònica, n és químicament inert. L’associació entre un neutró i un electró donaria lloc a l’ió neutroni (1n-1), però aquesta partícula no ha estat ni tan sols hipotetitzada.

Els estels de neutrons

Hom ha emprat de vegades el terme “neutroni” per referir-se al material present en els nuclis dels estels compactats. Hi ha bones raons per desaconsellar-ho. La composició dels estels de neutrons és matèria de debat.

Hom suposa que els estels de neutrons són integrats per “matèria degenerada”, és a dir, en estats en els quals degenera l’anomenat “principi d’exclusió de Pauli”, que impedeix que fermions idèntics ocupin un mateix estat quàntic. Hi ha diversos nivells de matèria degenerada: degeneració electrònica, degeneració protònica, degeneració neutrònica i degeneració quàrquica. Encara podríem afegir una degeneració preònica (assumint que els quarks són integrats per preons, i que els preons són les partícules veritablement fonamentals). Els primers estadis de degeneració comporten la formació d’una matèria nuclear, un fluid format per protons i neutrons lliures. Els estadis ulteriors impliquen una matèria quàrquica (matèria QCD, matèria estranya).

Sigui com sigui, els estels de neutrons podrien ésser constituïts per totes aquestes menes de matèria compactada:

És en el mantell on trobaríem neutrons lliures. Ara bé, els trobem barrejats amb protons i electrons. En les capes més exteriors, també hi hauria presència de núclids, mentre que en les interiors, el líquid de Fermi de neutrons-protons degenera encara en un plasma de quarks-gluons.

Les densitats mitjanes dels estels de neutrons són esfereïdores. Si la densitat material típica d’un nucli atòmic és de 3•1017 kg/m3, la dels estels de neutrons oscil•la entre 3,7-5,9•1017 kg•m3. En el nucli dels estels compactats, els valors arriben a 8•1017 kg•m3.

La principal prova de l’existència dels estels de neutrons la constitueixen els estels pulsars. En la imatge veiem el pulsar de la Nebulosa del Cranc (l’M1, amb la qual començàvem el viatge interestel•lar conclòs la setmana passada), PSR B0531+21. Nosaltres el veiem tal com era 960 anys després de l’explosió de la supernova respectiva. L’animació, que reprodueix les emissions d’infraroig de 800 nm, es passa a velocitat lenta, ja que el cicle de pulsacions és de 33 mil•lisegons. La regularitat i potència d’aquests objectes va fer que, quan foren descoberts, en el 1967, hom arribés a sospesar la possibilitat que fossin objectes artificials.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
One comment on “Els empèdocles moderns – James Chadwick (1932) i l’element 0 (n) – neutroni (nilnilnili, Nnn)
  1. […] és la sèrie dels nombres naturals. Nosaltres ens permetíem, però, la llibertat d’afegir un capítol d’entrada (dedicat a Z=0), que converteix aquesta sèrie en la sèrie dels nombres enters no-negatius. Si el […]

Els comentaris estan tancats.

%d bloggers like this: