lunes, 21 de noviembre de 2016

7 EL MODELO DEL NÚCLEO ATÓMICO I, LA BOMBA ATÓMICA

¿Alguna vez han escuchado del mito de la caja de Pandora? Pues el proyecto Manhattan no es un mito, pero desató en el mundo una paranoia inconmensurable sobre el fin del mundo tal como lo conocemos, aunque gracias a ella, las guerras de escala total entre potencias es un recuerdo del pasado, el terror de la mutua aniquilación nuclear impidió efectivamente la aparición de la III guerra mundial, pero también a degenerado en nuestro mundo actual donde las guerras de estados periféricos dependientes de las grandes potencias directa o indirectamente sigue sumergiéndonos en una gran espiral de caos, ahora bien, ¿cuál fue la historia científica que ha forjado nuestra realidad moderna?

Hasta ahora hemos hablado del átomo de Dalton, Thomson hasta llegar a Rutherford y el descubrimiento del núcleo atómico en 1911. Pero ¿cómo se llegó de un simple descubrimiento científico depositado en una revista especializada a un arma de destrucción masiva? El marco de tiempo entre uno y otro evento es de apenas 34 años. La respuesta evidente es la carrera armamentista generada por las guerras. Muchos de los científicos nucleares de segunda generación que debieron ser alumnos de Rutherford y su grupo de investigación debieron servir como oficiales comisionados durante la primera guerra mundial, por lo que al regresar a sus laboratorios comprendieron muy bien el terror que desencadenaba el conflicto armado y en consecuencia asumirían dos posturas, un pacifismo extremo o un militarismo extremo cuando las condiciones políticas de sus países así lo determinaran. 

Durante la década de los 30 el populismo se difundió por Europa de un modo semejante al que cunde actualmente en Estados Unidos y la propia Europa, el populismo conllevó al nacionalismo y este a una carrera armamentista entre la Alemania Nazi y las demás potencias, pronto los científicos quedaron alineados como peones que creaban armas a favor o en contra de su voluntad. Al final el odio a los Nazis provocó que muchos de los más prominentes en el campo del estudio del núcleo se alinearan con los Aliados durante la II guerra mundial y desarrollaran la gran bomba, una bomba que permitiría algo que no se había conocido en la historia de la guerra, destruir una ciudad con una sola bomba. Adicionalmente, las bombas también abrieron el camino para el uso civil de la energía nuclear, la cual no carece de problemas. En la siguiente serie de artículos trabajaremos los conceptos que permiten comprender el funcionamiento de las bombas y los reactores nucleares (Cornwell, 2004).

Como cualquier cuestión sociocientífica es importante que el docente establezca el impacto en la opinión de los estudiantes sobre el desarrollo de este tipo de tecnologías.

7.1 Un modelo para la estructura interna del núcleo

El modelo de Rutherford planteaba más preguntas que respuestas, Perrin había formulado el modelo planetario, pero se había aceptado el de Thomson para evitar la paradoja del colapso de los electrones. Lo anterior nos lleva a dos problemas que plantea el modelo de Rutherford que posteriormente darán lugar a dos programas de investigación. Los que siguieron trabajando en la paradoja del colapso darían lugar a los modelos de Bohr y el modelo cuántico, sin embargo estos modelos solo tienen que ver con la distribución de los electrones en torno al núcleo.

En el modelo original de Rutherford el núcleo no tiene una estructura interna, matemáticamente fue tratado como un punto, una partícula –todo lo que no se sabe en física siempre se lo modela como una bola de billar –pero el átomo que todos conocemos posee un núcleo con estructura interna. Lo anterior implica el desarrollo de un segundo programa de investigación para el átomo, pero que descontaba a los electrones y se enfocaba en el núcleo. Este programa de investigación desembocaría en poco más de tres décadas en el proyecto Manhattan y la era nuclear.

Al igual que con los modelos atómicos posteriores a Dalton, si nos ponemos quisquillosos podemos afirmar que lo que estamos trabajando es literalmente física y no química, sin embargo estas definiciones filosóficas son poco relevantes en el sentido de que muy probablemente el espacio dedicado para el estudio de los efectos de la radiación sean la clase de química.

La química nuclear –como viene definida por (Chang, 2010)–es el estudio de las reacciones que involucran cambios en el núcleo atómico. Esta rama de la química comenzó con el descubrimiento de la radioactividad natural por Becquerel y creció con el subsecuente trabajo de los esposos Curie. La energía nuclear es una cuestión científica con un impacto social muy amplio, adicional a la producción de bombas, incluso las aplicaciones civiles son controversiales debido a los peligros que involucra.

7.2 Más elementos radioactivos, Pierre y Marie Curie

Esta historia ha de comenzar  in media res de la historia del modelo de Rutherford, justo después del descubrimiento de Becquerel, pero antes de la dispersión de Rutherford-Villard debió acumularse una serie conocimientos sobre las propiedades de los materiales –lo cual justifica que se trate de química y no de física.

Algunas de las propiedades de los rayos de Becquerel eran similares a los de los rayos X. Sin embargo, después de más de 10 años de investigaciones llevadas a cabo por Ernest Rutherford, Paul Villard, Pierre Curie “imagen lateral” y Marie Curie entre otros se demostró que la radiación espontánea del uranio y otros elementos era particularmente compleja. Uno de los experimentos que mejor lo demuestra es la dispersión Rutherford-Villard.

Sin embargo, las investigaciones del grupo de investigación de Rutherford hubieran sido imposibles sin el trabajo de Pierre Curie (1859-1906) y Marie Curie(Marie Curie, 1911; Fröman, 1996; R F Mould, 1999; Pycior, 1993). El trabajo de los esposos Curie se enfocó en la obtención de sales radioactivas y la separación, concentración y purificación de los elementos con propiedades radiactivas. Su trabajo conllevó al aislamiento por métodos químicos de sales de Polonio y de radio puro, así como la obtención de la mezcla de Bario-Radio también con propiedades radiactivas. El trabajo de Pierre y Marie fue colaborativo, mientras que a ella debemos los procesos de aislamiento,  estos no hubieran sido posible sin el mejoramiento del electrómetro por Pierre Curie (Mould, 1998) 15 años antes.

Usando el electrómetro de Pierre, Marie Curie “imagen anterior” (1867-1934) pudo probar que el efecto energético de las sales de uranio podían incrementar la conductividad eléctrica del aire a su alrededor. Empleando esta técnica uno de sus primeros resultados de tesis doctoral fue que la radiación era directamente proporcional al contenido de uranio en la sal y no al componente acompañante o a la interacción entre los elementos (Reid, 1995).

Los estudios de Marie se enfocaron en dos minerales de uranio, la pitchblendita A (M. S. Curie & Curie, 1898) y la torbernita B “también conocida como chalcolita” (Harvie, 1999). 

El electrómetro demostró que la pitchblendita era cuatro veces más activa que el uranio, mientras que la torbernita poseía el doble de actividad, esto implicaba que en estos minerales debía existir otro(s) elementos mucho más activos del el mismo uranio (Reid, 1995). Adicionalmente, comenzó un estudio sistemático de otros minerales, y para 1898 ella había descubierto que el torio era un elemento radiactivo (Curie & Lippmann, 1898; Curie, 1898). Pierre estaba impresionado con el trabajo de su esposa, pero siempre quedó en claro que las hipótesis eran propias de ella (Reid, 1995). Regresando a los dos minerales, estos demostraron ser la fuente de otras sales que contenían elementos muy radiactivos, a los cuales les dieron el nombre de Polonio y Radio en 1898. Esta labor fue monumental, aislar la sal cloruro de radio les tomó hasta 1902, y separar el radio del cloro hasta 1910 (Curie, 1911) pues para lograrlo se requería procesar toneladas del mineral para obtener unos pocos gramos. Con el polonio no tuvieron tanta suerte debido a que transmutaba rápidamente en 128 días después de aislarlo.

Los esposos Curie fueron los primeros en acuñar el término de radiactividad (Curie, 1910) para el efecto de estos elementos, y diferenciarlo de la fluorescencia. Mientras que la primera es espontánea, la segunda requiere de energía solar. Su trabajo entre 1898 y 1902 arrojó 32 artículos científicos, incluyendo uno sobre radioterapia contra células cancerígenas (Curie & Regaud, 1920).

7.3 El descubrimiento de los isótopos

Poco después de la propuesta del modelo atómico planetario mediante el descubrimiento del núcleo atómico, el radioquímico Frederick Soddy (A) (1877-1956) perteneciente al grupo de investigación de Rutheford comenzó a investigar sobre una serie de elementos que habían sudo aislados por los esposos Curie y otros investigadores. Se trataba de elementos pesados con propiedades radiactivas demostradas. La paradoja era que aparentemente se trataba de 40 especies elementales, aunque podían agruparse solo en 11 elementos ya fuera por la teoría periódica o por sus propiedades químicas (Choppin, Liljenzin, & Rydberg, 2002).

Debido a que muchos de estos compartían las mismas propiedades químicas, separarlos por métodos químicos había resultado imposible (Scerri, 2011). Por ejemplo, para la época se habían identificado tres posibles elementos llamados mesotorio, radio y torio X, todos con las mismas propiedades químicas, aun cuando diferían en su peso atómico, y en consecuencia no era posible separarlos mediante métodos químicos (Nagel, 1982). Actualmente los denominados a todos radio, pero radio de diferentes tipos llamados isótopos “radio 228, radio 226 y radio 224 respectivamente”.

Adicionalmente, se probó que la emisión radiactiva de estos elementos con el tiempo conllevaba a una serie de transmutación, en la cual la especie química alteraba todas sus propiedades, tanto físicas “masa” como químicas “reacciones” (Fajans, 1913). Soddy decidió confiar en la teoría periódica y definir que las 40 especies podían ser clasificadas en los 11 elementos que debían proceder entre el plomo y el uranio, es decir, varios de estos debían ser diferentes formas de un mismo elemento. Una conocida de Soddy llamada Margaret Todd (B) (1859-1918) le propuso el nombre de isótopos para designar a las diferentes formas de un mismo elemento (Nagel, 1982).

Poco después comenzaron a identificarse isotopos no radiactivos, por ejemplo con el neón por parte de J. J. Thomson (J J Thomson, 1910; J.-J. Thomson, 1912). Para 1919 una nueva tecnología llamada espectrometría de masas permitió a Francis William Aston (C) (1877-1945) descubrir varios isótopos estables. El trabajo de Aston explica un detalle de la tabla periódica que discutiremos posteriormente (Aston, 1942).


7.4 El descubrimiento del protón

Para el tiempo en que los isótopos fueron descritos, no había nada en el modelo atómico de Rutheford que los explicara, adicionalmente faltaba explicar la organización periódica, la masa atómica de los diferentes elementos y su relación con la posible estructura interna del núcleo. Después de que se planteara nuevamente el modelo planetario en 1911, Antonius van den Broek (1870-1926) propuso que los elementos de la tabla periódica debían organizarse en torno a las cargas positivas presentes en el núcleo y no por la masa atómica, la cual presentaba algunos detalles que no encajaban del todo (Kragh, 2001). En 1913 Henry Moseley (1887-1915) reforzó esta idea de organización mediante el uso de los espectros de rayos X(Lindemann, 1914; Scerri, 1998).

En 1919 Rutheford describió experimentos que proseguían los resultados encontrados en el experimento de la lámina de oro. En este caso se concentró en el efecto de las partículas alfa al golpear el aire. El detector que empleaba comenzó a lanzar señales de núcleos de hidrógeno. Posteriormente modificó el montaje, se emplearía gas de nitrógeno puro. Los resultados esta vez fueron la producción de oxígeno y núcleos de hidrógeno. Dado que las partículas alfa eran reconocidos núcleos de helio, la aparición del núcleo de hidrógeno y oxígeno debía emerger del impacto demostrando que (1) la transmutación de elementos en condiciones de laboratorio era posible y que (2) el hidrógeno era un componente de átomos más pesados(Rutherford & Chadwick, 1921; Yadeta, 2007).

Al núcleo iónico de hidrógeno se le fue dado el nombre de protón, lo cual es un juego de palabras, pro significa primero en griego ya que representaría la primera sustancia o elemento más fundamental. El juego de palabras viene por Prout, el primero que propuso que todos los elementos debían estar hechos de hidrógeno –por un análisis mal hecho de los pesos elementales – y aunque inicialmente el nombre Prouton fue considerado, Protón todavía contiene la raíz del apellido de Prout (Prout & Thomson, 1816; Prout, 1816).

7.5 La masa atómica

Los primeros científicos en intentar definir una unidad para determinar la masa de un elemento fueron John Dalton y Thomas Tomson entre los años de 1803 y 1805. Posteriormente Jöns Jakob Berzelius entre los años de 1808-1826 continuaría la tarea. Debido a que las nociones de peso y masa en física ya habían sido distinguidas en física debido a las ecuaciones de Newton, resulta notable que los químicos mantuvieran la designación de peso atómico incluso hasta la década de los 60s del siglo XX y es así como aparece en la mayoría de las tablas periódicas. 

Los pesos atómicos siempre han tenido un problema, no existe una escala absoluta para definirlos, por lo que debe emplearse una unidad estándar arbitraria. Originalmente para la época de Dalton la unidad elegida fue el hidrógeno al cual se le dio valor de unidad (1) seguido de la hipótesis de Prout de que todos los elementos debían contener múltiplos del hidrógeno (Prout & Thomson, 1816; Prout, 1816). Bezelius demostró que esto no era cierto, y que de hecho había elementos cuyos valores de masa eran totalmente intermedios como en el caso del cloro (35.5).

Adicionalmente, al ser tan pequeña la masa relativa del hidrógeno, resultaba difícil apreciar con exactitud los cambios de masa al sumar hidrógeno con las de otro elemento, conllevando a serias desviaciones. Posteriormente se cambió el elemento patrón al oxígeno asignándole el valor de 100, pero posteriormente se lo alteró a 16 en virtud de que las masas de los demás elementos quedaban muy próximas a valores enteros.

Solo después de los trabajos de Francis William Aston se encontraron los detalles que impedían que la hipótesis de Prout concordara con los datos experimentales (Aston, 1942) y con esto en 1961 el carbono 12 fue seleccionado como el elemento estándar para definir la masa de los demás elementos en la tabla periódica, dándosele el valor exacto de 12 unidades de masa atómica (Holden, 2004). ¿Pero y porque en mi tabla periódica el carbono12 tiene una masa no exacta?

Bueno si, todo muy bonito, el estándar de las unidades de masa atómica es el carbono 12, pero cuando miras en la tabla periódica observas que el valor no es 12 exactamente si no 12.0011, ¿de dónde salen los decimales? En 1942 con el descubrimiento de los isótopos estables de los elementos (Aston, 1942) se encontró un dato fascinante, los pesos para los elementos que habían estado recolectándose hasta entonces en las tablas periódicas representaban el promedio de la distribución de diferentes isótopos de dicho elemento.

Los isótopos de un elemento eran especies químicas con las mismas propiedades químicas, pero que se distinguían por sus pesos atómicos y por las fuentes de las cuales eran recolectadas. Resultó que las muestras  estandarizadas empleadas como patrones para cada elemento contenían diferentes proporciones de varios de sus isótopos, lo cual hacía que el peso atómico reportado fuera un promedio relativo a la abundancia del elemento respectivo.

De hecho, tomados por separado, cada isótopo presentaba un valor casi exacto al de una unidad –la tan soñada unidad de Prout.  Por ejemplo. Los tres isótopos más abundantes del magnesio pesan 23.9, 24.9 y 25.9 aproximadamente, pero sus proporciones si son  bien diferentes. Para los anteriores valores del magnesio las abundancias respectivas en el planeta Tierra son: 78.7%, 10.13% y 11.17%.

El valor de la tabla periódica emerge del promedio proporcional:


7.6 El descubrimiento del neutrón

La historia del descubrimiento del neutrón y sus propiedades es central para el desarrollo de la física nuclear durante la primera mitad del siglo XX, conllevando en última instancia al desarrollo de la tecnología nuclear, con los reactores y bombas nucleares en 1945. En 1911 Rutherford había modelado el núcleo atómico del oro como un único punto con carga positiva rodeado por electrones de carga negativa, lo que ha sido conocido como el modelo planetario de Rutherford.

Para comienzos de la siguiente década la existencia de los neutrones ya comenzaba a avizorarse como los portadores de la carga positiva, sin embargo había algo extraño. Por lo general en el átomo de hidrógeno “isótopo protio” podía asociarse claramente un solo protón a una carga positiva central única. Pero con la mayoría de los elementos la relación generalmente era de 2:1, donde la masa generalmente era casi el doble de las cargas positivas.

En 1920 Rutherford propuso el modelo del electrón-protón nuclear para explicar la existencia de masa neutralizada extra al interior del núcleo (Ernest Rutherford, 1925; Ernest Rutherford et al., 1932; Soddy, 1913; Stuewer, 1983; Van den Broek, 1914). Inicialmente los físicos adoptaron el modelo del electrón-protón nuclear, pero para 1930 dicho modelo del núcleo ya presentaba una incompatibilidad con el principio de incertidumbre de Heisenberg (Gamow, 1930; Klein, 1929). La energía atómica para mantener al núcleo unido con electrones dentro sería muy alta, mucho más de lo que podía medirse mediante la emisión de partículas beta. A pesar de todas estas contravenciones, el modelo del protón-electrón nuclear continuó vigente. Con el tiempo se acumularon más objeciones desde la mecánica cuántica, como la incompatibilidad del principio de exclusión de Pauli.

Entrados en 1930 todos sabían el que modelo del electrón-protón era malo, pero no se había encontrado un modelo mejor con el cual reemplazarlo. Sin embargo en 1931 Walther Wilhelm Georg Bothe (A) (1891-1957) y Herbert Becker en el instituto Geissen de la Alemania Nazi encontraron que si partículas alfa muy energéticas emitidas por polonio impactaban algunos elementos ligeros como el berilio, el boro y el litio, se generaba una radiación nueva inusualmente penetrante que no era afectada por ningún campo eléctrico o magnético, la cual fue inicialmente confundida como radiación gamma(Becker & Bothe, 1932; Bothe & Becker, 1930a, 1930b).

Pronto se dieron cuenta que esta radiación nueva era más penetrante que cualquier rayo gamma, aunque los resultados experimentales fueron particularmente difíciles de interpretar. En 1932 Irène Joliot-Curie (B) (1897-1956) y Frédéric Joliot (C) (1900-1958) en París demostraron  que si esta radiación inusual impactaba la parafina o cualquier compuesto que contuviera hidrógeno, se eyectaba protones de muy alta energía (Joliot-Curie & Joliot, 1932). Aunque originalmente se los siguió interpretando como rayos gamma, los datos presentaban demasiadas desviaciones con respecto a los experimentos control.

Para una convención en 1932 ni Rutherford ni James Chadwick (C) (1891-1974) estaban convencidos de que la interpretación gamma fuera correcta. Sería Chadwick quien combinando los experimentos de Alemania y Francia junto con mejores métodos de detección encontraría que los rayos desconocidos era un nuevo tipo de partícula sin carga, lo cual desmontaba el modelo del protón-electrón nuclear. A la nueva partícula neutra se le fue dado el nombre de neutrón (Chadwick, 1932a, 1932b; Webster, 1932).


7.6.1 Camino a la bomba atómica

La comunidad científica adoptó el modelo del protón-neutrón ya que se reconciliaba mejor con la teoría cuántica. Este nuevo modelo del núcleo fue propuesto meses después del descubrimiento del neutrón por tres físicos (Iwanenko, 1932): El propio Chadwick, Werner Heisenberg (F) (1901-1976) y Dmitri Ivanenko (G) (1904-1994). Este modelo resolvió mucho, pero dejó sin respuesta el origen de la radiación beta “electrones emanando del núcleo” que si era explicada por el modelo del protón-electrón (Brown, 1978).
(camino a la bomba atómica 1)

En 1934 esta paradoja fue resuelta por Enrico Fermi (E) (1901-1954) quien en uno de los artículos más importantes de la física moderna (Fermi, 1934b)  demostró que del mismo modo en que los átomos pueden transmutarse en otros átomos, las partículas subatómicas podían transmutarse. 

La radiación beta era causada cuando los neutrones decaían, este decaimiento genera un protón y un electrón “por lo que el modelo del protón-electrón no era tan descabellado después de todo”, adicionalmente también se reconoció una nueva partícula llamada neutrino. Este artículo abrió las puertas a un nuevo mundo, la transmutación de las partículas subatómicas y su producción de unas a otras implicaba que estas también tenían una estructura interna, la física de partículas había nacido. El artículo de Fermi estaba tan adelantado a su tiempo que fue rechazado originalmente por considerarlo demasiado especulativo.

Poco después los neutrones comenzaron a reemplazar a las partículas alfa en los experimentos de bombardeo, por ejemplo Norman Feather (1904-1978) un alumno de Chadwick logró desintegrar el nitrógeno con bombardeo de neutrones para formar boro (Feather, 1932). Lo neutrones impactaban mejor el núcleo ya que no eran afectados por las cargas de la nube de electrones. En Roma, Enrico Fermi comenzó a bombardear elementos pesados estables con neutrones, el resultado era la formación de isótopos altamente inestables, es decir la inducción de la radiactividad artificial (Fermi, Amaldi, D’Agostino, & Rasetti, 1934; Fermi, 1934a, 1934b). Esto fue logrado en 22 elementos.

Un momento definitivo en la investigación del átomo fue llevada a cabo por los científicos Nazis “aunque hay  mucho drama en ese cuento para el que le interese” Lise Meitner (H) (1878-1968), Friedrich Wilhelm "Fritz" Strassmann (I) (1902-1980) y Otto Hahn (J) (1879-1968) empezaron a avanzar sobre los resultados de Fermi entre los años previos a la Segunda Guerra Mundial (1934 y 1938). Aaunque disconformes conformaban el grupo de investigación bajo las órdenes de la Alemania Nazi, su descubrimiento de la fisión nuclear literalmente hizo temblar a los aliados hacia finales de la II Guerra Mundial (Sime, 1990).

Se trataba de bombardeo de neutrones a núcleos pesados, lo cual conllevó a uno de los artículos más importantes, el fraccionamiento del radio-bario-mesotorio; los resultados del experimento se hicieron obvios en 1939, habían logrado la fisión del núcleo de uranio para formar elementos más ligeros (Hahn, 1958). En su segunda publicación, Hahn y Strassmann predijeron la existencia de neutrones adicionales a los empleados en el bombardeo, lo cual implicaba que después de iniciada, la reacción podría sostenerse por sí sola de forma exponencial (Hahn, 1958). Frédéric Joliot y su grupo de investigación probaron este fenómeno en 1939 en Estados Unidos aterrados ante la posibilidad que los nazis lo hicieran primero (Hahn, 1958).

Muchos de los mejores físicos nucleares del mundo eran judíos europeos, los cuales tuvieron que emigrar a los Estados Unidos para escapar del régimen nazi, lo cual significó un cambio de los centros de investigación desde Europa a estados Unidos. Sin embargo, los científicos Nazis aún estaban muy cerca, por lo que un grupo de científicos liderados por Leó Szilárd (1898-1964) consiguió convencer a Albert Einstein que firmara una carta al presidente, lo cual desembocó en el proyecto Manhattan (Lanouette, 2013).

7.7 El proyecto Manhattan

En respuesta a la advertencia de  Leó Szilárd (K), Edward Teller (L), Eugene Wigner (M) y Albert Einstein (N), el presidente Roosevelt incrementó las investigaciones acerca de las implicaciones en la seguridad nacional de la fisión nuclear. Después de la detonación sobre Hiroshima, Einstein comentaría: "debería quemarme los dedos con los que escribí aquella primera carta a Roosevelt." (Malam, 2002).

Roosevelt creó un comité del Uranio ad hoc a cargo de Lyman Briggs, entonces jefe del National Boureau of Standards, el cual inició sus investigaciones en 1939 en el Naval Research Laboratory en Washington, en donde el físico Philip Abelson investigó la separación de los isótopos de uranio. En la Universidad de Columbia, el físico Enrico Fermi construyó prototipos de reactores nucleares utilizando diferentes configuraciones de grafito y uranio (Gosling, 1999).

En 1940 Vannevar Bush, director del Instituto Carnegie de Washington, organizó del Comité de Investigación de la Defensa Nacional para movilizar los recursos científicos de los Estados Unidos hacia el apoyo de las investigaciones orientadas a la guerra (Goldberg, 1992). El Consejo de Investigación de la Defensa Nacional se hizo luego cargo del "Proyecto Uranio", como se conocía el programa de física nuclear, y en 1940 V. Bush y Roosevelt crearon la Oficina de Desarrollo en Investigación Científica con el fin de ampliar estos esfuerzos. El 9 de octubre de 1941, Roosevelt autorizó finalmente el desarrollo del arma atómica.

El 7 de diciembre de 1941 con el ataque japonés a Pearl Harbor, Estados Unidos entró en la Segunda Guerra Mundial. Un día antes, V. Bush creó el Comité S-1 con el objetivo de guiar las investigaciones. Los esfuerzos para obtener material para la bomba se incrementaron en el Laboratorio de Metalurgia de la Universidad de Chicago, el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California y el Departamento de Física de la Universidad de Columbia. Para obtener isótopos de plutonio se tiene que bombardear con neutrones el Uranio-238, el cual absorbe los neutrones transformándose en Uranio-239, emite una partícula beta convirtiéndose en Neptunio-239, y finalmente emite otra partícula beta para pasar a plutonio-239. Con este fin, en 1942 se construyeron enormes plantas en Oak Ridge (Sitio X) Tennessee, y Hanford (Sitio W) Washington, para realizar esta separación  (Gosling, 1999).

A principios de 1942 el físico y Premio Nobel Arthur Holly Compton (Ñ) organizó el Laboratorio de Metalurgia de la Universidad de Chicago para estudiar el plutonio y las pilas de fisión (Compton, 1956). Compton solicitó al físico teórico J. Robert Oppenheimer (O) de la Universidad de California que se encargara de realizar los cálculos sobre neutrones de alta velocidad, esenciales para la viabilidad del arma nuclear (Herken, 2002). John Manley, un físico del Laboratorio de Metalurgia de la Universidad de Chicago, fue designado para ayudar a Oppenheimer a hallar respuestas contactando y coordinando varios grupos de físicos experimentales dispersos en todo el país (Manley, 1974).

En la primavera de 1942, Oppenheimer y Robert Serber (P) de la Universidad de Illinois trabajaron en los problemas de la difusión de neutrones (movimiento de neutrones en la reacción en cadena) e hidrodinámica (comportamiento de la explosión producida por la reacción en cadena) (Graebner & Else, 1988). Este estudio preliminar fue revisado el mismo verano por un grupo de físicos teóricos integrado por Hans Bethe, John Van Vleck, Edward Teller, Felix Bloch, Emil Konopinski, Wisam Ankah, Robert Serber, Stanley S. Frankel y Eldred C. Nelson quienes concluyeron que la bomba de fisión era viable (Hoddeson, 1993). Los científicos sugirieron que la reacción podía iniciarse acoplando una masa crítica, ya sea disparando dos masas subcríticas de plutonio o uranio; o por medio de implosionar o comprimir una esfera hueca de los mismos materiales. Por su parte, Teller contemplaba la posibilidad de fabricar un dispositivo mucho más poderoso o Superbomba al rodear la bomba de fisión con deuterio y tritio, sin embargo, el dispositivo no sería probado hasta 1952 ya finalizada la guerra (Hoddeson, 1993).

Edward Teller también especuló con la posibilidad de que la bomba atómica pudiera incendiar la atmósfera terrestre al desencadenar una hipotética reacción de fusión en cadena del hidrógeno (Rhodes, 2016). En un primer momento Oppenheimer se tomó muy en serio ese riesgo, y lo puso en conocimiento de Arthur H. Compton. Pero tanto Bethe como Serber, Teller o el propio Oppenheimer lo descartaron casi de inmediato, considerándolo teóricamente imposible. En 1946, acabada la guerra, Edward Teller se ocuparía, junto con sus colaboradores de Los Alamos Konopinsky y Marvin, de redactar un informe1 -desclasificado en 1973- descartando por completo la posibilidad de incendio de la atmósfera, "incluso asumiendo las hipótesis más extravagantes" (Konopinski, Marvin, & Teller, 1946).

Por desgracia, según Oppenheimer, Compton "no tuvo el sentido común suficiente como para mantener la boca cerrada" y mientras tanto filtró el asunto a Washington, lo que hizo que la cuestión "jamás quedara enterrada", y no se zanjara hasta la detonación de la Prueba Trinity. Además, tras la guerra volvió a salir varias veces a la luz, especialmente en 1959, 1975, y 1992, y en gran parte debido a una confusión por parte de la prensa: el informe de Teller se refería a ello no como algo "imposible" sino "improbable" -ya que la probabilidad de que algo semejante ocurriera quedaba fuera de cualquier planteamiento científico- y Compton concedió en 1959 una entrevista a Pearl S. Buck que ésta malinterpretó completamente al transcribir que tal probabilidad era "una entre un millón". Este aserto sirvió a su vez al periodista H.C. Dudley y al New York Times para considerar plausible la amenaza de una fusión del hidrógeno terrestre causada por la explosión de una bomba atómica.

El resultado de las reuniones fue resumido por Serber en "The Los Alamos Primer" (LA-1 en línea), y suministraron la base teórica original para el diseño de la bomba atómica, que se convirtió en la tarea principal de Los Alamos durante la guerra; y la idea de la bomba H, que se mantuvo en el laboratorio durante la posguerra.

En septiembre de 1942 las dificultades encontradas al desarrollar investigaciones en universidades dispersas por todo el país hicieron evidente la necesidad de crear un nuevo laboratorio dedicado exclusivamente a esta tarea, sin embargo, esta necesidad fue puesta en segundo plano dada la demanda de plantas que pudieran producir suficiente uranio y plutonio para crear las bombas atómicas (Gosling, 1999; Herken, 2002; Malam, 2002; Rhodes, 2016).

Las operaciones a gran escala relacionadas con el proyecto fueron asignadas al ejército por el presidente Roosevelt, y el Cuerpo de Ingenieros del Ejército asignó al Coronel James Marshall para supervisar la construcción de fábricas para la separación de isótopos de uranio y producción de plutonio (Gosling, 1999; Herken, 2002; Malam, 2002; Rhodes, 2016).

En ese tiempo, el único método que parecía prometedor para la separación a gran escala era la separación electromagnética, desarrollada por Ernest Lawrence en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California (Konopinski et al., 1946), sin embargo, los científicos continuaron estudiando otros métodos alternativos debido a su alto costo y a que era improbable que pudiera producir suficiente material antes del final de la guerra.

El ejército determinó que una ubicación cerca de Knoxville Tennessee sería el lugar más apropiado para construir la planta de separación, pero debido a que los oficiales a cargo desconocían qué extensión sería necesaria, se retrasó su adquisición. De igual forma, debido a su naturaleza de proyecto experimental, el proyecto no pudo competir con las demás prioridades del ejército en tiempo de guerra, como la demanda de acero para la construcción de fábricas, lo cual le causó retrasos (Gosling, 1999; Herken, 2002; Malam, 2002; Rhodes, 2016).

En otoño de 1943, el Coronel Marshall tuvo la idea de una operación de inteligencia independiente, gestionada por el Jefe de Distrito del Proyecto Manhattan, con el fin de averiguar los progresos alemanes en la investigación atómica: la Operación Alsos (Gosling, 1999; Herken, 2002; Malam, 2002; Rhodes, 2016).

El proyecto Manhattan consiguió su objetivo de producir la primera bomba atómica en un tiempo de 2 años 3 meses y 16 días, detonando la primera prueba nuclear del mundo (Prueba Trinity) el 16 de julio de 1945 cerca de Alamogordo, Nuevo México. La continuación del proyecto condujo a la producción de dos bombas-A conocidas como Little Boy "el flaco" y Fat Man "el gordo" con pocos días de intervalo, las cuales detonaron en Hiroshima el 6 de agosto de 1945 y en Nagasaki el 9 de agosto respectivamente (Gosling, 1999; Herken, 2002; Malam, 2002; Rhodes, 2016).


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